王教領(lǐng)，宋衛(wèi)東，王明友，吳今姬

（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014）

雙排自動(dòng)送料打孔機(jī)推料機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真*

王教領(lǐng)，宋衛(wèi)東**，王明友，吳今姬

（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014）

針對(duì)當(dāng)前單排打孔機(jī)打孔效率不高、易出現(xiàn)事故的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了雙排自動(dòng)送料打孔機(jī)，即在雙排自動(dòng)送料打孔機(jī)上設(shè)計(jì)了推料機(jī)構(gòu)，并將此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為曲柄滑塊模型，依據(jù)最小傳動(dòng)角這一優(yōu)化條件，利用MATLAB對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定曲柄滑塊的參數(shù)為l1=382mm，l2=548mm，e=152mm。采用ADAMS對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，通過(guò)對(duì)獲得的位移與速度的曲線(xiàn)進(jìn)行分析可知其結(jié)構(gòu)合理，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)機(jī)器性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明送料桿推料平穩(wěn)，打孔機(jī)每小時(shí)可對(duì)1 439個(gè)菌棒進(jìn)行打孔，且孔距均勻，孔深基本一致，打孔效果好。

MATLAB；ADAMS；曲柄滑塊；打孔

食用菌又稱(chēng)菌蕈，富含大量的營(yíng)養(yǎng)成分。隨著人們對(duì)食品安全和生活品質(zhì)的重視與追求，食用菌的價(jià)值也逐步被認(rèn)可[1－2]。目前我國(guó)食用菌產(chǎn)量居全球首位，食用菌產(chǎn)量占世界食用菌產(chǎn)量的比例也在呈逐年升高的態(tài)勢(shì)，中國(guó)食用菌產(chǎn)量占到全球總產(chǎn)量的75%以上，食用菌已經(jīng)成為我國(guó)糧食與經(jīng)濟(jì)安全的重要保障[3－5]。食用菌按照栽培方式分為袋栽、瓶栽、椴木栽等，其中袋栽是木耳、香菇等主要品種的種植方式。以香菇為例袋栽的主要工藝是：原料準(zhǔn)備、培養(yǎng)料配制、裝料、滅菌、接種、養(yǎng)菌、菇廠設(shè)置、脫袋轉(zhuǎn)色、出菇管理9個(gè)環(huán)節(jié)[6]。其中在養(yǎng)菇階段需要對(duì)菌棒進(jìn)行打孔處理，一方面是為了增氧，另一方面方便出菇。而當(dāng)前打孔這一環(huán)節(jié)處于半機(jī)械化程度，目前市場(chǎng)上雖然有一些機(jī)械產(chǎn)品，但是在安全性以及打孔效率方面仍然有待提高和改進(jìn)。本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)單排手動(dòng)打孔機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了雙排自動(dòng)送料打孔機(jī)，在雙排自動(dòng)送料打孔機(jī)中設(shè)計(jì)了推料機(jī)構(gòu)，可以將菌棒自動(dòng)推進(jìn)打孔機(jī)構(gòu)中打孔，不僅提高了打孔效率，而且避免了打孔事故，保證安全高效生產(chǎn)。在雙排自動(dòng)送料打孔機(jī)工作過(guò)程中，機(jī)器能否將菌袋平穩(wěn)有序地推進(jìn)？推出打孔機(jī)構(gòu)非常重要，因此本文將重點(diǎn)對(duì)推料機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真。

1 送料機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理

雙排自動(dòng)送料打孔機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1，其中送料機(jī)構(gòu)由鏈輪、連桿l1、連桿l2、直線(xiàn)軸承和送料桿及其配套的鏈條傳動(dòng)組成。其中連桿l1與連桿l2是通過(guò)銷(xiāo)釘連接的，形成轉(zhuǎn)動(dòng)副；連桿l1固定在鏈輪上，鏈輪由電機(jī)通過(guò)鏈條驅(qū)動(dòng)。送料機(jī)構(gòu)的工作原理是電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈輪帶動(dòng)連桿l1做圓周運(yùn)動(dòng)，連桿l1驅(qū)動(dòng)連桿l2運(yùn)動(dòng)，連桿l2和送料桿相連，與送料桿固結(jié)的直線(xiàn)軸承固定在機(jī)架底座上，所以連桿l2驅(qū)動(dòng)送料桿運(yùn)動(dòng)時(shí)只能做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)將左右料斗中裝入菌棒，送料機(jī)構(gòu)將菌棒推入打孔裝置進(jìn)行打孔，打孔完成后隨著下一個(gè)菌棒由料斗推入打孔裝置把打好的菌棒推出，完成一次打孔作業(yè)再進(jìn)行下一個(gè)菌棒的打孔。

2 推料機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

推料機(jī)構(gòu)的原理是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪，鏈輪通過(guò)連桿結(jié)構(gòu)推動(dòng)送料機(jī)構(gòu)送料，其模型可以簡(jiǎn)化成一個(gè)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖2。

如圖2所示，偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)主要尺寸包括：曲柄l1、連桿l2、偏心距e。根據(jù)菌袋的長(zhǎng)度取行程H=580mm，其中取K=1.92，當(dāng)曲柄與滑塊導(dǎo)路垂直且曲柄上鉸鏈B離導(dǎo)路較遠(yuǎn)時(shí)，有最小的傳動(dòng)角[7]，可表示為：

在圖2△AC1C2中，有

圖1 雙排自動(dòng)送料打孔機(jī)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Machine structure of double row of automatic feed punching machine structure

圖2 推料機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型Fig.2 Pushing mechanism simplified model agency

根據(jù)急回特性的參數(shù)計(jì)算方法，θ可以由下式計(jì)算出：

以曲柄作為設(shè)計(jì)變量，令其為x，其極值可由下式確定：

根據(jù)對(duì)傳動(dòng)角的優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，因此該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：

即：

利用MATLAB編制優(yōu)化程序如下：

運(yùn)行后結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 MATLAB運(yùn)行后的結(jié)果Fig.3 MATLAB results after running

即l1=381.686，maxf(X)=0.9740，帶入（1）、（2）、（3） 計(jì)算出：γmin=13.0940，l2=548.299 mm，e=152.357 mm。圓整后取l1=382 mm；l2=548 mm；e=152 mm。

3 推料機(jī)構(gòu)的ADAMS仿真

ADAMS是美國(guó)MDI公司開(kāi)發(fā)的非常著名的虛擬樣機(jī)分析軟件，運(yùn)用該軟件可以非常方便地對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真運(yùn)行以及靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析[8]。

根據(jù)桿長(zhǎng)l1、l2和偏距e建立推料機(jī)構(gòu)的PROE模型導(dǎo)入ADAMS軟件，并且建立約束，在連桿l1加上轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，依據(jù)工作要求設(shè)定轉(zhuǎn)速 w=72 rad·s－1，仿真時(shí)間設(shè)定為10 s，進(jìn)行求解獲得速度和位移曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 速度曲線(xiàn)Fig.4 Speed curve

圖5 位移曲線(xiàn)Fig.5 Shift curve

數(shù)據(jù)分析：從位移曲線(xiàn)上可以看出推料機(jī)構(gòu)的最大行程接近850 mm，與設(shè)計(jì)的參數(shù)吻合，滿(mǎn)足生產(chǎn)要求；從速度曲線(xiàn)中可知推料的進(jìn)程速度平穩(wěn)而回程速度較大，這是因?yàn)樗土蠒r(shí)考慮到菌袋較長(zhǎng)與料槽之間有一定的摩擦力，為了可以將菌袋平穩(wěn)地推到打孔位置所以采用的速度較小，而回程希望可以快速返回進(jìn)行下輪打孔所以設(shè)計(jì)所取的急回特性參數(shù)K=1.9較大，因此具有較大的回程速度。

4 樣機(jī)測(cè)試

試制的樣機(jī)外形尺寸為1 970 mm×1 030 mm× 1 300 mm，見(jiàn)圖6。針對(duì)送料桿的機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，每個(gè)料斗中分別放入20個(gè)菌棒，兩邊同時(shí)打孔，工作時(shí)送料桿推料平穩(wěn)，菌棒孔距均勻，孔深基本一致，打孔效果好。經(jīng)過(guò)5次實(shí)驗(yàn)獲得打孔效率見(jiàn)表1。

圖6 樣機(jī)圖

通過(guò)表1可知，打孔機(jī)每小時(shí)可以對(duì)1 439個(gè)菌棒進(jìn)行打孔，具有很高的打孔效率。

表1 菌棒打孔效率Tab.1 Fungus rod drilling efficiency

5 總結(jié)

本文根據(jù)雙排自動(dòng)送料打孔機(jī)推料機(jī)構(gòu)的工作要求，利用MATLAB并依據(jù)最小傳動(dòng)角的優(yōu)化條件進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)，確定了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)及偏距等參數(shù)。完成機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)后采用ADAMS對(duì)推料機(jī)構(gòu)做了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，獲取了位移與速度曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)位移與曲線(xiàn)的分析表明送料機(jī)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求。

樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明送料機(jī)構(gòu)推料平穩(wěn)，打孔機(jī)每小時(shí)可對(duì)1 439個(gè)菌棒進(jìn)行打孔，且孔距均勻，孔深基本一致，打孔效果好。

雙排自動(dòng)送料打孔機(jī)的設(shè)計(jì)為我國(guó)食用菌生產(chǎn)又增添了一把利器，對(duì)于其安全、高效生產(chǎn)具有重要意義。

[1]林路秀，李順興，李林燕，等.食用菌中微量元素分析及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與食品安全評(píng)價(jià)[J].分析科學(xué)學(xué)報(bào)，2015,31（6）：835-838.

[2]李麗.食用菌的營(yíng)養(yǎng)成分和活性研究進(jìn)展[J].食品研究與開(kāi)發(fā),2015（12）：139-142.

[3]陳開(kāi)旭，王為蘭，劉軍，等.食用菌活性成分抗腫瘤作用的研究進(jìn)展[J].生物技術(shù)通報(bào)，2015，31（3）：35-42.

[4]劉士旺.我國(guó)食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展與研究動(dòng)態(tài)[J].中國(guó)食用菌，2009，28（1）：60-61.

[5]焦帥.控制食用菌子實(shí)體中重金屬富集的方法研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2010.

[6]孫曉鈺.香菇栽培技術(shù)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2011（2）：158.

[7]金熙哲，王玉新，郭為忠，等.傳動(dòng)角最優(yōu)的曲柄滑塊結(jié)構(gòu)多變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41（4）：561-564.

[8]韓寶菊，俞榮標(biāo).虛擬樣機(jī)技術(shù)及其動(dòng)力學(xué)仿真分析[J].機(jī)械工程師，2008（3）：137-138.

Design and Simulation on Pushing Mechanism of Double Row of Automatic Feed Punching Machine

WANG Jiao-ling,SONG Wei-dong,WANG Ming-you,WU Jin-ji
(Nanjing Institute of Agricultural Mechanization of National Ministry of Agriculture,Nanjing 210014,China)

Aiming at problems that the current single row keypunch efficiency is not high and prone to accidents,the double automatic feed drilling machines were designed,on which the material pushing mechanism were designed,and the structure were simplified into the crank slide block model.On the basis of the optimization condition of minimum transmission angle,the institutions were optimized using MATLAB,to determine the parameters of the crank slide block for l1=382 mm,l2=548 mm,e=152 mm.The dynamic simulation of the mechanism was carried out by ADAMS,the analysis on the curve of displacement indicated speed organization structure was reasonable,and it met the design requirements.For machine performance,the experimental verification were studied,and the tests indicated that the material pushed rod pushed smoothly,punching machine could be to 1 439 bacteria stick drilling per hour,hole was apart from the uniform,hole deep was basically the same,the punch effect was good.

MATLAB;ADAMS;crank block;punching

S646.9

A

1003-8310（2016）05-0077-04

10.13629/j.cnki.53－1054.2016.05.019

國(guó)家食用菌現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS－24）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)作物秸稈基質(zhì)化利用（201503137）。

王教領(lǐng)（1988－），男，碩士，實(shí)習(xí)研究員，從事食用菌生產(chǎn)技術(shù)與裝備研究。E－mail:kclwjl＠126.com

**通信作者：宋衛(wèi)東（1965－），男，本科，研究員，從事食用菌機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備研究。E－mail:songwd＠163.com

2016－07－06