基于全地形的水果打包套膜小車設計

陳 龍 何學傳 祝 勝 周賢志 陳 勇 榮長霄

（1.湖北汽車工業(yè)學院科技學院，湖北 十堰 442002；2.湖北汽車工業(yè)學院機械工程學院，湖北 十堰 442002）

0 引言

2021 我國共生產(chǎn)水果29 611 萬t，水果的需求量為29 912 萬t，果園面積為1 296 萬hm2，水果市場的規(guī)模高達萬億元。如此龐大的水果產(chǎn)量，包裝是重要的一環(huán)，大部分水果在包裝完成后，才能從果園運輸?shù)较M者的手中。在運輸過程中，如果沒對水果進行包裝，則極易出現(xiàn)損壞、磕碰等現(xiàn)象。無論國內(nèi)市場還是國外市場，隨著消費者對鮮果質(zhì)量和外觀的要求越來越高，使得優(yōu)質(zhì)高檔水果的價格更高、銷路更好、經(jīng)濟效益更高。目前，我國優(yōu)質(zhì)果的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的比例不到10%，達到出口標準的優(yōu)質(zhì)果的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的比例更是不足5%。而使用套膜對水果進行包裝，能有效減少果蔬在運輸?shù)倪^程中發(fā)生磕碰，且能降低水果的呼吸，防止因CO2濃度過高而導致水果腐爛［1］。為了解決水果在包裝過程中人力需求較大、耗時較長、人力資源浪費等問題，本研究設計出一款水果自動包裝機械，在解放農(nóng)民雙手的同時，還使經(jīng)濟最大化得到保證。

1 小車設計方案

據(jù)了解，市場上的水果包裝機種類繁多，但其普遍存在體積大、機構復雜、價格昂貴等問題［2］，消費者對現(xiàn)有的水果包裝機不是很滿意。目前，消費者迫切需要一臺體積小、方便運輸、價格低、效率高的水果包裝機。因此，本研究設計的新型水果打包套膜小車要在保持原有包裝效率和網(wǎng)兜質(zhì)量的同時，對現(xiàn)有的包裝方式進行基礎性改進。

本研究設計的新型水果打包套膜小車的外形是由鈑金件構成的，在減小體積的同時，可實現(xiàn)生產(chǎn)價格的進一步降低。在對水果進行打包時，其主要模仿人的打包方式，將不銹鋼輕質(zhì)小球放入泡沫網(wǎng)兜中，從而撐開網(wǎng)兜。旋轉支架和自動脫離勾將網(wǎng)兜提拉至滑入道口處，水果在經(jīng)過前處理后，通過滑入道滑入網(wǎng)兜，并落到載物碗中，重力感應器將信號傳遞給熔斷絲，從而將網(wǎng)兜切斷，旋轉支架帶動自動脫離勾脫離，載物碗釋放水果，水果滑落滑出道，從而完成包裝。水果打包套膜小車的整體仿真如圖1所示。

圖1 打包套膜小車整體仿真圖

2 工作原理

全地形水果打包套膜小車的外形是由鈑金件組成的，在保證實用性的同時，減輕整車的質(zhì)量，便于其在多地形的果園中行駛。全地形水果打包套膜仿真小車的工作原理如下。通過安裝三只低重心萬向輪，在保證小車移動的同時，還能用于控制方向和重心。在萬向輪上安裝兩只可調(diào)節(jié)高度的腳杯，能在不平整的地形中及時調(diào)整小車的水平，從而保證小車能正常工作。滑入道能確保水果準確落到預定的位置，自動脫離勾將網(wǎng)兜提拉到指定位置后，撞針撞擊滑道中的撞耳彈簧，使其收縮，從而實現(xiàn)自動脫離。

旋轉支架用于固定自動脫離勾，并帶動鉤子運轉。電機采用低能耗的微型交流齒軸電機，電機固定支架是由兩片半圓形鐵片組成，固定電機采用螺栓進行固定，便于拆卸。網(wǎng)兜放置架采用掏空打孔式設計，可根據(jù)網(wǎng)兜的大小進行任意調(diào)節(jié)，不工作時可以收起。

小球限位支架是由六根支柱組成的，上下各兩根、左右各一根，從而保證不銹鋼輕質(zhì)小球在預定軌道內(nèi)運動，防回縮擋片用來防止網(wǎng)兜因回彈而脫離工作區(qū)，熔斷絲在接收到重力傳感器傳來的信號后會切斷網(wǎng)兜，氣壓推桿在熔斷絲工作完成后，推動載物碗將水果釋放，并通過滑出道將水果滑出，從而完成包裝。

3 水果打包套膜小車的主要結構設計

該小車的主體是由大量鈑金件構成的，體積小、質(zhì)量輕，底部裝有移動輪，運輸方便，且采用雙入口、雙出口的設計，在確保裝置體積不大的同時，還能保證水果的打包效率。包裝機的結構如圖2所示。

圖2 包裝機工程流程圖

3.1 網(wǎng)兜擴張設計

不銹鋼擴張網(wǎng)兜是由輕質(zhì)不銹鋼小球、小球限位支架、擋片組成。輕質(zhì)不銹鋼小球用于擴張網(wǎng)兜，擋片位于小球限位支架的前端，使不銹鋼小球在擴張網(wǎng)兜的同時，避免水果滾落出工作范圍。在擋片中還增加了防回縮鉤，防止網(wǎng)兜因自身張力回縮而脫離工作區(qū)。本研究參考張心人境等［3］的自動打包機控制系統(tǒng)設計，設計出的輕質(zhì)不銹鋼擴張網(wǎng)兜如圖3所示。

圖3 輕質(zhì)不銹鋼擴張網(wǎng)兜

3.2 自動脫離鉤設計

自動脫離鉤是由撞針、彈簧、鉤子、板簧組成。當鉤子將網(wǎng)兜提拉到指定位置后，撞針會撞擊滑道中的撞耳彈簧，從而使其收縮，撞針推動勾子末端來壓迫板簧，并推動鉤子回縮，以達到自動脫離的目的。用簡單的機械機構來完成相關操作，在減少能耗的同時，提高可靠性。脫離鉤的示意圖如圖4所示。

圖4 脫離鉤

3.3 清洗裝置

清洗裝置是由一個小型水泵和不銹鋼圓管傳送帶組成，如圖5 所示。將其設計成可拆卸式的，能有效滿足中層果農(nóng)的需求。使用水泵清洗果蔬有兩個優(yōu)點，一是能給予更大的壓力，更有利于沖掉果蔬上的泥土；二是能有效節(jié)約水資源，從而實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。

圖5 加裝清洗槽

3.4 烘干裝置

烘干裝置由護罩、傳動帶、風扇、紫外線燈組成。在清洗完水果后，如果不進行烘干的話，水果上將殘留有水珠，導致水果腐爛過程加快，紫外線燈能有效消殺一些殘留的農(nóng)藥。烘干裝置的示意圖如圖6所示。

圖6 加裝烘干機

4 關鍵部件的強度分析及計算

在完成整體結構設計后，對模擬樣機的關鍵部件進行力學驗證，采用有限元分析對其結構進行仿真分析。本研究參考賈慧娜［4］基于ANSYS 的金屬板材拉伸模擬分析，對樣機的關鍵部件進行仿真分析，結果如圖7所示。

圖7 有限元分析

為防止滑入道在使用過程中出現(xiàn)損壞，并降低生產(chǎn)成本，本研究采用鋁合金鈑金，其力學性能見表1。

表1 鋁合金鈑金的力學性能

普通果蔬的重力在10 N 左右，可將10 N 的力直接施加在滑入道上，計算其形變以及在接受壓力過程中每一處產(chǎn)生的應力、最大應力處的變形量。其強度極限的計算公式見式（1）。

式中：σ為強度極限，MPa；Fb為承受的最大力，N；SO為原橫截面積，mm2。

材料的屈服強度σs為345 MPa。板材在工作過程中不發(fā)生破壞的條件是其所受到的最大應力值σmax不超過許用應力［σ］，即σmax≤［σ］，而許用應力［σ］=σs/s。當安全系數(shù)s取1.3 時，得到［σ］=256.38 MPa。經(jīng)過有限元分析計算，得到其等效應力為3.146 2×108～1.260 6×109 Pa，滿足設計要求［5］。

5 應用優(yōu)勢

本研究設計的小車采用的是可拆卸模塊，根據(jù)需要來添加或減少功能，可滿足用戶在不同情況下的使用需求，能一次完成適用各種包裝材料的輸送、料理、封口切斷、包裝等。直接接觸水果的部分采用軟性材料進行鋪墊，能更好地保護水果表面，避免出現(xiàn)碰傷。該小車的整機結構緊湊、牢固、設計合理、簡潔。本研究的設計參考鄭志偉等［6］的球形水果氣柱袋全自動包裝機的設計方案。

本研究設計的裝置通過移動模塊在不同地形中進行移動，相較于傳統(tǒng)的流水線，其能適應多種工作場景。網(wǎng)袋提拉裝置巧妙地解決了泡沫網(wǎng)袋易損的問題，能有效彌補此類包裝領域的空白。本研究設計的裝置參考徐勤超等［7］的球形水果塑料發(fā)泡網(wǎng)套包裝機設計與試驗。

本研究設計的裝置采用雙進雙出的設計，在保證包裝質(zhì)量的同時，能最大程度地利用車內(nèi)空間，提高包裝效率。該小車采用電池續(xù)航與外接電源的兩種方式，包裝機構采用簡單的機械結構電器元件，能滿足小車在外工作一天的續(xù)航要求。

6 結語

本研究設計出一款操作便捷、效率高、體積小、價格低的全地形水果打包套膜小車。該項目在投入市場后，能加快市場經(jīng)濟的運轉，易于在各地區(qū)的果園進行推廣使用，未來存在著巨大的社會效益和經(jīng)濟價值。本研究通過自主創(chuàng)新，設計出一款全地形水果打包套膜小車，用于解決水果套膜包裝過程中泡沫網(wǎng)兜的包裝問題，能有效提高包裝效率。通過有限元分析法對該裝置在使用過程的等效應力和最大主彈性應變量進行分析，計算結果與校核計算值誤差率小于6%，表明該有限元模型具有較高的準確性。