双排自动送料打孔机推料机构的优化设计与仿真*

王教领，宋卫东，王明友，吴今姬

（农业部南京农业机械化研究所，江苏 南京 210014）

双排自动送料打孔机推料机构的优化设计与仿真*

王教领，宋卫东**，王明友，吴今姬

（农业部南京农业机械化研究所，江苏 南京 210014）

针对当前单排打孔机打孔效率不高、易出现事故的问题，设计了双排自动送料打孔机，即在双排自动送料打孔机上设计了推料机构，并将此结构简化为曲柄滑块模型，依据最小传动角这一优化条件，利用MATLAB对机构进行优化设计，确定曲柄滑块的参数为l1=382mm，l2=548mm，e=152mm。采用ADAMS对机构进行动力学仿真，通过对获得的位移与速度的曲线进行分析可知其结构合理，满足设计要求。针对机器性能进行了实验验证，结果表明送料杆推料平稳，打孔机每小时可对1 439个菌棒进行打孔，且孔距均匀，孔深基本一致，打孔效果好。

MATLAB；ADAMS；曲柄滑块；打孔

食用菌又称菌蕈，富含大量的营养成分。随着人们对食品安全和生活品质的重视与追求，食用菌的价值也逐步被认可[1－2]。目前我国食用菌产量居全球首位，食用菌产量占世界食用菌产量的比例也在呈逐年升高的态势，中国食用菌产量占到全球总产量的75%以上，食用菌已经成为我国粮食与经济安全的重要保障[3－5]。食用菌按照栽培方式分为袋栽、瓶栽、椴木栽等，其中袋栽是木耳、香菇等主要品种的种植方式。以香菇为例袋栽的主要工艺是：原料准备、培养料配制、装料、灭菌、接种、养菌、菇厂设置、脱袋转色、出菇管理9个环节[6]。其中在养菇阶段需要对菌棒进行打孔处理，一方面是为了增氧，另一方面方便出菇。而当前打孔这一环节处于半机械化程度，目前市场上虽然有一些机械产品，但是在安全性以及打孔效率方面仍然有待提高和改进。本设计在传统单排手动打孔机的基础上，设计了双排自动送料打孔机，在双排自动送料打孔机中设计了推料机构，可以将菌棒自动推进打孔机构中打孔，不仅提高了打孔效率，而且避免了打孔事故，保证安全高效生产。在双排自动送料打孔机工作过程中，机器能否将菌袋平稳有序地推进？推出打孔机构非常重要，因此本文将重点对推料机构进行优化设计与仿真。

1 送料机构的整体结构和工作原理

双排自动送料打孔机的结构如图1，其中送料机构由链轮、连杆l1、连杆l2、直线轴承和送料杆及其配套的链条传动组成。其中连杆l1与连杆l2是通过销钉连接的，形成转动副；连杆l1固定在链轮上，链轮由电机通过链条驱动。送料机构的工作原理是电机驱动链轮转动，链轮带动连杆l1做圆周运动，连杆l1驱动连杆l2运动，连杆l2和送料杆相连，与送料杆固结的直线轴承固定在机架底座上，所以连杆l2驱动送料杆运动时只能做直线运动。工作时将左右料斗中装入菌棒，送料机构将菌棒推入打孔装置进行打孔，打孔完成后随着下一个菌棒由料斗推入打孔装置把打好的菌棒推出，完成一次打孔作业再进行下一个菌棒的打孔。

2 推料机构的优化设计

推料机构的原理是由电机驱动链轮，链轮通过连杆结构推动送料机构送料，其模型可以简化成一个偏置曲柄滑块机构，见图2。

如图2所示，偏置曲柄滑块机构主要尺寸包括：曲柄l1、连杆l2、偏心距e。根据菌袋的长度取行程H=580mm，其中取K=1.92，当曲柄与滑块导路垂直且曲柄上铰链B离导路较远时，有最小的传动角[7]，可表示为：

在图2△AC1C2中，有

图1 双排自动送料打孔机的结构图Fig.1 Machine structure of double row of automatic feed punching machine structure

图2 推料机构简化模型Fig.2 Pushing mechanism simplified model agency

根据急回特性的参数计算方法，θ可以由下式计算出：

以曲柄作为设计变量，令其为x，其极值可由下式确定：

根据对传动角的优化设计要求，因此该机构的设计目标为：

即：

利用MATLAB编制优化程序如下：

运行后结果见图3。

图3 MATLAB运行后的结果Fig.3 MATLAB results after running

即l1=381.686，maxf(X)=0.9740，带入（1）、（2）、（3） 计算出：γmin=13.0940，l2=548.299 mm，e=152.357 mm。圆整后取l1=382 mm；l2=548 mm；e=152 mm。

3 推料机构的ADAMS仿真

ADAMS是美国MDI公司开发的非常著名的虚拟样机分析软件，运用该软件可以非常方便地对机械系统进行建模、仿真运行以及静力学、运动学和动力学分析[8]。

根据杆长l1、l2和偏距e建立推料机构的PROE模型导入ADAMS软件，并且建立约束，在连杆l1加上转动驱动，依据工作要求设定转速 w=72 rad·s－1，仿真时间设定为10 s，进行求解获得速度和位移曲线，见图4、图5。

图4 速度曲线Fig.4 Speed curve

图5 位移曲线Fig.5 Shift curve

数据分析：从位移曲线上可以看出推料机构的最大行程接近850 mm，与设计的参数吻合，满足生产要求；从速度曲线中可知推料的进程速度平稳而回程速度较大，这是因为送料时考虑到菌袋较长与料槽之间有一定的摩擦力，为了可以将菌袋平稳地推到打孔位置所以采用的速度较小，而回程希望可以快速返回进行下轮打孔所以设计所取的急回特性参数K=1.9较大，因此具有较大的回程速度。

4 样机测试

试制的样机外形尺寸为1 970 mm×1 030 mm× 1 300 mm，见图6。针对送料杆的机构性能进行了实验验证，每个料斗中分别放入20个菌棒，两边同时打孔，工作时送料杆推料平稳，菌棒孔距均匀，孔深基本一致，打孔效果好。经过5次实验获得打孔效率见表1。

图6 样机图

通过表1可知，打孔机每小时可以对1 439个菌棒进行打孔，具有很高的打孔效率。

表1 菌棒打孔效率Tab.1 Fungus rod drilling efficiency

5 总结

本文根据双排自动送料打孔机推料机构的工作要求，利用MATLAB并依据最小传动角的优化条件进行了参数设计，确定了曲柄滑块机构的杆长及偏距等参数。完成机构参数设计后采用ADAMS对推料机构做了运动学仿真，获取了位移与速度曲线，通过对位移与曲线的分析表明送料机构符合设计要求。

样机实验表明送料机构推料平稳，打孔机每小时可对1 439个菌棒进行打孔，且孔距均匀，孔深基本一致，打孔效果好。

双排自动送料打孔机的设计为我国食用菌生产又增添了一把利器，对于其安全、高效生产具有重要意义。

[1]林路秀，李顺兴，李林燕，等.食用菌中微量元素分析及营养价值与食品安全评价[J].分析科学学报，2015,31（6）：835-838.

[2]李丽.食用菌的营养成分和活性研究进展[J].食品研究与开发,2015（12）：139-142.

[3]陈开旭，王为兰，刘军，等.食用菌活性成分抗肿瘤作用的研究进展[J].生物技术通报，2015，31（3）：35-42.

[4]刘士旺.我国食用菌产业发展与研究动态[J].中国食用菌，2009，28（1）：60-61.

[5]焦帅.控制食用菌子实体中重金属富集的方法研究[D].南昌：南昌大学，2010.

[6]孙晓钰.香菇栽培技术[J].现代农业科技，2011（2）：158.

[7]金熙哲，王玉新，郭为忠，等.传动角最优的曲柄滑块结构多变量优化设计[J].上海交通大学学报，2007，41（4）：561-564.

[8]韩宝菊，俞荣标.虚拟样机技术及其动力学仿真分析[J].机械工程师，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

国家食用菌现代农业产业技术体系（CARS－24）；公益性行业（农业）科研专项作物秸秆基质化利用（201503137）。

王教领（1988－），男，硕士，实习研究员，从事食用菌生产技术与装备研究。E－mail:kclwjl＠126.com

**通信作者：宋卫东（1965－），男，本科，研究员，从事食用菌机械化生产技术与装备研究。E－mail:songwd＠163.com

2016－07－06