趙華成，姚 寧，許趙慧，陳銥寧

(浙江水利水電學院 工程實驗實訓中心，浙江 杭州 310018)

0 引言

菠蘿作為一種經(jīng)濟栽培物，目前主要分布在我國的南方地區(qū)，如廣東、廣西、福建、海南等[1-2]。隨著人們生活水平的不斷提高，使得菠蘿產(chǎn)業(yè)有了較好的發(fā)展，其產(chǎn)量也在不斷增加[3]。但目前我國對于菠蘿的采摘模式仍處于人工采摘，機械化程度低[4]。在傳統(tǒng)的人工采摘的過程中，由于菠蘿的葉片堅硬，且表面有芒刺，容易劃傷人手，從而嚴重影響采摘作業(yè)。同時，菠蘿的采收季節(jié)性強，采摘環(huán)境復雜，人工采摘效率較低，若不及時采收將造成菠蘿過于成熟而腐爛，導致經(jīng)濟損失。因此，實現(xiàn)疲蘿的機械化采摘是一項急待解決的工作。

為此，國內學者對菠蘿采摘設備進行了一定的研究，如張西成等[5]提出一種靠剪切力間接式采摘菠蘿的機械手，該機械手需要配合人手腕左右掰動，采摘自動化程度較低；任文武等[6]設計了一種鉗式單人菠蘿采摘器，采用兩個對稱的四桿機構，通過桿件聯(lián)動采摘果實，采摘穩(wěn)定性差；辛寶英等[7]設計了一種純機械式的菠蘿采摘機械手，該機械手結構復雜，且部分結構有待完善，采摘效率較低；趙忠快等[8]提出一種自行走式菠蘿采摘設備，通過刀盤擠壓菠蘿桿進行采摘，造成果實損傷率較高；劉玉杰等[9]提出一種菠蘿半自動采摘機，其采摘機械手通過液壓桿件控制鋸齒輪采摘果實，采摘機構復雜。

對此，筆者根據(jù)手工折斷果柄采收原理和仿生學理論，設計了一種菠蘿自動采摘收集車，利用三維軟件SoildWorks對自動菠蘿采摘收集車相關部件進行三維建模，并對其工作原理、采摘機構及關鍵部件進行理論分析。

1 菠蘿自動采摘機構的工作原理

1.1 菠蘿自動采摘收集車結構與工作原理

菠蘿自動采摘收集車主要包括行走機構、旋轉式采摘機構、傳輸機構、收集存儲機構等(見圖1)。整車采用輪式行走機構，前輪為帶有無刷輪轂電機的電動輪，后輪為萬向輪，車身后部把手上設有調整無刷輪轂電機行進速度的調速器。使用者通過手工轉動調速把手來改變車前進的速度。旋轉式采摘機構在車身前端，通過圓周均布的四個采摘刀片，釆用旋轉采摘方式將前方的疲蘿切割，并通過輸送機構送入收集存儲箱內，完成菠蘿的采摘。收集存儲機構底部設置有電動推桿，當箱內裝滿菠蘿時，電動推桿推動收集存儲箱，從而改變收集存儲箱的傾斜角度，菠蘿在重力作用下由卸貨擺動板自動傾斜出來，使該裝置具備自動卸貨的功能。該裝置可通過升降機構調節(jié)采摘機構在垂直方向上的高度，以適應不同植株高度的菠蘿采摘，同時旋轉式采摘刀片可以適應小范圍內植株高度變化的菠蘿采摘，進一步延伸了升降機構的調節(jié)范圍。

①—萬向輪；②—升降機構；③—電機底座；④—電機；⑤—菠蘿采摘刀片；⑥—車架；⑦—收集箱；⑧—收集箱底座；⑨—電動頂桿；⑩—帶傳動裝置；—輸送帶裝置；—承接板；—分隔板圖1 總體結構示意圖

1.2 自動采摘機構工作原理

自動采摘機構是菠蘿自動采摘收集車實現(xiàn)菠蘿采摘的核心部件。自動采摘機構由電機底座、直流電機、旋轉式采摘支架、采摘刀片和升降機構等組成(見圖2)。旋轉式采摘支架固定在直流電機的輸出軸上，在旋轉式采摘支架上設有沿圓周均布的四個采摘刀片。采摘刀片采用仿形設計，根據(jù)菠蘿底部外型測量數(shù)據(jù)點進行函數(shù)曲線的擬合，得到理想外輪廓軌跡，設計成1/4個菠蘿果實外型的半包裹形狀。采摘刀片頭端開設有前寬后窄的三角形槽口，三角形槽口的兩側壁設有切斷菠蘿根莖的采摘刀刃。升降機構主要由四個電動推桿和升降平臺組成，用于調節(jié)自動采摘機構在垂直方向上的高度以適應不同植株高度的菠蘿采摘。

①—電機底座；②—直流電機；③—旋轉式采摘支架；④—采摘刀片；⑤—升降機構圖2 自動采摘機構圖

2 采摘機構關鍵部件的設計與分析

2.1 菠蘿物理參數(shù)測定

為了使采摘機構的采摘刀片具有較高的適應性，降低菠蘿果實的損傷，提高菠蘿采收效率，對于菠蘿的一些物理屬性進行采樣分析，主要包括菠蘿果實的尺寸大小、菠蘿的質量、果柄直徑及其與果實之間的連接力大小。本文隨機選取10個菠蘿進行測量，測量結果(見表1)。菠蘿果實形狀呈橢圓球狀，其橫徑、縱徑、果柄直徑和果實質量平均值分別為12.8 cm、16.3 cm、3.7 cm、1.48 kg。查閱相關文獻可知，菠蘿果實與果柄之間的連接力在25～32 N之間[10]。

表1 菠蘿果實的物理參數(shù)

2.2 采摘刀片的結構設計

2.2.1 采摘刀片的理想外輪廓設計

為防止菠蘿果實因振動而掉落，采用旋轉式采摘機構。同時基于仿生學理論，采摘刀片采用仿形設計，本文通過試驗統(tǒng)計的方法獲取菠蘿底部外型數(shù)據(jù)點，并擬合得到采摘刀片理想外輪廓軌跡。首先對市場采購回來的菠蘿進行縱向對半切開，測量菠蘿果實下部外輪廓尺寸。然后以菠蘿果實與果柄連接中心點為坐標原點，水平方向為x軸，菠蘿中心線為y軸，測量數(shù)據(jù)點的坐標值記錄下來并用散點圖表示(見圖3)。

圖3 菠蘿果實外輪廓擬合曲線

根據(jù)測量記錄的數(shù)據(jù)點進行曲線擬合，得到菠蘿果實底部外輪廓的軌跡方程如下，從而為采摘刀片輪廓尺寸設計提供依據(jù)。

(1)

2.2.2 采摘刀片的參數(shù)確定

菠蘿被摘斷后，經(jīng)過旋轉后落到承接板上進入輸送機構[11]，完成采摘過程。為了提高采摘效率和采摘成功率，同時加強運動過程中的平穩(wěn)性，旋轉采摘刀架設有4個菠蘿刀片固定口，刀片之間互成90°。根據(jù)離心力公式：

F=mω2r

(2)

旋轉半徑越大，所產(chǎn)生的離心力也越大。為了減小離心力，以最小旋轉半徑為設計條件。圖5所示為菠蘿外型簡化為橢圓球形，設旋轉采摘刀架半徑為R軸，設菠蘿橫向直徑為D橫，設菠蘿縱向直徑為D縱。由圖可知，旋轉中心到菠蘿果實中心距離：

L=R軸+R橫

(3)

圖5 旋轉半徑計算示意圖

刀片延伸線與菠蘿縱向延伸線的夾角為45°，所以

L≈D縱/2

(4)

故旋轉刀架半徑

R軸=D縱/2-D橫/2

(5)

為了便于旋轉切斷菠蘿果柄，在采摘刀片頭端開設有前寬后窄的三角形槽口，三角形槽口的兩側壁設有切斷菠蘿果柄的采摘刃口。三角形刃口開口尺寸根據(jù)測量的菠蘿果柄直徑取40 mm，深度取60 mm。

2.3 采摘刀片的受力分析與優(yōu)化

2.3.1 采摘刀片的有限元分析

由于旋轉采摘刀片對設備壽命及采摘效果有較大影響，本文采用ANSYS Workbench對采摘刀片在采摘菠蘿果實過程中的受力進行有限元分析[12]。在采摘過程中，菠蘿果實對采摘機構的作用力完全作用于采摘刀片，綜合考慮材料性能后，選用6061鋁合金材料，表2為材料屬性值。設置相關參數(shù)及網(wǎng)格劃分后，添加作用力進行有限元分析，得到采摘刀片應力應變圖。

表2 6061鋁合金的屬性值

由采摘刀片受力分析可以看出，采摘刀片最大變形發(fā)生在刀片前端開口處，其變形量為2.115 mm，最大的等效應力發(fā)生在刀片與采摘刀架之間的連接處，其最大等效應力值約為28 MPa。考慮實際工作環(huán)境影響，增加系數(shù)因子K=1.5，則最大等效應力約為42 MPa，低于所選用的鋁合金材料許用應力，故設計的采摘刀片滿足強度要求，但采摘刀片的變形量較大，不利于采摘過程中的穩(wěn)定性，需要對采摘刀片進一步優(yōu)化。

對采摘刀片的優(yōu)化主要是縮短采摘刀片長度和增加采摘刀片厚度兩個方案，因刀片長度受采摘機構尺寸限制，本文采用增加刀片厚度優(yōu)化方案，將刀片厚度增加1 mm，得到的變形量和應力圖(見圖6—7)。

圖6 刀片厚度5 mm的變形圖

圖7 刀片厚度5 mm的應力圖

由圖6—7中可以看出，優(yōu)化后的采摘刀片最大變形量為0.853 mm，最大等效應力值約為18 MPa，考慮工作環(huán)境系數(shù)因子K=1.5，則最大等效應力約為27 MPa，低于所選用的鋁合金材料許用應力，故優(yōu)化后采摘刀片滿足強度要求。

2.3.2 切入角對刀片受力影響分析

考慮到實際采摘過程中，刀片在切入過程中的切入角不同，其受力也隨之變化，故對不同切入角進行分析。設菠蘿中心到刀片延伸板垂線與菠蘿果柄延伸線之間的角度為α，其切入角α示意圖(見圖8)。

在ANSYS中施加載荷時，設定刀片保持不動，作用力以不同的角度相對作用于采摘刀片(見圖9)，分析結果(見表3)。

圖8 旋轉過程中切入角示意圖

圖9 不同切入角下受力示意圖

表3 不同切入角下的變形量與應力值

由表3中數(shù)據(jù)可知，在不同切入角度下，所產(chǎn)生的變形量和應力值差異較小，可見切入角度對采摘刀片的受力影響較小，設計的刀片結構可以滿足不同切入方向的采摘。

3 總結

為了克服菠蘿現(xiàn)有人工采摘模式的不足，筆者設計了一種集采摘、輸送和收集于一體的自動菠蘿采摘收集車，對菠蘿采摘收集車的整體結構及工作原理作了介紹，通過對菠蘿果實物理數(shù)據(jù)進行采集分析，設計了仿形采摘刀片,并運用ANSYS有限元軟件對采摘刀片在采摘過程中的受力情況進行分析，驗證了刀片結構設計的合理性，表明本文設計的采摘刀片可以滿足菠蘿采摘工作要求。