跨越式菠蘿采摘車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

[摘要】針對(duì)人工采摘菠蘿勞動(dòng)強(qiáng)度高、采摘效率低、易受傷的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款菠蘿采摘車。本文對(duì)跨越式菠蘿采摘車機(jī)械結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了說(shuō)明，并詳細(xì)闡述了收割機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)加速推進(jìn)菠蘿機(jī)械化采摘有較好的借鑒意義。[關(guān)鍵詞]菠蘿采摘;采運(yùn)一體化;農(nóng)機(jī)設(shè)備;機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，菠蘿產(chǎn)業(yè)受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，菠蘿表皮較硬、較厚且?guī)в写探Y(jié)瘤，通常采用產(chǎn)量較高的雙行種植法種植，一般行距在500～1000mm，株距在300 - 350mm.果實(shí)集中在5-7月成熟[1]。果實(shí)采摘時(shí)，為避免損傷，應(yīng)保留20mm左右果柄，采收全過(guò)程要輕采、輕放，不要損傷果皮。要實(shí)現(xiàn)菠蘿的機(jī)械化采摘，需要解決跨地壟、刀具位置可調(diào)、密種植收割等關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家基本上實(shí)現(xiàn)了菠蘿采摘機(jī)械化，其菠蘿采摘機(jī)械可以實(shí)現(xiàn)大面積采摘，但由于其售價(jià)高昂，大面積引入不符合中國(guó)實(shí)際國(guó)情[2]。中國(guó)農(nóng)科院、研究所、企業(yè)、農(nóng)戶都曾嘗試改進(jìn)菠蘿采摘機(jī)械，并研發(fā)了十幾款菠蘿采摘機(jī)械產(chǎn)品，由于關(guān)鍵技術(shù)和地域適應(yīng)性的限制，目前還沒(méi)有菠蘿采摘機(jī)械產(chǎn)品得到廣大果農(nóng)的認(rèn)可。將車架、收割機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、收集箱和控制機(jī)構(gòu)集于一體的全新采摘車，將傳統(tǒng)的菠蘿切割、收集、運(yùn)輸合三為一，簡(jiǎn)單方便，一人就可實(shí)現(xiàn)操作。

1 跨越式菠蘿采摘車的總體設(shè)計(jì)方案

結(jié)合實(shí)際的農(nóng)業(yè)采摘需求，設(shè)計(jì)的菠蘿采摘車主要結(jié)構(gòu)包括車架、收割機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、收集箱和控制機(jī)構(gòu)等，具體見(jiàn)圖1。收割機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和切割機(jī)構(gòu)組成，其中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、伸縮桿、卷?yè)P(yáng)、滑塊、絲杠和光杠組成，切割機(jī)構(gòu)由導(dǎo)入擋片、鋸盤、同步帶、V字帶、底座和高速電動(dòng)機(jī)組成;輸送機(jī)構(gòu)由輸送帶和柵格板組成;車架由方管拴接成長(zhǎng)方體形狀，底部安裝4個(gè)橡膠車輪，其中后輪為變向輪。收割機(jī)構(gòu)中的伸縮桿下端用螺栓同定在底座上，上端固定在滑塊上，滑塊與絲杠和光杠連接，絲杠一端通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)相連，光杠兩端和絲杠另一端用螺栓固定在車架上。電動(dòng)機(jī)與卷?yè)P(yáng)通過(guò)聯(lián)軸器連接，用螺栓固定在滑塊上。輸送帶支架用螺栓固定在車架上，4塊柵格板用螺釘固定在橡膠帶上，1塊柵格板用螺栓固定在底座上。收集箱用螺栓固定在車架上。

2 跨越式菠蘿采摘車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 收割機(jī)構(gòu)

為確保菠蘿采摘車可以準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)植株莖部，避免損傷果實(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)收割機(jī)構(gòu)展開(kāi)了重點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。收割機(jī)構(gòu)由切割機(jī)構(gòu)和位置控制機(jī)構(gòu)組成見(jiàn)圖2，使用絲杠和卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)切割鋸盤XY兩自由度的移動(dòng)[3]。收割機(jī)構(gòu)的縱向移動(dòng)通過(guò)伸縮桿的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)，伸縮桿的伸縮通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。收割機(jī)構(gòu)的橫向移動(dòng)通過(guò)一組光杠和絲杠組成見(jiàn)圖3，收割機(jī)構(gòu)的前后移動(dòng)，用小車的前后移動(dòng)代替[4]。

收割機(jī)構(gòu)中最為關(guān)鍵的是切割機(jī)構(gòu)，具體見(jiàn)圖4。切割機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)入擋片、鋸盤組成，固定在底座上，鋸盤[l]一個(gè)高速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，高速電動(dòng)機(jī)與鋸盤之間靠同步帶傳動(dòng)，高速電動(dòng)機(jī)位于整個(gè)切割機(jī)構(gòu)的最底端，且前面有一個(gè)擋板，避免存在安全隱患。調(diào)整收割機(jī)構(gòu)的位置后便可進(jìn)行菠蘿的采摘，首先由菠蘿莖進(jìn)入導(dǎo)入擋片，隨著小車的前進(jìn)，菠蘿莖接觸鋸盤，控制切割位置在菠蘿與莖的接觸位置以下30mm左右，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)，菠蘿便會(huì)被鋸盤切下。

2.2 傳送機(jī)構(gòu)

為確保被切割的菠蘿能及時(shí)運(yùn)走，避免影響切割下一個(gè)菠蘿，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了傳送機(jī)構(gòu)，具體見(jiàn)圖5。為了進(jìn)一步提升該農(nóng)機(jī)設(shè)備的空間緊密性，降低農(nóng)機(jī)設(shè)備的重量，傳送機(jī)構(gòu)采用了V字帶以及帶柵格板的輸送帶[5]。菠蘿被鋸盤切割后由V字帶輸送到一個(gè)柵格板上，再由輸送機(jī)構(gòu)上的柵格板把菠蘿輸送到收集箱里。

2.3車架

在田地應(yīng)用時(shí)，地形復(fù)雜且菠蘿植株形態(tài)各異，為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的使用環(huán)境，設(shè)計(jì)了靈活可變、方便省力的車架。菠蘿采摘車的車架為一個(gè)長(zhǎng)方體，前后各有兩條車腿，腿下有輪，以保證采摘車可以跨在菠蘿壟上進(jìn)行采摘。菠蘿采摘車的車腿由兩根直徑不等的鋼管構(gòu)成，內(nèi)部較細(xì)鋼管上均布隔距l(xiāng)OOmm、直徑60mm的小孔，外部較粗鋼管上有一個(gè)直徑為8mm的小孔，通過(guò)螺栓固定相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)車腿高度的調(diào)節(jié)，使菠蘿采摘車適應(yīng)不同高度植株的采摘，可調(diào)范圍為1000～1600mm[6]。

3 跨越式菠蘿采摘車的參數(shù)選定

3.1 車架的參數(shù)

根據(jù)菠蘿地的行距尺寸：大行為1000～1 200mm，小行300 - 500mm，株距300～350mm，株高600～11OOmm，設(shè)計(jì)菠蘿采摘車的尺寸為寬1 000mm、長(zhǎng)1200mm。

車腿是伸縮桿結(jié)構(gòu)，內(nèi)桿選25×25mm的方管，外桿選30×30mm方管，兩方管用M6的螺拴進(jìn)行連接。高度可調(diào)區(qū)間為1000～1600mm。

當(dāng)收集裝置收集滿時(shí)，整個(gè)菠蘿采摘車約重40kg，假設(shè)其重50kg，螺栓共有4組，對(duì)螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核，選用M6螺栓符合工作條件[7]。

3.2收割機(jī)構(gòu)的參數(shù)

在收割機(jī)構(gòu)巾，根據(jù)菠蘿的尺寸選V字帶的長(zhǎng)度為400mm，寬度為150mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算和驗(yàn)證，符合使用條件。鋸盤直徑選80mm，因?yàn)榇蟛糠植ぬ}莖的直徑不超過(guò)40mm。

光杠絲杠的可調(diào)范圍為相對(duì)于中間位置左右各可調(diào)250mm，這取決“于輸送裝置的大小，輸送裝置寬500mm，為了與輸送裝置配合，規(guī)定了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)橫向傳動(dòng)的范圍。

根據(jù)菠蘿采摘車的高度，保證在株高范圍600～1lOOmm任意高度可調(diào)，縱向可調(diào)范圍為300～500mm。

對(duì)縱向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中長(zhǎng)200mm、直徑8mm的軸進(jìn)行校核。已知電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=8lr/min，功率P=12.72W，軸傳遞的轉(zhuǎn)矩T=1 500N.mm，軸的材料為45調(diào)質(zhì)，許用彎曲應(yīng)力[σ] =60MPa，計(jì)算軸的最小直徑，取A0=112，則：6.048。因?yàn)?mm>6.048mm，所以直徑8mm軸符合強(qiáng)度要求[8]。

3.3傳送裝置的參數(shù)

為r保證輸送裝置能將菠蘿順利輸送到收集箱中，其需要合適的長(zhǎng)度與寬度，菠蘿的直徑為100- 160mm，兇為菠蘿會(huì)倒在輸送機(jī)構(gòu)的柵格板上，要保證柵格板長(zhǎng)度大于菠蘿半徑，設(shè)計(jì)尺寸為120mm，大于80mm，符合運(yùn)輸要求[9-10]。

為了配合收割機(jī)構(gòu)，輸送機(jī)構(gòu)寬-5OOmm、長(zhǎng)700mm。菠蘿植株在切掉菠蘿后的高度為400 -850mm，而輸送機(jī)構(gòu)距地面高度由車架高度決定，區(qū)間為350 - 850mm，與菠蘿莖高度區(qū)間相近且略大于。

4 結(jié)論

跨越式菠蘿采摘車的設(shè)計(jì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)巾采摘環(huán)節(jié)效率的提升有著重要的意義。本文設(shè)計(jì)的跨越式菠蘿采摘車，主要包含車架、收割機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、收集箱和控制機(jī)構(gòu)等。其將傳統(tǒng)的菠蘿切割、收集、運(yùn)輸合三為一，簡(jiǎn)單方便?？缭绞讲ぬ}采摘車參加2017年遼寧省機(jī)械設(shè)汁創(chuàng)新大賽，榮獲遼寧省一等獎(jiǎng)，效果良好，希望能為新農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供一份借鑒。

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