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)機械化研究所，江蘇 南京 210014）

雙排自動送料打孔機推料機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與仿真*

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)機械化研究所，江蘇 南京 210014）

針對當前單排打孔機打孔效率不高、易出現(xiàn)事故的問題，設(shè)計了雙排自動送料打孔機，即在雙排自動送料打孔機上設(shè)計了推料機構(gòu)，并將此結(jié)構(gòu)簡化為曲柄滑塊模型，依據(jù)最小傳動角這一優(yōu)化條件，利用MATLAB對機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，確定曲柄滑塊的參數(shù)為l1=382mm，l2=548mm，e=152mm。采用ADAMS對機構(gòu)進行動力學仿真，通過對獲得的位移與速度的曲線進行分析可知其結(jié)構(gòu)合理，滿足設(shè)計要求。針對機器性能進行了實驗驗證，結(jié)果表明送料桿推料平穩(wěn)，打孔機每小時可對1 439個菌棒進行打孔，且孔距均勻，孔深基本一致，打孔效果好。

MATLAB；ADAMS；曲柄滑塊；打孔

食用菌又稱菌蕈，富含大量的營養(yǎng)成分。隨著人們對食品安全和生活品質(zhì)的重視與追求，食用菌的價值也逐步被認可[1－2]。目前我國食用菌產(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，中國食用菌產(chǎn)量占到全球總產(chǎn)量的75%以上，食用菌已經(jīng)成為我國糧食與經(jīng)濟安全的重要保障[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個環(huán)節(jié)[6]。其中在養(yǎng)菇階段需要對菌棒進行打孔處理，一方面是為了增氧，另一方面方便出菇。而當前打孔這一環(huán)節(jié)處于半機械化程度，目前市場上雖然有一些機械產(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。本設(shè)計在傳統(tǒng)單排手動打孔機的基礎(chǔ)上，設(shè)計了雙排自動送料打孔機，在雙排自動送料打孔機中設(shè)計了推料機構(gòu)，可以將菌棒自動推進打孔機構(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)。在雙排自動送料打孔機工作過程中，機器能否將菌袋平穩(wěn)有序地推進？推出打孔機構(gòu)非常重要，因此本文將重點對推料機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計與仿真。

1 送料機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理

雙排自動送料打孔機的結(jié)構(gòu)如圖1，其中送料機構(gòu)由鏈輪、連桿l1、連桿l2、直線軸承和送料桿及其配套的鏈條傳動組成。其中連桿l1與連桿l2是通過銷釘連接的，形成轉(zhuǎn)動副；連桿l1固定在鏈輪上，鏈輪由電機通過鏈條驅(qū)動。送料機構(gòu)的工作原理是電機驅(qū)動鏈輪轉(zhuǎn)動，鏈輪帶動連桿l1做圓周運動，連桿l1驅(qū)動連桿l2運動，連桿l2和送料桿相連，與送料桿固結(jié)的直線軸承固定在機架底座上，所以連桿l2驅(qū)動送料桿運動時只能做直線運動。工作時將左右料斗中裝入菌棒，送料機構(gòu)將菌棒推入打孔裝置進行打孔，打孔完成后隨著下一個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)再進行下一個菌棒的打孔。

2 推料機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

推料機構(gòu)的原理是由電機驅(qū)動鏈輪，鏈輪通過連桿結(jié)構(gòu)推動送料機構(gòu)送料，其模型可以簡化成一個偏置曲柄滑塊機構(gòu)，見圖2。

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

在圖2△AC1C2中，有

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

圖2 推料機構(gòu)簡化模型Fig.2 Pushing mechanism simplified model agency

根據(jù)急回特性的參數(shù)計算方法，θ可以由下式計算出：

以曲柄作為設(shè)計變量，令其為x，其極值可由下式確定：

根據(jù)對傳動角的優(yōu)化設(shè)計要求，因此該機構(gòu)的設(shè)計目標為：

即：

利用MATLAB編制優(yōu)化程序如下：

運行后結(jié)果見圖3。

圖3 MATLAB運行后的結(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 推料機構(gòu)的ADAMS仿真

ADAMS是美國MDI公司開發(fā)的非常著名的虛擬樣機分析軟件，運用該軟件可以非常方便地對機械系統(tǒng)進行建模、仿真運行以及靜力學、運動學和動力學分析[8]。

根據(jù)桿長l1、l2和偏距e建立推料機構(gòu)的PROE模型導入ADAMS軟件，并且建立約束，在連桿l1加上轉(zhuǎn)動驅(qū)動，依據(jù)工作要求設(shè)定轉(zhuǎn)速 w=72 rad·s－1，仿真時間設(shè)定為10 s，進行求解獲得速度和位移曲線，見圖4、圖5。

圖4 速度曲線Fig.4 Speed curve

圖5 位移曲線Fig.5 Shift curve

數(shù)據(jù)分析：從位移曲線上可以看出推料機構(gòu)的最大行程接近850 mm，與設(shè)計的參數(shù)吻合，滿足生產(chǎn)要求；從速度曲線中可知推料的進程速度平穩(wěn)而回程速度較大，這是因為送料時考慮到菌袋較長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行下輪打孔所以設(shè)計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 樣機測試

試制的樣機外形尺寸為1 970 mm×1 030 mm× 1 300 mm，見圖6。針對送料桿的機構(gòu)性能進行了實驗驗證，每個料斗中分別放入20個菌棒，兩邊同時打孔，工作時送料桿推料平穩(wěn)，菌棒孔距均勻，孔深基本一致，打孔效果好。經(jīng)過5次實驗獲得打孔效率見表1。

圖6 樣機圖

通過表1可知，打孔機每小時可以對1 439個菌棒進行打孔，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)雙排自動送料打孔機推料機構(gòu)的工作要求，利用MATLAB并依據(jù)最小傳動角的優(yōu)化條件進行了參數(shù)設(shè)計，確定了曲柄滑塊機構(gòu)的桿長及偏距等參數(shù)。完成機構(gòu)參數(shù)設(shè)計后采用ADAMS對推料機構(gòu)做了運動學仿真，獲取了位移與速度曲線，通過對位移與曲線的分析表明送料機構(gòu)符合設(shè)計要求。

樣機實驗表明送料機構(gòu)推料平穩(wěn)，打孔機每小時可對1 439個菌棒進行打孔，且孔距均勻，孔深基本一致，打孔效果好。

雙排自動送料打孔機的設(shè)計為我國食用菌生產(chǎn)又增添了一把利器，對于其安全、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養(yǎng)價值與食品安全評價[J].分析科學學報，2015,31（6）：835-838.

[2]李麗.食用菌的營養(yǎng)成分和活性研究進展[J].食品研究與開發(fā),2015（12）：139-142.

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

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

[5]焦帥.控制食用菌子實體中重金屬富集的方法研究[D].南昌：南昌大學，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.傳動角最優(yōu)的曲柄滑塊結(jié)構(gòu)多變量優(yōu)化設(shè)計[J].上海交通大學學報，2007，41（4）：561-564.

[8]韓寶菊，俞榮標.虛擬樣機技術(shù)及其動力學仿真分析[J].機械工程師，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)）科研專項作物秸稈基質(zhì)化利用（201503137）。

王教領(lǐng)（1988－），男，碩士，實習研究員，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，從事食用菌機械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備研究。E－mail:songwd＠163.com

2016－07－06