基于互補(bǔ)采摘方法的菠蘿柔性收割一體化裝置設(shè)計(jì)

王新海，馬 瑾，張永軍

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710300)

0 引言

菠蘿味道清香，營(yíng)養(yǎng)豐富，富含大量的蛋白質(zhì)、糖類(lèi)、粗纖維、鈣、磷、鐵、胡蘿卜素、煙酸，以及維生素B1、B2、C等營(yíng)養(yǎng)元素。菠蘿果汁中的菠蘿蛋白酶可在胃里分解蛋白質(zhì)，幫助人體對(duì)蛋白質(zhì)食物的消化和吸收，其深受人們的喜愛(ài)，需求量也在逐年增加[1-3]。然而，在菠蘿采摘時(shí)，菠蘿的植株及果實(shí)的柄部均有銳刺，葉片呈劍狀，并且葉片邊緣會(huì)長(zhǎng)出長(zhǎng)而硬的尖刺，采用人工采摘方式時(shí)會(huì)對(duì)采摘人員造成傷害[4-6]。人工采摘菠蘿的方式是果農(nóng)身穿帶有防護(hù)措施的衣服，手工采摘，然后將菠蘿用肩膀挑至固定的地點(diǎn)進(jìn)行裝車(chē)，這樣的采摘方式過(guò)于繁重、效率低、成本高且易受傷[7]。

為降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，菠蘿機(jī)械化采摘技術(shù)及設(shè)備的開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行。目前，國(guó)內(nèi)已有很多科研院所進(jìn)行了菠蘿采摘機(jī)械化設(shè)備的研究，但存在菠蘿收割效率較低或收割質(zhì)量不理想等問(wèn)題而沒(méi)有大范圍的應(yīng)用于農(nóng)戶采摘過(guò)程中[8-10]。為解決現(xiàn)有問(wèn)題，本文提出一種互補(bǔ)采摘思路，通過(guò)柔性傳送方式實(shí)現(xiàn)菠蘿采摘、收集一體化，可避免傳統(tǒng)人工采摘過(guò)程中人與菠蘿直接接觸的問(wèn)題，利用撥斷和切斷方式提高菠蘿采摘的成功率，設(shè)計(jì)的多組鋸片切斷裝置可提高采摘效率，柔性傳送方式可降低果品的壞果率，提高菠蘿采摘質(zhì)量。

1 互補(bǔ)采摘方法

菠蘿以成列的方式進(jìn)行種植，采摘時(shí)，雙手緊握生長(zhǎng)在蓮座狀葉叢中心的菠蘿頂部葉冠，向一邊用力折斷后使菠蘿與莖部脫落，如果菠蘿與頸部的連接強(qiáng)度較大，則需要利用刀片將菠蘿與莖部通過(guò)切斷的方式分離。菠蘿收割一體化裝置采用互補(bǔ)采摘的方法，即菠蘿與莖部脫離是通過(guò)折斷和切斷共同作用的方式實(shí)現(xiàn)，對(duì)于與頸部連接強(qiáng)度低的菠蘿，主要發(fā)揮折斷機(jī)構(gòu)的作用實(shí)現(xiàn)菠蘿的采摘，對(duì)于連接強(qiáng)度大的則主要發(fā)揮切斷機(jī)構(gòu)的作用實(shí)現(xiàn)菠蘿的采摘，2種采摘方式互相作用，確保每個(gè)菠蘿脫離果莖，從而有效提高菠蘿的采摘成功率。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于互補(bǔ)采摘方法的設(shè)計(jì)思路，菠蘿采摘裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置主要由采摘部分、柔性傳送部分、傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和機(jī)架部分等組成。采摘部分由撥叉、撥叉軸、小鋸片組和大鋸片組等構(gòu)成。柔性傳送部分由V型扶正頭、滾筒支撐座、柔性滾筒、傳送帶和隔板輸送帶等組成。傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、調(diào)速控制器、同步帶輪、同步膠帶、傘齒輪、傳動(dòng)軸、小鋸片主軸、大鋸片主軸和隔板輸送帶主軸等組成。機(jī)架部分由左支撐板、右支撐板、手把、電機(jī)支撐板、車(chē)輪和菠蘿收集袋組成。

3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，利用Pro-e軟件對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行參數(shù)化建模，并進(jìn)行虛擬裝配和模擬仿真，菠蘿采摘裝置模型如圖2所示。依據(jù)分析仿真模擬結(jié)構(gòu)，最終確定各個(gè)部件的合理性與正確性，對(duì)電機(jī)、齒輪、刀片和傳送帶等標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行選型與采購(gòu)，并對(duì)機(jī)架、主軸和傳動(dòng)軸等非標(biāo)件進(jìn)行加工，試制了菠蘿采摘的樣機(jī)。自主設(shè)計(jì)并研制的菠蘿采摘試驗(yàn)樣機(jī)如圖3所示。

3.1采摘部分

基于互補(bǔ)采摘技術(shù)，避免出現(xiàn)菠蘿未被采摘現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)菠蘿采摘裝置的采摘部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重點(diǎn)分析與設(shè)計(jì)。采摘部分的核心由拔叉和2組鋸片刀頭組成，如圖4所示，拔叉通過(guò)折斷方式使菠蘿從果莖上脫落，2組鋸片刀頭利用切割方式使菠蘿從果莖上脫落。撥叉固定在撥叉軸上，撥叉軸由菱形軸承座支撐在左右2個(gè)支撐板上，撥叉軸上設(shè)置由同步膠帶輪，當(dāng)動(dòng)力通過(guò)同步帶傳遞到同步膠帶輪上時(shí)，撥叉隨撥叉軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。切割機(jī)構(gòu)由2組鋸片構(gòu)成，分別是1組小刀頭和1組大刀頭，小刀頭為2個(gè)小鋸片，大刀頭為2個(gè)大刀片，2個(gè)小鋸片、2個(gè)大鋸片的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)組成矩形，如圖5所示。小刀頭一方面可以減少大刀頭的吃刀量，防止大刀頭一次吃刀量較大卡住或者磨損過(guò)快的現(xiàn)象；另一方面，撥叉在撥斷菠蘿的過(guò)程中，小刀頭在起切削作用的同時(shí)夾住菠蘿莖部，撥叉旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)菠蘿頂部的葉冠倒向采摘裝置時(shí)起支撐作用，從而使菠蘿脫離。在實(shí)際工作過(guò)程中，菠蘿是在撥叉和2組鋸片刀頭的組合共同作用下脫離果莖的，從而實(shí)現(xiàn)了互補(bǔ)采摘技術(shù)。

3.2柔性傳送部分

種植在田地的菠蘿生長(zhǎng)形態(tài)各異，不能理論性的排成一列，為了應(yīng)對(duì)復(fù)雜的生長(zhǎng)現(xiàn)狀，菠蘿收割裝置設(shè)計(jì)了柔性傳送結(jié)構(gòu)，在使菠蘿能夠正確進(jìn)入采摘機(jī)構(gòu)的預(yù)設(shè)位置同時(shí)，保證菠蘿果皮完好地傳送到收集袋中。菠蘿采摘裝置的柔性傳送機(jī)構(gòu)由扶正部分、柔性傳送帶和隔板傳送帶等部分組成，如圖6所示。扶正部分由2個(gè)設(shè)置在裝置左右支撐板最前方的V型結(jié)構(gòu)矯正器組成，菠蘿收割裝置工作時(shí)，2個(gè)由寬變窄的V型矯正器結(jié)構(gòu)扶正傾倒的菠蘿，并且將株葉和菠蘿剝離開(kāi)，使菠蘿順利進(jìn)入后續(xù)機(jī)構(gòu)。富有彈性的柔性傳送帶套在小鋸片主軸和大鋸片主軸上，菠蘿由撥叉撥入2個(gè)柔性傳送帶之間后，隨著大、小鋸片主軸的旋轉(zhuǎn)，促使菠蘿因傳送帶的伸縮性?shī)A持和向后的旋轉(zhuǎn)力而移動(dòng)，并且離開(kāi)柔性傳送帶而落入隔板傳送帶中的空檔位置，菠蘿隨著隔板傳送帶的運(yùn)動(dòng)而被輸送至收集袋中。

3.3傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)是菠蘿采摘裝置的重要組成部分，在滿足互補(bǔ)采摘方法、柔性傳送等機(jī)械性能條件下，設(shè)計(jì)了具有結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小和傳動(dòng)鏈較短等優(yōu)點(diǎn)的菠蘿采摘裝置傳動(dòng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。該裝置采用無(wú)級(jí)變速電動(dòng)機(jī)，利用帶傳動(dòng)的方式將機(jī)械動(dòng)力傳遞給撥叉、鋸片和隔板傳送帶等。具體執(zhí)行方式：電機(jī)通過(guò)帶輪、膠帶等將動(dòng)力傳遞到大鋸片傳動(dòng)軸上，大鋸片傳動(dòng)軸軸線與水平線重合，通過(guò)傘齒輪將動(dòng)力傳遞到大鋸片主軸，大鋸片主軸軸線為豎直方向，同理，電機(jī)的動(dòng)力可傳遞到小鋸片主軸，電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)大鋸片傳動(dòng)軸、小鋸片傳動(dòng)軸后通過(guò)膠帶傳動(dòng)方式傳遞到撥叉主軸，在2個(gè)直齒齒輪的嚙合下，傳送帶的主軸旋轉(zhuǎn)方向與電機(jī)相反，目的是保證菠蘿能夠傳送到收集袋中。

3.4機(jī)架部分

為了保證菠蘿采摘裝置可以跨騎在菠蘿壟上進(jìn)行采摘工作，機(jī)架由左右2個(gè)相同的支撐板模塊組成，其左支撐板模塊如圖8所示，主要包含主板、手把、副板和車(chē)輪等。主板上安裝有隔板傳送帶的轉(zhuǎn)動(dòng)軸和支撐該軸菱形軸承座，副板通過(guò)4個(gè)螺栓安裝在主板上，兩者之間保持一定距離的空隙，空隙間設(shè)置有膠帶輪，安裝在副板上的立式軸承用于支撐小鋸片和大鋸片主軸，撥叉主軸安裝在支撐板模塊前端上，車(chē)輪架固定在支撐板模塊的底部，手把安裝在支撐板模塊的尾部。在2個(gè)輪子的輔助下，雙手緊握手把可推著菠蘿收割裝置前進(jìn)。

4 菠蘿采摘試驗(yàn)

4.1收割裝置主要參數(shù)

根據(jù)菠蘿的種植特點(diǎn)，由菠蘿的尺寸參數(shù)倒推設(shè)計(jì)出2組鋸片的切割部分尺寸，第1組2個(gè)鋸片的直徑都是φ=100 mm，第2組2個(gè)鋸片的直徑都是φ=180 mm，傳動(dòng)軸和主動(dòng)軸等直徑為φ=15 mm，采用內(nèi)孔φ=15 mm的UCFL菱形尼龍塑料帶座軸承和UCP立式尼龍塑料帶座軸承支撐軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，車(chē)輪直徑為φ=150 mm，電機(jī)參數(shù)為15 W單相交流和220 V微型齒輪減速可調(diào)速變速馬達(dá)，裝置外輪廓尺寸為65 mm×510 mm×260 mm。

4.2工作方式

當(dāng)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，雙手緊握扶手，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)提供機(jī)器內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力，動(dòng)力經(jīng)由同步膠帶輪、同步帶、齒輪、軸和軸承等組成的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳到裝置的各個(gè)部分，包括撥叉的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滾筒、柔性傳送帶的轉(zhuǎn)動(dòng)，切割鋸片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和隔板傳動(dòng)帶的移動(dòng)。裝置跨騎在菠蘿壟上，由最前面的2個(gè)V型矯正器扶正歪倒的菠蘿，并且將菠蘿莖部的葉片向兩邊撥開(kāi)，以協(xié)助后續(xù)機(jī)構(gòu)完成采摘任務(wù)。經(jīng)過(guò)V型矯正器和滾筒矯正后的菠蘿進(jìn)入撥叉的撥動(dòng)范圍后，撥叉帶動(dòng)菠蘿頂部的葉冠進(jìn)入采摘機(jī)構(gòu)，果實(shí)頸部較為脆弱的菠蘿直接由撥叉撥斷，果實(shí)頸部不易折斷的菠蘿在撥叉和2組鋸片的切斷下脫離果莖，鋸片的主軸上套有柔性傳送帶，脫落的菠蘿在兩側(cè)柔性傳送帶的夾持下繼續(xù)往隔板傳送帶處移動(dòng)。當(dāng)夾持在柔性傳送帶的菠蘿移動(dòng)到柔性帶的末端時(shí)，菠蘿掉入隔板傳送帶的壁板空檔處，菠蘿隨著隔板傳送帶移動(dòng)至末端而落入收集袋中，當(dāng)收集袋裝滿后，可以將袋子卸下，掛上新的袋子，繼續(xù)進(jìn)行菠蘿的采摘與收集。

4.3工藝試驗(yàn)

菠蘿采摘樣機(jī)工作性能的優(yōu)劣程度必須通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為此通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，采摘的菠蘿為單列起壟式種植，株距為320 mm，提前調(diào)整好樣機(jī)的切割高度，并使樣機(jī)在單列菠蘿上采用騎壟式的作業(yè)方式。菠蘿采摘試驗(yàn)時(shí)，分別進(jìn)行單一切割方式下采摘，單一撥斷方式下采摘和互補(bǔ)采摘方式下的采摘試驗(yàn)，各種采摘方式的菠蘿總數(shù)均為20個(gè)。摘斷個(gè)數(shù)指菠蘿脫離果莖的數(shù)量，且每個(gè)菠蘿摘斷時(shí)間超過(guò)10 s，則認(rèn)為采摘失敗。入袋個(gè)數(shù)指脫離果莖的菠蘿個(gè)數(shù)經(jīng)過(guò)柔性傳送帶成功落入收集袋中的菠蘿數(shù)目。摘斷成功率指摘斷個(gè)數(shù)與試驗(yàn)總數(shù)的百分率。入袋成功率指入袋個(gè)數(shù)與摘斷個(gè)數(shù)的百分率，成功采摘率為入袋個(gè)數(shù)減去損壞個(gè)數(shù)之差與試驗(yàn)總數(shù)的百分率。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，與單一采摘方式相比，利用互補(bǔ)采摘方法不僅可提高菠蘿摘斷和入袋成功率，而且可以降低果品的損壞率，3種采摘方式下果品損壞情況多為鋸片切削刃劃傷所致。根據(jù)實(shí)際采摘過(guò)程和結(jié)果分析，采用單一撥叉撥斷方式，由于鋸片未旋轉(zhuǎn)，菠蘿容易卡恰在小鋸片組合處，從而使撥叉的摘斷菠蘿成功率較低。采用單一鋸片切斷方式，由于撥叉未

表1 不同采摘方式下的菠蘿試驗(yàn)結(jié)果

做向內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，菠蘿頂部的葉冠缺少了朝向菠蘿收購(gòu)裝置尾部的推力，切斷后掉的菠蘿撒落在地上。采用互補(bǔ)采摘方式，菠蘿的摘斷率和入袋率有所提高，損壞的菠蘿為種植高度不一而使鋸片碰撞造成。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于互補(bǔ)采摘方法，設(shè)計(jì)了一種多刀頭菠蘿柔性收割一體化裝置，具有結(jié)構(gòu)新穎、緊湊和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)撥叉的折斷和兩組鋸片的切斷實(shí)現(xiàn)了互補(bǔ)采摘方法，避免出現(xiàn)果實(shí)未脫離果莖的現(xiàn)象；2組鋸片構(gòu)成的多刀頭切割結(jié)構(gòu)減少了1組鋸片被果實(shí)卡住和易磨損等不足之處；設(shè)置在大、小鋸片主軸上的柔性傳送帶降低了在采摘傳送過(guò)程中損壞果品表面的概率，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，菠蘿收割一體化裝置可以完成菠蘿的成功采摘，減輕了株葉對(duì)采摘人員的傷害，對(duì)取代人工采摘的市場(chǎng)化菠蘿采摘設(shè)備的開(kāi)發(fā)具有一定的實(shí)用價(jià)值和借鑒意義。