三邊封基質(zhì)自動包裝機的設計與試驗.pdf

三邊封基質(zhì)自動包裝機的設計與試驗 候明星 黨革榮 吳正哲 楊有剛 王俊一 鄧海濤 西北農(nóng)林科技大學 機械與電子工程學院 陜西 楊凌 712100 摘 要 無土栽培模式在我國的應用逐漸廣泛 但基質(zhì)栽培袋的機械化生產(chǎn)發(fā)展緩慢 造價昂貴的流水線式生 產(chǎn)模式并不適合我國個體用戶及中小企業(yè)的生產(chǎn)情況 為此 針對市場上缺乏小型 實用 低成本 自動化的基 質(zhì)袋生產(chǎn)設備的現(xiàn)狀 設計了三邊封基質(zhì)自動包裝機 機具在基質(zhì)包裝領域創(chuàng)新使用先裝填再制袋的方法 采 用PLC為核心的控制系統(tǒng) 由攪拌裝置 定料裝置 壓縮裝置 熱封裝置 換膜裝置 機架 傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組 成 在此 介紹了整機的工作原理及各個裝置的設計情況 并對整機的生產(chǎn)功能進行了試驗驗證 結果表明 三 邊封基質(zhì)自動包裝機能夠自動化完成基質(zhì)袋的生產(chǎn) 生產(chǎn)速率為36袋 h 包裝質(zhì)量滿足設計要求 為無土栽培 產(chǎn)業(yè)的機械化發(fā)展提供了技術支持 關鍵詞 基質(zhì)包裝機 自動化 PLC 中圖分類號 S226 7 1 文獻標識碼 A 文章編號 1003 188X 2024 02 0113 05 0 引言 我國地大物博 有著豐富的農(nóng)林資源 但在耕種 收獲的同時每年也會產(chǎn)生大量的農(nóng)林廢棄物 如玉米 高粱種植后產(chǎn)生的秸稈 牛羊等產(chǎn)生的糞便以及香菇 等種植后產(chǎn)生的菇渣等 1 我國每年平均產(chǎn)生約9 億t農(nóng)林廢棄物 如果沒有妥善的處理會造成環(huán)境的 污染 因此 如果能將農(nóng)林廢棄物進行再利用 不僅 可以減少環(huán)境污染 而且可以產(chǎn)生附加的經(jīng)濟價值 20世紀90年代 針對我國設施園藝較低的發(fā)展水平 以低成本和資源節(jié)約為目標 中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花 卉研究所成功研發(fā)出有機生態(tài)型無土栽培模式 推動 了我國以秸稈 菇渣 中藥渣 畜禽糞肥 稻殼 玉米 芯 沼渣 爐灰渣等農(nóng)林廢棄物為主要原料的基質(zhì)栽 培的研究和應用 成為我國現(xiàn)階段主要的無土栽培 模式 2 4 基質(zhì)栽培是無土栽培的主要形式 約占無土栽培 總面積的90 以上 被廣泛應用于觀光農(nóng)業(yè) 普通農(nóng) 業(yè)種植和育苗中 5 荷蘭 美國 日本 英國等國家利 用現(xiàn)代化無土栽培技術常年生產(chǎn)無公害蔬菜 產(chǎn)量比 傳統(tǒng)的土壤栽培高出10倍以上 目前 現(xiàn)代化無土 收稿日期 2022 03 01 基金項目 陜西省科技廳特色產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈 農(nóng)業(yè)領域 項目 2019TS LNY01 01 作者簡介 候明星 1996 男 陜西富平人 碩士研究生 E mail 827249005 qq com 通訊作者 黨革榮 1968 男 陜西澄城人 副教授 碩士生導師 E mail dyhsy 163 com 栽培技術在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展中前景十分廣闊 6 所應 用的基質(zhì)栽培袋可分為枕式基質(zhì)栽培袋和開口筒式 基質(zhì)栽培袋 其中 發(fā)達國家基本采用大型流水線工 廠化生產(chǎn)枕式基質(zhì)栽培袋 我國大多數(shù)個體用戶采用 的是購買成品進口的基質(zhì)袋或者購買空袋后人工裝 填基質(zhì)的方法 少數(shù)生產(chǎn)規(guī)模較大的用戶使用類似顆 粒裝袋的機械 實現(xiàn)裝料和封口工作 這類機械設備 大都需要人力完成其中一項或多項 長期工作在這種 環(huán)境下將嚴重影響人的身體健康 且自動化程度低 成本較高 嚴重制約了無土栽培產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā) 展 7 8 為此 項目組將面向基質(zhì)栽培個體用戶及小 中型企業(yè) 研制一種成本低 工作過程自動化的枕式 基質(zhì)栽培袋生產(chǎn)設備 研制的枕式基質(zhì)栽培袋生產(chǎn)設備適應我國大多 數(shù)基質(zhì)種類的裝填 能夠有效地將基質(zhì)封裝成袋 利 用這些農(nóng)林廢棄物發(fā)展基質(zhì)袋培 可變廢為寶 產(chǎn)生 巨大的經(jīng)濟價值 降低基質(zhì)栽培成本 對推動我國基 質(zhì)栽培技術的快速發(fā)展具有重要的意義 1 整機結構及工作原理 1 1 整機結構設計 三邊封基質(zhì)自動包裝機主要由攪拌裝置 定料裝 置 壓縮裝置 熱封裝置 換膜裝置 機架及傳動系統(tǒng) 和控制系統(tǒng)組成 如圖1所示 攪拌裝置包括料倉與攪拌器 定料裝置安裝在攪 拌裝置下方 通過兩組滑軌組件支撐 可在導軌上移 動 熱封裝置下方的擋料板通過角鐵與滑軌組件的滑 311 2024年2月 農(nóng) 機 化 研 究 第2期 DOI 10 13427 ki njyi 2024 02 012 塊連接 與定料盒機架為一體 保持同步移動 壓縮裝 置安裝在料倉右側 壓板安裝高度位于料倉下料口所 在平面上方 熱封裝置與其固定機架安裝在壓縮裝置 正下方 熱封模具可繞模具中軸做扣合運動 換膜裝 置固定在熱封裝置上 依靠熱封裝置運動來提供動力 1 定料裝置 2 攪拌裝置 3 機架 4 傳動系統(tǒng) 5 換膜裝置 6 熱封裝置 7 壓縮裝置 圖1 三邊封基質(zhì)自動包裝機的機體樣圖 Fig 1 The airframe diagram of the three side sealing matrix automatic packaging machine 1 2 工作原理 三邊封基質(zhì)自動包裝機包裝過程主要包括定料 裝置對基質(zhì)進行定量 夾持裝置展開薄膜 壓縮裝置 壓縮基質(zhì)到固定體積 熱封模具進行熱封成型以及輸 出基質(zhì)袋 工作時 將基質(zhì)物料添加入料倉內(nèi) 經(jīng)攪拌裝置 充分攪拌疏松后 定料裝置運動到料倉下方 定料盒 合頁底板封閉 形成一個上方開口的長方體 由于自 重 定料盒內(nèi)填充滿物料 在傳動系統(tǒng)的作用下向熱 封裝置運動 使定料盒與料倉做剪切運動 將料倉的 物料與定料盒內(nèi)部的物料分開 定料盒運動至熱封 模具正上方時 定料盒合頁底板打開 物料下落到熱 封裝置鋪設有薄膜的模具內(nèi) 預設的薄膜是通過上模 具上的彈簧夾固定的 壓縮裝置的壓板通過定料盒內(nèi) 部向下提供壓力壓縮物料 待壓縮裝置退回 定料裝 置退回到不影響封裝的位置 此時熱封下模具下的擋 料板還未完全退回 仍在熱封裝置下部 防止物料提 前下落 熱封模具進行熱封并夾持住薄膜 熱封結束 后定料裝置繼續(xù)回退到料倉下方初始位置 此時定料 裝置下方的擋料板完全退出熱封下模具下方 成型基 質(zhì)袋因自重下落至傾斜的滑板上 從下方取出 在薄 膜封口的同時 熱封裝置的上模具邊緣的彈簧夾結合 下模具邊緣的頂膜齒 已重新夾住塑料薄膜 在熱封 上模具翻轉打開時拉動薄膜 完成薄膜的鋪設 為下 一次封裝作業(yè)做好準備 2 機械部位設計 2 1 定料裝置 定料裝置的主要功能是針對不同的產(chǎn)品規(guī)格從 料倉內(nèi)分離出相應體積的物料 并將物料輸送至熱封 裝置的模具內(nèi) 用于裝填及熱封包裝形成基質(zhì)袋 輔 助功能是控制熱封下模具下方的擋料板來輸出成型 基質(zhì)袋 定料裝置由定料盒 支架 滑軌組件 合頁組 件 擋料板及滾子軸承組成 如圖2所示 1 支架 2 滑軌組件 3 合頁組件 4 定料盒 5 擋料板 6 滾動軸承 圖2 定料裝置 Fig 2Feeding device 機架擋料板背面固定有鏈條 通過鏈輪轉動提供 動力 滑軌組件與機架相連接 定料盒通過螺栓固定 在機架上 合頁組件通過3個合頁固定在定料盒上 合頁軸上連接有長軸 長軸與合頁底板固定 可控制 合頁底板開合釋放物料 在料倉下時 長軸被機架上 的軸承支撐為水平 合頁底板閉合 精準定料 在熱封 下模具正上方時 長軸下方?jīng)]有支撐變?yōu)樨Q直狀態(tài) 合頁底板打開 釋放物料 機架下方的底板通過角鐵 與滑軌組件與機架連接為一體 與角鐵連接處為左右 與上下2個自由度 底板支架上兩側各安裝有兩個滾 子軸承 位置在重心兩側 該裝置生產(chǎn)不同規(guī)格的基 質(zhì)袋產(chǎn)品可直接更換定料盒來實現(xiàn)不同物料體積的 定量 應用SolidWorks2019軟件分別對定料盒體空載與 滿載情況下進行三維實體建模 編輯材料為普通碳 鋼 密度為7800kg m3 通過質(zhì)量屬性功能得到重心坐 標 將導軌滑塊組件固定在重心兩邊支撐整體部件 對滑塊位置進行力學平衡分析 選擇適合的位置使定 411 2024年2月 農(nóng) 機 化 研 究 第2期 料裝置在運動中保持平衡 2 2 壓縮裝置 壓縮裝置的主要功能為壓縮物料 使定料后固定 體積的物料增加密度 縮小體積并成型為塊狀 減少 物料的飛灑 為后續(xù)熱封工序提供先前條件 其主要 由電機 升降機構 壓板及機架組成 如圖3所示 1 機架 2 升降機構 3 壓板 4 電機 圖3 壓縮裝置 Fig 3 Compression device 升降機構通過法蘭與壓板連接 電機為0 75kW 三相異步電動機 能夠提供的最大壓力約為5000N 通過矩形鋼安裝在下熱封模具正上方 參數(shù)如表1所 示 壓板經(jīng)特殊設計 為無底的等腰梯形殼體 如圖4 所示 其四周安裝30mm寬 10mm厚的硅膠條用于 密封 上方有直徑5mm的孔用于安裝壓力傳感器及 排掉壓縮過程中的氣壓 壓縮后的物料裸露部分應 平整 且形狀與壓板一致 在熱封槽上應無散落物料 表1 升降機參數(shù) Table 1 Lift parameters 項目單位數(shù)值 型號SWLD2 5T 速比12 1 絲桿直徑mm 30 配套電機0 75kW YS802 4 承載質(zhì)量kg 500 行程mm 700 圖4 壓板 Fig 4 Platen 2 3 熱封及換膜裝置 熱封裝置的主要功能是 當壓縮裝置工作完成返 回后 將下模具內(nèi)的物料通過薄膜受熱粘結的原理包 裝起來 輸出成型好的基質(zhì)袋落至斜板上以便收集 其主要由上模具 無底下模具 球頭翻轉桿件 熱封 槽 熱封絲 隔熱橡膠和耐高溫膠帶組成 熱封槽安 裝分解如圖5所示 1 熱封絲 2 耐高溫絕緣膠帶 3 硅橡膠 4 橡膠槽 圖5 熱封槽安裝分解 Fig 5 Installation and decomposition of heat sealing tank 耐熱硬硅膠鑲嵌入橡膠槽內(nèi) 橡膠槽橫截面長 20mm 高10mm 橡膠上面由耐高溫膠帶固定 直徑為 0 9mm鎳鉻電熱絲鋪設在膠帶上 電熱絲上面鋪設耐 高溫膠帶絕緣 防止熱封時塑料薄膜黏連 換膜裝置通過絲桿安裝在熱封裝置上 主要功能 為夾持住薄膜鋪設到上下模具上 在壓縮物料時控制 薄膜 其主要由彈簧 彈簧支架 壓膜桿件 撐膜桿件 及角塊組成 如圖6所示 1 插銷固定板 2 角塊 3 撐膜桿件 4 無底下模具 5 熱封槽 6 機架 7 球頭翻轉桿件 8 上模具 9 壓膜桿件 圖6 熱封及換膜裝置 Fig 6 Heat sealing and film changing device 壓膜桿件與撐膜桿件上的齒是由直徑4mm的鍍 511 2024年2月 農(nóng) 機 化 研 究 第2期 鋅低碳鋼絲折成無底梯形焊接的 利用上底與熱封模 具壁夾持薄膜 角塊一邊為三角形斜面 熱封上模 具在翻轉扣壓熱封時 為壓膜桿件提供動力 當壓膜 桿件碰到角塊斜面時 彈簧被壓縮 壓膜桿突出 撐膜 桿從下方將薄膜送入 壓膜桿繼續(xù)向下運動越過角塊 的斜面 在彈簧作用下迅速下壓 夾持住薄膜 3 控制系統(tǒng) 包裝機控制系統(tǒng)是其能否實現(xiàn)自動化的關鍵 包裝機在完成一個完整工作過程中會執(zhí)行多種復雜 動作 要求控制系統(tǒng)具有高可靠性 在整個工作循環(huán)中 控制系統(tǒng)要實現(xiàn)定料 壓縮 封口及換膜等工作 主要由PLC控制器 PLC溫度擴 展模塊 電機 電磁離合器 繼電器 電源 傳感器 開 關 指示燈及保護電路組成 其基本工作原理是 通 過PLC控制兩臺電機的正反運轉為不同工序提供動 力輸入 通過溫度控制模塊實現(xiàn)對電熱絲的間歇加 熱 實現(xiàn)封口作業(yè) PLC作為其控制核心 不同型號PLC的性能 價 格以及系統(tǒng)編譯等方面也不相同 為了降低包裝機 械設計的成本 簡化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的復雜性 合理 選用PLC顯得尤為重要 本次設計采用信捷公司生 產(chǎn)的XD3系列PLC下的XD3 16R E 結合包裝機控 制需求 該型號PLC滿足其所有控制要求 價格合理 且可靠性較高 PLC程序設計如圖7所示 端口分配 如表2 表3所示 硬件接線機如圖8所示 圖7 PLC程序流程設計 Fig 7 PLC program flow design 表2 PLC 控制器輸入端口分配表 Table 2 The input port allocation table of PLC controller 輸入功能設備地址 啟動常開SB1 X0 停止常閉SB2 X1 停止電機M1接近開關SQP1 X2 停止電機M1接近開關SQP2 X3 停止電機M1接近開關SQP3 X4 停止電機M2接近開關SQP4 X5 停止電機M1限位開關SQ1 X6 停止電機M1限位開關SQ2 X7 表3 PLC 控制器輸出端口分配表 Table 3 The output port allocation table of PLC controller 輸出功能設備地址 順時針正轉電機M1 Y0 逆時針反轉電機M1 Y1 順時針正轉電機M2 Y2 逆時針反轉電機M2 Y3 閉合電磁離合器YC1 Y4 閉合電磁離合器YC2 Y5 運行指示燈指示燈Y6 加熱繼電器KA Y7 圖8 硬件接線 Fig 8 hardware wiring 4 樣機試驗 為了驗證三邊封基質(zhì)自動包裝機的生產(chǎn)功能是 否滿足設計需求 進行了2h的基質(zhì)包裝生產(chǎn)試驗 611 2024年2月 農(nóng) 機 化 研 究 第2期 具體內(nèi)容如下 1 基質(zhì) 產(chǎn)品名為育苗基質(zhì) 執(zhí)行標準為NY T2118 2012 容重為0 318g cm3 生產(chǎn)公司為莘縣魯 源育苗基質(zhì)有限公司 2 薄膜 MPE茂金屬黑白膜 0 1mm厚 3 地點 西北農(nóng)林科技大學農(nóng)機實驗室 4 平均室溫 12 暖氣 5 時間 2022年1月 試驗結果如表4所示 表4 物料包裝試驗結果 Table 4 Material packaging test results 參數(shù)單位試驗數(shù)據(jù) 最大功率W 1800 包裝速率袋 h 36 合格率 91 67 優(yōu)質(zhì)率 83 33 由表4可以看出 三邊封基質(zhì)自動包裝機包裝速 率為36袋 h 平均每袋包裝時間99s 產(chǎn)品合格率為 91 67 完全滿足各項生產(chǎn)指標 5 結論 設計的三邊封基質(zhì)自動包裝機結構簡單合理 占 地小 可移動 根據(jù)不同規(guī)格要求 該機實現(xiàn)了無土 栽培基質(zhì)袋的全自動生產(chǎn) 使無土栽培基質(zhì)袋培用戶 及小型企業(yè)有了更好的選擇 降低了基質(zhì)袋培成本 促進了無土栽培產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展 樣機試驗表明 包裝機性能良好 達到了設計要求 參考文獻 1 索琳娜 幾種農(nóng)林生物質(zhì)廢棄物再利用生產(chǎn)無土栽培基 質(zhì)技術及應用 D 北京 北京林業(yè)大學 2012 2 張金偉 基質(zhì)分層處理促進日光溫室袋培番茄生長的因 素分析 D 沈陽 沈陽農(nóng)業(yè)大學 2020 3 郭世榮 固體栽培基質(zhì)研究 開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 J 農(nóng) 業(yè)工程學報 2005 S2 1 4 4 段顏丹 樊力強 吳志剛 等 蔬菜無土栽培現(xiàn)狀及發(fā)展前 景 J 北方園藝 2008 8 63 65 5 張義云 楊杰宇 無土栽培技術在農(nóng)業(yè)上的應用 J 廣東 蠶業(yè) 2020 54 6 73 74 6 孫錦 高洪波 田婧 等 我國設施園藝發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 J 南京農(nóng)業(yè)大學學報 2019 42 4 594 6 7 田吉林 汪寅虎 設施無土栽培基質(zhì)的研究現(xiàn)狀 存在問 題與展望 綜述 J 上海農(nóng)業(yè)學報 2000 4 87 92 8 祁智鵬 無土栽培技術在農(nóng)業(yè)上的應用分析 J 農(nóng)業(yè)科 技與信息 2020 11 36 37 Design and Test of Trilateral Sealing Substrate Automatic Packaging Machine Hou Mingxing Dang Gerong Wu Zhengzhe Yang Yougang Wang Junyi Deng Haitao College of Mechanical and Electric Engineering Northwest Agricultural and Forestry University Yangling 712100 China Abstract A large number of agricultural and forestry wastes are produced every year in China As the soilless cultivation mode of these agricultural and forestry wastes is gradually mature in China the mechanized production of matrix cultiva tion bags is developing slowly and the expensive pipeline production mode is not suitable for the production of individual users and small and medium sized enterprises in China In view of the lack of small practical low cost and automatic production equipment for matrix bags in the market a trilateral sealing matrix automatic packaging machine is designed In the field of matrix packaging the method of first filling and then making bags is innovatively used and the control system with PLC as the core is adopted It is mainly composed of stirring device charging device compression device heat sealing device membrane changing device frame transmission system and control system This paper mainly intro duces the working principle of the whole machine and the design of each device and the production function of the whole machine is verified by experiments The experimental results show that the trilateration matrix automatic packaging ma chine can automatically complete the production of matrix bags and the production rate is 36 bags h The packaging quality meets the design requirements which provides technical support for the mechanization development of soilless cul ture industry Key words soil matrix packaging machine automation PLC 711 2024年2月 農(nóng) 機 化 研 究 第2期