麥冬全自動烘干機(jī)的設(shè)計(jì)

李曉曉　何云勇　彭亮　袁影　楊濤

摘 要：傳統(tǒng)的麥冬加工方式對氣候環(huán)境和勞動者要求高，現(xiàn)無專業(yè)的麥冬全自動烘干機(jī)。在對烘干機(jī)的工作原理進(jìn)行分析之后確定了烘干機(jī)技術(shù)要求與主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對烘干機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和樣機(jī)試制，最后基于C/S網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對麥冬烘干設(shè)備電氣控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。烘干試驗(yàn)說明了麥冬全自動烘干機(jī)的效果，并為農(nóng)業(yè)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)集群組網(wǎng)的開發(fā)提供了參考。

關(guān)鍵詞：麥冬;全自動烘干機(jī);遠(yuǎn)程監(jiān)控;物聯(lián)網(wǎng)集群

中圖分類號：S225.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.19754/j.nyyjs.20201015015

引言

麥冬屬百合科沿街草屬藥用植物，具有養(yǎng)陰、生津、潤肺、止咳、清心除煩等功效，是名貴中藥材，市場需求量較大[1]，但每年麥冬的收獲季節(jié)為春雨季，麥冬難以烘干到位。麥冬的傳統(tǒng)烘干方式大體分為2種，藥商大戶及合作社基本以煤炭烘干，煤炭烘干會使麥冬含硫產(chǎn)生毒性;而小農(nóng)戶則以日曬、悶堆的方式進(jìn)行烘干，容易受到天氣影響、效率低下。而且煤炭烘干法會使麥冬烘干溫度無法精準(zhǔn)保持在同一溫度，溫度易過熱變化，導(dǎo)致麥冬霉變、腐爛速度加快，使麥冬藥性受到嚴(yán)重影響[2]。麥冬目前的加工方式對氣候環(huán)境和勞動者經(jīng)驗(yàn)要求高、能耗高、周期長、勞動力需求大，制約著麥冬產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而烘干機(jī)的出現(xiàn)大大提升了傳統(tǒng)烘干方式能效。劉懷海、王繼煥[3]將模糊控制算法應(yīng)用于谷物烘干機(jī)溫度控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的智能模糊控制器具有穩(wěn)態(tài)精度高、超調(diào)量小等優(yōu)點(diǎn);馬保聰?shù)萚4]研發(fā)出多級連續(xù)滾筒式糧食烘干機(jī)，能夠使熱冷風(fēng)能夠與糧食充分接觸，熱交換快，水分布均勻度低，還可以對排濕除塵裝置強(qiáng)制操控，有益于快速地排出農(nóng)作物中的濕氣與灰塵，然而由于此滾筒式糧食烘干機(jī)對于溫度和濕度的控制參數(shù)精度還有很大進(jìn)步空間，所以在日后的生產(chǎn)中對于這一烘干機(jī)的自動化程度還需進(jìn)一步設(shè)計(jì)改良;馬小麗[5]根據(jù)谷物靠自重的作用，在烘干機(jī)內(nèi)自上而下流動，熱介質(zhì)則由熱風(fēng)機(jī)進(jìn)入進(jìn)氣管的多級順流間歇式烘干工藝設(shè)計(jì)了5H-40新型玉米烘干機(jī)，具有熱風(fēng)爐效率高、烘干過程玉米破碎率小以及對糧食無污染等優(yōu)點(diǎn)。近些年來，從政府的大力扶持農(nóng)業(yè)機(jī)械到國內(nèi)高校和企業(yè)紛紛加入烘干機(jī)的開發(fā)、研究以及生產(chǎn)中，都傳達(dá)了國家振興烘干加工行業(yè)的訊息。

1 麥冬烘干機(jī)工作原理與技術(shù)參數(shù)

1.1 烘干機(jī)工作原理

根據(jù)麥冬烘干工藝以及設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的麥冬烘干機(jī)采用整體閉式箱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用多層帶式傳動，結(jié)合了傳統(tǒng)的密封箱式和傳送帶式烘干機(jī)特點(diǎn)，節(jié)能效果好，空間結(jié)構(gòu)緊湊。麥冬烘干機(jī)主要由送料架、傳送帶裝置、提升機(jī)構(gòu)、加熱系統(tǒng)和揉搓機(jī)構(gòu)5大部分組成，烘干系統(tǒng)利用PLC的控制方式，動力來源為三相電機(jī)。在麥冬烘干過程中，送料架安裝在烘干機(jī)的左面，加熱系統(tǒng)安裝在烘干機(jī)的側(cè)面，提升機(jī)構(gòu)安裝在烘干機(jī)的右面，揉搓機(jī)構(gòu)安裝在烘干機(jī)的頂部。除了送料架，傳送帶裝置、提升機(jī)構(gòu)、加熱系統(tǒng)和揉搓機(jī)構(gòu)的外部都采用了隔熱板隔熱，可以降低熱量散發(fā)和消除外表面發(fā)熱對工作人員的燙傷隱患。工作時，利用送料機(jī)將新鮮帶須的麥冬投入傳送帶裝置，麥冬在傳送帶裝置內(nèi)部循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，麥冬在傳送帶內(nèi)由下至上傳送是通過提升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的;加熱系統(tǒng)連接在整個傳送帶裝置的一個側(cè)面，通過鼓風(fēng)機(jī)將電阻絲的產(chǎn)熱送入傳送帶裝置，麥冬在傳送帶裝置循環(huán)傳動烘干后，通過提升機(jī)構(gòu)進(jìn)入揉搓裝置，揉搓裝置對烘干的麥冬揉搓去須，去須完成后又通過傳送帶裝置送入出料口。麥冬烘干機(jī)的整體機(jī)構(gòu)如圖1所示。

麥冬烘干機(jī)中，送料架、傳送帶裝置、提升機(jī)構(gòu)、加熱系統(tǒng)和揉搓機(jī)構(gòu)所有的動力來源都由電機(jī)提供。送料架連接送料電機(jī);傳送帶裝置內(nèi)部的傳送電機(jī)I的輸出軸通過齒輪傳動、帶動第1傳送帶逆時針和第2傳送帶順時針運(yùn)動，第1傳送帶又通過鏈傳動使第3傳送帶做逆時針運(yùn)動，傳送電機(jī)II直接驅(qū)動第4傳送帶運(yùn)動;提升機(jī)構(gòu)通過提升電機(jī)做順時針運(yùn)動;揉搓機(jī)構(gòu)連接揉搓電機(jī)，揉搓機(jī)構(gòu)的進(jìn)料口處有1塊電動推桿控制的擋板，擋板的開合控制著烘干后的麥冬是否進(jìn)入揉搓機(jī)構(gòu);加熱系統(tǒng)則控制加熱管的加熱量和鼓風(fēng)機(jī)工作時間。

1.2 烘干機(jī)技術(shù)要求與主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

設(shè)計(jì)的麥冬烘干機(jī)以四川省三臺市麥冬作為烘干對象，同時要求兼顧其它類似農(nóng)特產(chǎn)品烘干能力，具體技術(shù)要求包括運(yùn)用連續(xù)式作業(yè)方式，麥冬的烘干率為1000kg·d-1;烘干設(shè)備要具備易操作、簡維修和占地面積小的特點(diǎn);烘干設(shè)備以循環(huán)利用電阻熱風(fēng)實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約;烘干設(shè)備要排出潛在威脅因素，設(shè)計(jì)合理科學(xué)的觀察窗口;烘干設(shè)備要標(biāo)有明確安全標(biāo)識以警示提醒使用者;烘干設(shè)備的所有參數(shù)設(shè)計(jì)和模擬試驗(yàn)等要滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和行規(guī)。

麥冬烘干機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2 麥冬烘干機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 麥冬烘干機(jī)關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

麥冬連續(xù)烘干機(jī)主要由送料架、傳送帶裝置、提升機(jī)構(gòu)、加熱系統(tǒng)和揉搓機(jī)構(gòu)等部件構(gòu)成。

2.1.1 送料架

送料架用于將要烘干的麥冬送入烘干機(jī)內(nèi)部，采用的是傳送帶運(yùn)送方式，將傳送帶架在支撐架上提高傳送高度，送料傳送帶的最高處對著烘干機(jī)的進(jìn)料口。送料架的支撐架下方安裝有萬向輪，送料完成后可以將送料架移開。送料架的三維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1.2 傳送帶裝置

為實(shí)現(xiàn)從上到下逐層傳送烘干麥冬，需要為該傳送系統(tǒng)選擇一個動力源，本文采用的動力源為三相電機(jī)，用以帶動軸和齒輪。具體傳動過程，通過鏈條讓三相電機(jī)輸出的功率傳遞給主動輪，隨后從動輪會跟隨主動輪發(fā)生運(yùn)動，從而完成整個傳動過程，同時麥冬的傳輸方向和受熱面積也會隨著上述過程發(fā)生變化。該裝置對麥冬進(jìn)行烘干的優(yōu)點(diǎn)，麥冬可以受到立體烘干，即麥冬受熱更加全面和均勻，總體來看烘干效果好;烘干設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單便于運(yùn)輸和維修;該設(shè)備的占地面積小。烘干機(jī)箱體中的傳送帶裝置主要由4條傳送帶組成，其中第1傳送帶逆時針運(yùn)動，與第2傳送帶的運(yùn)行方向相反，與第3傳送帶的運(yùn)行方向相同，目的是能夠讓麥冬全面受熱，有利于麥冬烘干，上層網(wǎng)帶上的麥冬可以在傳送過程中掉落到下層網(wǎng)帶，從而可以近似地看作麥冬發(fā)生了翻動。傳送帶裝置見圖3。

2.1.3 提升機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)的帶式烘干機(jī)主要的弊端就是占用空間大，而水平傳送帶無法多層空間利用，為實(shí)現(xiàn)空間循環(huán)利用，通過提升機(jī)構(gòu)完成麥冬在烘干機(jī)底部的第4傳送帶上傳送到頂部的第1傳送帶上，內(nèi)側(cè)半圓形的提升結(jié)構(gòu)可以有效將內(nèi)部麥冬提升。提升機(jī)構(gòu)的三維機(jī)構(gòu)如圖4所示。

2.1.4 加熱系統(tǒng)

目前市場上常用的加熱方式是加熱管，利用鼓風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹送入烘干機(jī)內(nèi)，吹風(fēng)方式是在烘干機(jī)箱體的底部將熱風(fēng)吹入，而在最高處設(shè)置通風(fēng)口，可以使熱風(fēng)從低到高加熱，循環(huán)利用熱量，但這樣的效果是熱量在最高處的通風(fēng)口排出，熱量損失較大。加熱系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。本文設(shè)計(jì)的吹風(fēng)方式是將把整個烘干機(jī)箱體的側(cè)面作為進(jìn)風(fēng)口，充分?jǐn)U大熱風(fēng)接觸面積，這樣升溫較快。加熱系統(tǒng)的排風(fēng)口設(shè)置在提升機(jī)構(gòu)的最左上端，使烘出的水蒸氣從這里排出。而在烘干機(jī)箱體的頂部設(shè)置有連接鼓風(fēng)機(jī)箱的管道，使得熱風(fēng)吹出后又從烘干機(jī)頂部鼓風(fēng)機(jī)箱進(jìn)入循環(huán)使用，充分利用熱能。

2.1.5 揉搓機(jī)構(gòu)

當(dāng)麥冬烘干后，需要對麥冬揉搓去須，傳統(tǒng)的麥冬烘干和去須都是分開進(jìn)行，本文設(shè)計(jì)的烘干機(jī)將烘干和揉搓去須二者集成，當(dāng)麥冬烘干后直接進(jìn)入揉搓機(jī)構(gòu)，揉搓機(jī)構(gòu)揉搓去須后直接出料。雙桶式揉搓機(jī)揉搓效率更高，揉搓機(jī)的上方設(shè)置有擋板，當(dāng)麥冬未烘干時，揉搓機(jī)上方的擋板處于閉合狀態(tài)，麥冬無法進(jìn)入揉搓機(jī)，當(dāng)麥冬烘干后，揉搓機(jī)上方的擋板會打開，烘干的麥冬就會進(jìn)入揉搓機(jī)進(jìn)行揉搓去須。圖6為揉搓機(jī)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)圖。

2.2 麥冬烘干機(jī)整機(jī)建模與樣機(jī)試制

利用三維建模軟件CATIA對麥冬烘干機(jī)進(jìn)行三維建模，完成的麥冬烘干機(jī)三維結(jié)構(gòu)如圖7所示，圖7中麥冬烘干機(jī)三維模型分別是其正面和背面。麥冬烘干機(jī)三維模型設(shè)計(jì)完成后，對模型進(jìn)行運(yùn)動仿真和干涉分析，分析無誤后進(jìn)行麥冬烘干機(jī)樣機(jī)試制，圖8為試制完成的麥冬烘干機(jī)樣機(jī)。

3 麥冬烘干遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與烘干試驗(yàn)

3.1 麥冬烘干遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

麥冬烘干遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體思路是在麥冬烘干機(jī)旁部署1臺PC（又稱上位機(jī)），負(fù)責(zé)獲取和控制PLC數(shù)據(jù)并與用戶的移動終端通信。移動終端管理界面是1個C/S結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，上位機(jī)作為服務(wù)器，移動終端作為客戶端[6]。用戶攜帶移動終端連接網(wǎng)絡(luò)后，發(fā)起連接即可通過上位機(jī)監(jiān)控麥冬烘干機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。在麥冬烘干設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中，控制軟件有2個，分別是計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)發(fā)送指令并接收由PLC傳遞來的實(shí)時數(shù)據(jù);移動終端上的Android程序，與計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用程序通過TCP/IP的形式連接，發(fā)送指令并接收由應(yīng)用程序傳遞來的實(shí)時數(shù)據(jù)，從而間接控制PLC的直接流程。為了在與PLC通信的過程中能夠在上位機(jī)界面上實(shí)時顯示出數(shù)據(jù)，采用Microsoft Visual Studio 2013軟件工具和C++語言來編寫計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序。此外，在設(shè)計(jì)編輯遠(yuǎn)程移動控制端的相關(guān)程序時采用了Android-Studio-Bundle軟件工具，將計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序通信過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實(shí)時顯示在移動終端上。根據(jù)麥冬烘干機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理，由設(shè)備監(jiān)控模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊和設(shè)備控制模塊共同構(gòu)成了麥冬烘干遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。麥冬烘干監(jiān)控系統(tǒng)功能如圖9所示。

由于系統(tǒng)的軟件有2個，分別為上位機(jī)和遠(yuǎn)程終端，因此系統(tǒng)的測試環(huán)境主要分為硬件環(huán)境與軟件環(huán)境。其中，硬件環(huán)境包括工業(yè)電腦1臺、支持Android 7.0環(huán)境的手機(jī)1臺、無線路由器1臺、西門子S7-200 Smart PLC1臺。搭建完成以上軟硬件環(huán)境，并將PLC、上位機(jī)、移動終端相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)線纜連接完畢后，打開上位機(jī)軟件，移動終端軟件，西門子PLC狀態(tài)監(jiān)控模擬器STEP 7 SMART V2.2進(jìn)行系統(tǒng)測試。圖10為麥冬烘干上位機(jī)系統(tǒng)工作界面，圖11為麥冬烘干設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)移動終端界面。

3.2 麥冬全自動烘干機(jī)試驗(yàn)分析

試驗(yàn)對象為四川省三臺市采挖的新鮮麥冬，新鮮麥冬從送料架進(jìn)入，再通過提升機(jī)構(gòu)、傳送帶裝置、加熱系統(tǒng)和揉搓機(jī)構(gòu)的綜合作用，烘干揉搓好的干麥冬從出料口流出。圖12（a）為采挖的新鮮麥冬，圖12（b）為烘干揉搓后的干麥冬。

4 結(jié)論

麥冬烘干對保證麥冬的品質(zhì)、便于包裝和貯藏具有重要的作用和意義，采用程序變溫的方式烘干效果最好。結(jié)構(gòu)上，麥冬烘干機(jī)采用整體閉式箱體，內(nèi)部采用多層帶式傳動，結(jié)合了傳統(tǒng)的密封箱式和傳送帶式烘干機(jī)特點(diǎn)，節(jié)能效果好，空間結(jié)構(gòu)緊湊;控制系統(tǒng)方面，利用PLC對烘干機(jī)進(jìn)行控制，通過傳感器對烘干機(jī)控制系統(tǒng)的溫度和濕度進(jìn)行檢測;并完成了麥冬烘干遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)和移動終端設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了麥冬全自動烘干機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備集成。

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（責(zé)任編輯 周康）

收稿日期：2020-08-27

基金項(xiàng)目：成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院院級孵化項(xiàng)目“多功能微型電動農(nóng)業(yè)無人車關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號20ZR108）

作者簡介：李曉曉（1987-），碩士，實(shí)驗(yàn)師。研究方向：機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳感器應(yīng)用;通訊作者楊濤（1991-），男，碩士。研究方向：農(nóng)業(yè)工程與信息化和機(jī)器視覺技術(shù)。