新闻资讯
一、简介
粮食采样在粮食收购、加工、储存过程中发挥着至关重要的作用[ 1 ][ 2 ]。它不仅保证了交易的公平性,还涉及到储粮的安全以及后续加工过程中的质量控制。有效的粮食质量检验促进了粮食市场的健康发展,对于保障国家粮食质量安全至关重要[ 3 ]。
目前,部分粮食企业采样主要依靠人工和半自动方式,存在采样效率低、劳动负担重等问题。对此,我国学者开始研制自动谷物取样机[ 4 ]。马岩设计的智能谷物取样机[ 5] 可以提高采样效率,节省人工成本。安徽云龙创新设计的一款采用液压驱动的散粮取样机,有效解决了手动取样速度慢的问题。然而,采样盲点和采样率相对较低等挑战仍然存在。安徽巨龙开发了一款适用性广泛的单杆旋臂粮食取样机,适用于敞口散装粮食运输车辆和装载包装粮食的车辆取样。其性能表现出色,采样频率可达每小时20次,为采样操作提供了相对高效的解决方案。而段文元设计的双杆桁架式粮食取样机成功解决了盲样取样问题,6 ]。为提高抽样效率、扩大抽样范围,2023年7月,安徽省科学技术厅下发了《关于启动农资技术装备领先项目和农机补缺项目备案工作的通知》,重点发展多杆智能采样机。具体要求包括1)多杆同时采样,提高效率,实现每小时38次采样频率;2)采样棒的往返时间为36秒/周期;3)标准采样车长度小于17.5米。
本工作设计并测试了桁架式多杆谷物取样机。此次设计旨在满足通知中提出的提高采样效率、扩大作业能力的要求。利用 SOLIDWORKS,进行了三维模型设计,完成了原型制造,并集成了相关功能的 PLC 控制。这一进步使得粮食采样更加高效、全面,从而带动农业科技装备的升级和创新。
2、整体机械结构及工作原理
多杆谷物取样机结构设计复杂,包括立柱、三个取样主小车机构、六个辅助小车机构、六个取样杆、三个主小车移动装置、六个辅助小车移动装置、加强桁架框架支撑结构,以及谷物吸力装置等部件。整体配置如图1所示。以基础与地面接触面的中点为原点,图中记为O点。X 轴沿桁架框架支撑结构的长度定义,Y 轴沿其宽度定义,Z 轴沿支柱的高度定义。
工作准则
多杆谷物取样机的取样过程主要包括以下步骤:主小车移动到目标位置,副小车移动到目标位置,取样杆移动到目标位置,吸粮装置动作,主小车、副小车、采样杆回到初始位置。
工作过程如下:当粮车进入取样机工作范围时,控制器启动主小车运动,精确控制其沿X轴移动至目标X位置。同时启动并控制辅助小车沿Y轴移动至目标Y位置。随后,启动采样杆驱动装置,精确控制采样杆沿Z轴移动至目标Z位置。然后,启动吸粮装置,直至采样任务完成。为保证操作安全,主小车机构、副小车机构、采样杆均安装有接近开关,有效防止运动过程中可能发生的碰撞。任务完成后,
3. 增强型组件结构设计及关键参数
3.1. 主承载机构
主托架机构的设计旨在沿 X 轴运动。它由主小车架、采样机立臂、采样小车横向移动上导轨、采样小车横向移动下导轨、防脱轨装置组成,如图2所示。该机构底部装有与悬臂梁相切的行走轮。在主拖架驱动电机的作用下,传递扭矩
经减速机减速后通过齿轮啮合传给行走轮,使主拖架机构沿X轴移动。为保证运动平稳,设计有针对性的防脱轨装置,防止运行过程中出现轨道跑偏。该装置增强了设备运行过程中的可靠性和安全性,为整个系统的平稳运行提供了可靠的保障。
为满足标准车厢长度小于17.5 m的要求,从而需要采样长度方向超过17.5 m,采用长度为20米的桁架支撑结构。采样托架机构尺寸为 4000 mm × 1400 mm × 1500 mm(长 × 宽 × 高)。所有三个主滑架机构上均安装有接近开关和位移传感器。在接近开关的智能控制下,主拖架机构精确定位在X轴最左、最右位置。同时,在主小车机构接近整机坐标系原点的极限位置,利用位移传感器建立主小车原点。在它的运动过程中,
3.2. 辅助承载机构
采样小车机构设计为沿Y轴运动,由主梁、主梁上固定支架、主梁下固定支架、行走电机支架、驱动电机等部件组成,如下:如图3所示。小车机构通过主梁上的上固定支架和主梁上的下固定支架与主小车机构连接。其工作原理是:主小车到达目标位置后,采样小车电机经减速机减速后,通过齿条啮合将扭矩传递给采样小车轮,使采样小车机构沿Y方向移动。轴。
辅助托架机构还配备有接近开关和位移传感器。当主小车机构上的两个辅助小车机构运动到靠近两侧桁架支撑结构的极限位置时,两个位移传感器自动归零,设定辅助小车机构的零位。在辅助小车机构运动过程中,编写了PLC相关程序,利用辅助小车位移传感器获取辅助小车机构的实时位置,从而精确控制辅助小车机构的运动。
3.3. 采样杆结构
采样杆设计用于沿 Z 轴运动,由连接板、滚柱轴承、弹簧、套筒和采样杆本身组成,如图4所示。采样杆通过连接板与辅助小车机构连接。在采样杆驱动电机及减速机减速的作用下,通过链轮和链条的啮合形成高效稳定的传动系统,从而控制采样杆沿Z轴的运动。滚柱轴承的设计不仅减少了运动过程中的摩擦,而且保证了采样杆在垂直运动过程中保持垂直对齐。套筒的设计有利于轻松更换采样杆。此外,还装有弹簧装置,以便在采样杆接触滑架底部时提供缓冲。
采样杆还装有接近开关和位移传感器。当采样杆运动到辅助小车机构的顶部位置时,采样杆位移传感器自动归零,指示采样杆的原点位置。在采样杆运动过程中,编写PLC相关程序,利用采样杆位移传感器获取采样杆的实际位置,从而实现对其运动的精确控制。考虑到采样杆接触小车底部时可能无法反弹,为防止采样杆损坏,控制程序中引入了电流变送器。一旦检测到电流异常增加,系统触发采样杆驱动电机的反转功能,实现采样杆的反弹。此设计旨在保护设备免受损坏并确保其稳健运行。
3.4. 工作参数
多杆取样机的设计参数如表1所示。
4 多杆钉样机控制系统设计
取样机的控制系统对于保证其正常运行至关重要。在采样过程中,机器执行3个主小车机构、6个辅助小车机构和6个采样杆的运动指令,需要具有大量输入和输出点的控制系统。
在运行过程中,控制系统必须控制大小机械部件以及驱动采样杆的电机的正向和反向运行。该控制系统的关键部件包括PLC控制器、PLC扩展模块、电机、位移传感器、电流变送器、电源、中间继电器、交流接触器、开关、断路器等。基本控制过程包括确保主小车机构、辅助小车机构和采样杆返回到各自的原点位置,并将每个位移传感器重置为零。
该系统的核心控制部件是西门子S7-1200 PLC,具有模块化、功能全面、结构紧凑的特点,采用24V开关电源供电。与S7-200 PLC相比,S7-1200 PLC支持更多的输入输出模块,由于其高性能和可扩展性,广泛应用于中小型自动化系统。在通信方面,S7-1200 PLC支持多种网络设备类型。总体而言,S7-1200 PLC满足多杆谷物取样机的控制要求,可以同时控制全部六根杆。PLC和扩展模块的外部接线见图5和图6。CPU 1200 PLC、SM1223-1、SM1223-2、SM1223-3、SM1223-4主要控制3个主小车、6个辅助小车、6个采样杆的原点设定、正反转等功能。SM123-1、SM123-2、SM123-3主要控制各种位移传感器、电流变送器的模拟信号。
根据电气原理图,设计电气柜的布局,生产电气柜。由于部件较多,电气柜布置在前后两侧,如图7所示。
5. 实验验证
5.1. 测试条件
多杆取样机组装制作完成后,在安徽富阳界首巨利粮机有限公司进行了一系列试验,验证该机的机械性能和实际效果满足设计预期。试验设备如图8所示,采用本文设计的多杆取样机进行试验。PLC程序下载到计算机中,控制主小车、副小车和采样杆的运动。
5.2. 检测结果
测试结果表明该多杆谷物取样机性能优良。具体亮点包括:每小时45次采样频率、采样杆往返时间26秒、采样宽度300厘米、采样杆行程420厘米、采样长度1800厘米。主车厢。整个测试过程中,机器运行平稳,没有出现任何异常,进一步证明了该设计的高效性和可靠性。
6。结论
1)设计了粮食取样机,确定了总体结构,通过设置PLC相关控制程序,实现了主小车机构、副小车机构、取样杆的自动控制。六杆的结构设计使取样效率显着提高,大振幅、高宽度的设计大大改善了取样操作性。
2)采样测试结果表明,整机运行稳定,采样频率达到每小时45次,采样杆往返时间为26秒。主车厢采样长度达到1800厘米,满足安徽省科技厅规定的要求。
3)吸粮管的研究尚未设计,未来吸粮方案的研究仍将继续。