三边封基质自动包装机的设计与试验.pdf

三边封基质自动包装机的设计与试验 候明星 党革荣 吴正哲 杨有刚 王俊一 邓海涛 西北农林科技大学 机械与电子工程学院 陕西 杨凌 712100 摘 要 无土栽培模式在我国的应用逐渐广泛 但基质栽培袋的机械化生产发展缓慢 造价昂贵的流水线式生 产模式并不适合我国个体用户及中小企业的生产情况 为此 针对市场上缺乏小型 实用 低成本 自动化的基 质袋生产设备的现状 设计了三边封基质自动包装机 机具在基质包装领域创新使用先装填再制袋的方法 采 用PLC为核心的控制系统 由搅拌装置 定料装置 压缩装置 热封装置 换膜装置 机架 传动系统和控制系统组 成 在此 介绍了整机的工作原理及各个装置的设计情况 并对整机的生产功能进行了试验验证 结果表明 三 边封基质自动包装机能够自动化完成基质袋的生产 生产速率为36袋 h 包装质量满足设计要求 为无土栽培 产业的机械化发展提供了技术支持 关键词 基质包装机 自动化 PLC 中图分类号 S226 7 1 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2024 02 0113 05 0 引言 我国地大物博 有着丰富的农林资源 但在耕种 收获的同时每年也会产生大量的农林废弃物 如玉米 高粱种植后产生的秸秆 牛羊等产生的粪便以及香菇 等种植后产生的菇渣等 1 我国每年平均产生约9 亿t农林废弃物 如果没有妥善的处理会造成环境的 污染 因此 如果能将农林废弃物进行再利用 不仅 可以减少环境污染 而且可以产生附加的经济价值 20世纪90年代 针对我国设施园艺较低的发展水平 以低成本和资源节约为目标 中国农业科学院蔬菜花 卉研究所成功研发出有机生态型无土栽培模式 推动 了我国以秸秆 菇渣 中药渣 畜禽粪肥 稻壳 玉米 芯 沼渣 炉灰渣等农林废弃物为主要原料的基质栽 培的研究和应用 成为我国现阶段主要的无土栽培 模式 2 4 基质栽培是无土栽培的主要形式 约占无土栽培 总面积的90 以上 被广泛应用于观光农业 普通农 业种植和育苗中 5 荷兰 美国 日本 英国等国家利 用现代化无土栽培技术常年生产无公害蔬菜 产量比 传统的土壤栽培高出10倍以上 目前 现代化无土 收稿日期 2022 03 01 基金项目 陕西省科技厅特色产业创新链 农业领域 项目 2019TS LNY01 01 作者简介 候明星 1996 男 陕西富平人 硕士研究生 E mail 827249005 qq com 通讯作者 党革荣 1968 男 陕西澄城人 副教授 硕士生导师 E mail dyhsy 163 com 栽培技术在现代化农业发展中前景十分广阔 6 所应 用的基质栽培袋可分为枕式基质栽培袋和开口筒式 基质栽培袋 其中 发达国家基本采用大型流水线工 厂化生产枕式基质栽培袋 我国大多数个体用户采用 的是购买成品进口的基质袋或者购买空袋后人工装 填基质的方法 少数生产规模较大的用户使用类似颗 粒装袋的机械 实现装料和封口工作 这类机械设备 大都需要人力完成其中一项或多项 长期工作在这种 环境下将严重影响人的身体健康 且自动化程度低 成本较高 严重制约了无土栽培产业的进一步发 展 7 8 为此 项目组将面向基质栽培个体用户及小 中型企业 研制一种成本低 工作过程自动化的枕式 基质栽培袋生产设备 研制的枕式基质栽培袋生产设备适应我国大多 数基质种类的装填 能够有效地将基质封装成袋 利 用这些农林废弃物发展基质袋培 可变废为宝 产生 巨大的经济价值 降低基质栽培成本 对推动我国基 质栽培技术的快速发展具有重要的意义 1 整机结构及工作原理 1 1 整机结构设计 三边封基质自动包装机主要由搅拌装置 定料装 置 压缩装置 热封装置 换膜装置 机架及传动系统 和控制系统组成 如图1所示 搅拌装置包括料仓与搅拌器 定料装置安装在搅 拌装置下方 通过两组滑轨组件支撑 可在导轨上移 动 热封装置下方的挡料板通过角铁与滑轨组件的滑 311 2024年2月 农 机 化 研 究 第2期 DOI 10 13427 ki njyi 2024 02 012 块连接 与定料盒机架为一体 保持同步移动 压缩装 置安装在料仓右侧 压板安装高度位于料仓下料口所 在平面上方 热封装置与其固定机架安装在压缩装置 正下方 热封模具可绕模具中轴做扣合运动 换膜装 置固定在热封装置上 依靠热封装置运动来提供动力 1 定料装置 2 搅拌装置 3 机架 4 传动系统 5 换膜装置 6 热封装置 7 压缩装置 图1 三边封基质自动包装机的机体样图 Fig 1 The airframe diagram of the three side sealing matrix automatic packaging machine 1 2 工作原理 三边封基质自动包装机包装过程主要包括定料 装置对基质进行定量 夹持装置展开薄膜 压缩装置 压缩基质到固定体积 热封模具进行热封成型以及输 出基质袋 工作时 将基质物料添加入料仓内 经搅拌装置 充分搅拌疏松后 定料装置运动到料仓下方 定料盒 合页底板封闭 形成一个上方开口的长方体 由于自 重 定料盒内填充满物料 在传动系统的作用下向热 封装置运动 使定料盒与料仓做剪切运动 将料仓的 物料与定料盒内部的物料分开 定料盒运动至热封 模具正上方时 定料盒合页底板打开 物料下落到热 封装置铺设有薄膜的模具内 预设的薄膜是通过上模 具上的弹簧夹固定的 压缩装置的压板通过定料盒内 部向下提供压力压缩物料 待压缩装置退回 定料装 置退回到不影响封装的位置 此时热封下模具下的挡 料板还未完全退回 仍在热封装置下部 防止物料提 前下落 热封模具进行热封并夹持住薄膜 热封结束 后定料装置继续回退到料仓下方初始位置 此时定料 装置下方的挡料板完全退出热封下模具下方 成型基 质袋因自重下落至倾斜的滑板上 从下方取出 在薄 膜封口的同时 热封装置的上模具边缘的弹簧夹结合 下模具边缘的顶膜齿 已重新夹住塑料薄膜 在热封 上模具翻转打开时拉动薄膜 完成薄膜的铺设 为下 一次封装作业做好准备 2 机械部位设计 2 1 定料装置 定料装置的主要功能是针对不同的产品规格从 料仓内分离出相应体积的物料 并将物料输送至热封 装置的模具内 用于装填及热封包装形成基质袋 辅 助功能是控制热封下模具下方的挡料板来输出成型 基质袋 定料装置由定料盒 支架 滑轨组件 合页组 件 挡料板及滚子轴承组成 如图2所示 1 支架 2 滑轨组件 3 合页组件 4 定料盒 5 挡料板 6 滚动轴承 图2 定料装置 Fig 2Feeding device 机架挡料板背面固定有链条 通过链轮转动提供 动力 滑轨组件与机架相连接 定料盒通过螺栓固定 在机架上 合页组件通过3个合页固定在定料盒上 合页轴上连接有长轴 长轴与合页底板固定 可控制 合页底板开合释放物料 在料仓下时 长轴被机架上 的轴承支撑为水平 合页底板闭合 精准定料 在热封 下模具正上方时 长轴下方没有支撑变为竖直状态 合页底板打开 释放物料 机架下方的底板通过角铁 与滑轨组件与机架连接为一体 与角铁连接处为左右 与上下2个自由度 底板支架上两侧各安装有两个滚 子轴承 位置在重心两侧 该装置生产不同规格的基 质袋产品可直接更换定料盒来实现不同物料体积的 定量 应用SolidWorks2019软件分别对定料盒体空载与 满载情况下进行三维实体建模 编辑材料为普通碳 钢 密度为7800kg m3 通过质量属性功能得到重心坐 标 将导轨滑块组件固定在重心两边支撑整体部件 对滑块位置进行力学平衡分析 选择适合的位置使定 411 2024年2月 农 机 化 研 究 第2期 料装置在运动中保持平衡 2 2 压缩装置 压缩装置的主要功能为压缩物料 使定料后固定 体积的物料增加密度 缩小体积并成型为块状 减少 物料的飞洒 为后续热封工序提供先前条件 其主要 由电机 升降机构 压板及机架组成 如图3所示 1 机架 2 升降机构 3 压板 4 电机 图3 压缩装置 Fig 3 Compression device 升降机构通过法兰与压板连接 电机为0 75kW 三相异步电动机 能够提供的最大压力约为5000N 通过矩形钢安装在下热封模具正上方 参数如表1所 示 压板经特殊设计 为无底的等腰梯形壳体 如图4 所示 其四周安装30mm宽 10mm厚的硅胶条用于 密封 上方有直径5mm的孔用于安装压力传感器及 排掉压缩过程中的气压 压缩后的物料裸露部分应 平整 且形状与压板一致 在热封槽上应无散落物料 表1 升降机参数 Table 1 Lift parameters 项目单位数值 型号SWLD2 5T 速比12 1 丝杆直径mm 30 配套电机0 75kW YS802 4 承载质量kg 500 行程mm 700 图4 压板 Fig 4 Platen 2 3 热封及换膜装置 热封装置的主要功能是 当压缩装置工作完成返 回后 将下模具内的物料通过薄膜受热粘结的原理包 装起来 输出成型好的基质袋落至斜板上以便收集 其主要由上模具 无底下模具 球头翻转杆件 热封 槽 热封丝 隔热橡胶和耐高温胶带组成 热封槽安 装分解如图5所示 1 热封丝 2 耐高温绝缘胶带 3 硅橡胶 4 橡胶槽 图5 热封槽安装分解 Fig 5 Installation and decomposition of heat sealing tank 耐热硬硅胶镶嵌入橡胶槽内 橡胶槽横截面长 20mm 高10mm 橡胶上面由耐高温胶带固定 直径为 0 9mm镍铬电热丝铺设在胶带上 电热丝上面铺设耐 高温胶带绝缘 防止热封时塑料薄膜黏连 换膜装置通过丝杆安装在热封装置上 主要功能 为夹持住薄膜铺设到上下模具上 在压缩物料时控制 薄膜 其主要由弹簧 弹簧支架 压膜杆件 撑膜杆件 及角块组成 如图6所示 1 插销固定板 2 角块 3 撑膜杆件 4 无底下模具 5 热封槽 6 机架 7 球头翻转杆件 8 上模具 9 压膜杆件 图6 热封及换膜装置 Fig 6 Heat sealing and film changing device 压膜杆件与撑膜杆件上的齿是由直径4mm的镀 511 2024年2月 农 机 化 研 究 第2期 锌低碳钢丝折成无底梯形焊接的 利用上底与热封模 具壁夹持薄膜 角块一边为三角形斜面 热封上模 具在翻转扣压热封时 为压膜杆件提供动力 当压膜 杆件碰到角块斜面时 弹簧被压缩 压膜杆突出 撑膜 杆从下方将薄膜送入 压膜杆继续向下运动越过角块 的斜面 在弹簧作用下迅速下压 夹持住薄膜 3 控制系统 包装机控制系统是其能否实现自动化的关键 包装机在完成一个完整工作过程中会执行多种复杂 动作 要求控制系统具有高可靠性 在整个工作循环中 控制系统要实现定料 压缩 封口及换膜等工作 主要由PLC控制器 PLC温度扩 展模块 电机 电磁离合器 继电器 电源 传感器 开 关 指示灯及保护电路组成 其基本工作原理是 通 过PLC控制两台电机的正反运转为不同工序提供动 力输入 通过温度控制模块实现对电热丝的间歇加 热 实现封口作业 PLC作为其控制核心 不同型号PLC的性能 价 格以及系统编译等方面也不相同 为了降低包装机 械设计的成本 简化生产线控制系统的复杂性 合理 选用PLC显得尤为重要 本次设计采用信捷公司生 产的XD3系列PLC下的XD3 16R E 结合包装机控 制需求 该型号PLC满足其所有控制要求 价格合理 且可靠性较高 PLC程序设计如图7所示 端口分配 如表2 表3所示 硬件接线机如图8所示 图7 PLC程序流程设计 Fig 7 PLC program flow design 表2 PLC 控制器输入端口分配表 Table 2 The input port allocation table of PLC controller 输入功能设备地址 启动常开SB1 X0 停止常闭SB2 X1 停止电机M1接近开关SQP1 X2 停止电机M1接近开关SQP2 X3 停止电机M1接近开关SQP3 X4 停止电机M2接近开关SQP4 X5 停止电机M1限位开关SQ1 X6 停止电机M1限位开关SQ2 X7 表3 PLC 控制器输出端口分配表 Table 3 The output port allocation table of PLC controller 输出功能设备地址 顺时针正转电机M1 Y0 逆时针反转电机M1 Y1 顺时针正转电机M2 Y2 逆时针反转电机M2 Y3 闭合电磁离合器YC1 Y4 闭合电磁离合器YC2 Y5 运行指示灯指示灯Y6 加热继电器KA Y7 图8 硬件接线 Fig 8 hardware wiring 4 样机试验 为了验证三边封基质自动包装机的生产功能是 否满足设计需求 进行了2h的基质包装生产试验 611 2024年2月 农 机 化 研 究 第2期 具体内容如下 1 基质 产品名为育苗基质 执行标准为NY T2118 2012 容重为0 318g cm3 生产公司为莘县鲁 源育苗基质有限公司 2 薄膜 MPE茂金属黑白膜 0 1mm厚 3 地点 西北农林科技大学农机实验室 4 平均室温 12 暖气 5 时间 2022年1月 试验结果如表4所示 表4 物料包装试验结果 Table 4 Material packaging test results 参数单位试验数据 最大功率W 1800 包装速率袋 h 36 合格率 91 67 优质率 83 33 由表4可以看出 三边封基质自动包装机包装速 率为36袋 h 平均每袋包装时间99s 产品合格率为 91 67 完全满足各项生产指标 5 结论 设计的三边封基质自动包装机结构简单合理 占 地小 可移动 根据不同规格要求 该机实现了无土 栽培基质袋的全自动生产 使无土栽培基质袋培用户 及小型企业有了更好的选择 降低了基质袋培成本 促进了无土栽培产业的进一步发展 样机试验表明 包装机性能良好 达到了设计要求 参考文献 1 索琳娜 几种农林生物质废弃物再利用生产无土栽培基 质技术及应用 D 北京 北京林业大学 2012 2 张金伟 基质分层处理促进日光温室袋培番茄生长的因 素分析 D 沈阳 沈阳农业大学 2020 3 郭世荣 固体栽培基质研究 开发现状及发展趋势 J 农 业工程学报 2005 S2 1 4 4 段颜丹 樊力强 吴志刚 等 蔬菜无土栽培现状及发展前 景 J 北方园艺 2008 8 63 65 5 张义云 杨杰宇 无土栽培技术在农业上的应用 J 广东 蚕业 2020 54 6 73 74 6 孙锦 高洪波 田婧 等 我国设施园艺发展现状与趋势 J 南京农业大学学报 2019 42 4 594 6 7 田吉林 汪寅虎 设施无土栽培基质的研究现状 存在问 题与展望 综述 J 上海农业学报 2000 4 87 92 8 祁智鹏 无土栽培技术在农业上的应用分析 J 农业科 技与信息 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 农 机 化 研 究 第2期