張燕軍，吳華昕，蘇偉，張善文，繆宏，戈林泉

(1. 揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州，225000; 2. 揚(yáng)州市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，江蘇揚(yáng)州，225000)

0 引言

黃瓜作為一種常見果蔬，在我國種植面積廣，現(xiàn)今溫室黃瓜種植產(chǎn)量高、質(zhì)量優(yōu)，然而主要采摘方式仍為人工采摘，存在工作環(huán)境較差、人工成本高等問題。因此實(shí)現(xiàn)溫室黃瓜機(jī)械化采摘已成為必然趨勢。

國外學(xué)者從機(jī)械化采摘角度出發(fā)，對果蔬農(nóng)作物莖稈的切割做了一定研究與試驗(yàn)，其中包括對油菜、葵花梗、大麻等農(nóng)作物的剪切力和彎曲特性進(jìn)行的切割試驗(yàn)，并且發(fā)現(xiàn)濕度、切割角度、切割速度與刀片形狀對切割力都有顯著影響[1-8]。近年，在國內(nèi)針對不同果蔬農(nóng)作物莖稈切割力方面的研究也有了一定進(jìn)展。通過分析切割過程中不同刃口傾角、削切角、斜切角、切割速度、切割位置、刀具的不同形式等對切割力的影響，并且對向日葵、馬鈴薯、柑橘、玉米、油菜、苧麻的果梗莖稈進(jìn)行了單因素切割試驗(yàn)，結(jié)果表明不同刃口傾角、削切角、斜切角、切割速度、切割位置、不同形式的刀具等對切割力都有顯著影響[9-14]。切割中除了角度、速度、位置、刀具形式等要素對切割力具有影響外，張燕青等[15]在對谷子的莖稈切割力學(xué)特性研究中，對谷子莖稈進(jìn)行了不同收獲時間的單因素切割試驗(yàn)，研究了不同收獲時期谷子莖稈的含水率、生長高度等對切割力的影響，表明莖稈的機(jī)械物理性質(zhì)的變化對切割力也有較大影響。

目前黃瓜采摘機(jī)械裝置的研究主要集中在視覺識別系統(tǒng)的研究與力臂的動力學(xué)分析與優(yōu)化，由于采摘效率低，黃瓜梗切割速度慢，黃瓜采摘機(jī)械裝置仍停留在試驗(yàn)機(jī)階段[16-19]。而針對黃瓜的瓜梗切割試驗(yàn)研究未見報道。為此，本文設(shè)計(jì)了黃瓜梗剪切裝置，并對其進(jìn)行了靜力學(xué)分析與動力學(xué)仿真，揭示了在剪切中刃口傾角、削切角、斜切角等參數(shù)對黃瓜梗剪切效果的影響，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定了氣力驅(qū)動的黃瓜梗剪切裝置參數(shù)，可為黃瓜智能化采摘提供重要參考。

1 氣力驅(qū)動的剪切裝置設(shè)計(jì)

1.1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣力驅(qū)動的剪切裝置主要由活塞、缸體外殼、彈簧等組成。動力源使用功率為960 W、壓力為0.7 MPa、排氣量為90 L/min的空氣壓縮機(jī)。

鉸鏈彈簧聯(lián)動式氣動剪切裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，活塞連桿、彈簧為驅(qū)動結(jié)構(gòu)，活塞連桿、固定連接件、鉸鏈、刀刃組成一個整體聯(lián)動機(jī)構(gòu)，由進(jìn)氣處氣壓推動活塞連桿，連接件驅(qū)動刀刃向外，同時鉸鏈會與刀刃形成鉸鏈機(jī)構(gòu)控制刀刃使刀刃閉合，氣力驅(qū)動的剪切裝置樣機(jī)如圖2所示。

圖1 鉸鏈彈簧聯(lián)動式氣動剪切裝置結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of hinge spring linkage pneumatic shear device1.活塞連桿 2.彈簧 3.外殼 4.固定連接件 5.鉸鏈 6.刀刃

圖2 氣力驅(qū)動的剪切裝置樣機(jī)Fig. 2 Prototype of pneumatic driven shearing device

本氣動剪切裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，外殼總長度為120 mm，外徑為40 mm，內(nèi)徑為36 mm，在殼體內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個彈簧擋板，且活塞邊緣與殼體內(nèi)腔貼合。本裝置中的刀具總長為60 mm，刃長為20 mm，刀柄部分的螺栓孔可用來連接固定連接件與鉸鏈，且刀具可更換。彈簧材料為65Mn，可提高彈簧強(qiáng)度。當(dāng)進(jìn)氣壓力為0.1 MPa時，氣動剪切裝置刀具可完全緊閉。

彈簧圈數(shù)

(1)

式中:G——彈簧切變模量，83 000 MPa；

d——彈簧絲直徑，3.3 mm；

D——彈簧中徑，26 mm；

k——彈性系數(shù)，10.18 N/mm。

經(jīng)計(jì)算彈簧圈數(shù)n=7。

彈簧節(jié)距

p=πDtanα

(2)

式中:α——螺旋升角。

螺旋升角一般范圍為5°～9°，考慮裝置長度，螺旋升角α取6°，計(jì)算得出節(jié)距p=8.6 mm。

彈簧的自由高度

H0≈pn+(1.5～2)d

(3)

經(jīng)計(jì)算彈簧的自由高度H0為70 mm。

表1 裝置主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of the device

1.2 氣動控制回路設(shè)計(jì)

氣動控制回路如圖3所示。為提升試驗(yàn)的可控性，在氣源直接連接處設(shè)置氣源直連開關(guān)S1，實(shí)現(xiàn)對氣源的實(shí)時開閉控制。針對氣源處控制進(jìn)氣壓力較難的問題，采用IR精密減壓閥L1，對進(jìn)氣壓力進(jìn)行控制。設(shè)置流量控制開關(guān)S2，實(shí)現(xiàn)對減壓閥與剪切裝置A1的連接、控制與保護(hù)。為保證排氣安全，設(shè)置排氣開關(guān)S3，在非排氣狀態(tài)時處于常閉狀態(tài)，而保護(hù)開關(guān)S4開關(guān)處于常開狀態(tài)，當(dāng)氣體排出時通過減壓閥L2控制排氣流量，降低氣體排出時的氣壓力。

圖3 氣動試驗(yàn)裝置連接示意圖Fig. 3 Pneumatic test device connection diagram

1.3 裝置靜力學(xué)分析

將圖1簡化為平面連桿機(jī)構(gòu)簡圖，如圖4所示。

圖4 鉸鏈彈簧聯(lián)動式氣動剪切裝置連桿機(jī)構(gòu)簡圖Fig. 4 Connecting rod mechanism diagram of hinge spring linkage pneumatic shear device

要實(shí)現(xiàn)氣動剪切裝置的開合，首先要使d1>d2，且當(dāng)?shù)毒唛]合的時候d1理論長度可表示為

在剪切裝置中，氣源所給的總氣動推力為F1，彈簧彈力為f。則可知對活塞的推力

F2=F1-f

(4)

其中F1=Ps

f=-kx

所以

F2=Ps+kx

(5)

式中:P——?dú)鈩訅毫?，MPa；

s——受力面積，m2；

k——彈性系數(shù)，kgf/mm；

x——彈簧形變量，mm。

活塞推動鉸鏈機(jī)構(gòu)，使刀刃閉合，由于兩刀刃對稱，可知單側(cè)刀刃所具有的推力

(6)

當(dāng)?shù)度羞\(yùn)動閉合時，鉸鏈對單側(cè)刀刃有控制回拉的力F4，與垂直方向的推力F3的關(guān)系為

(7)

F4與F5的反力形成杠桿力，由力與反作用原理，可以得出F4與F5的反力相等，以F4為正向力，可求得F5，即

(8)

剪切裝置為雙側(cè)對稱運(yùn)動，因此在針對鉸鏈彈簧聯(lián)動式氣動剪切裝置的靜力學(xué)理論分析中，只對裝置的單側(cè)進(jìn)行分析。

1.4 裝置動力學(xué)仿真

利用Adams軟件對該裝置進(jìn)行動力學(xué)分析。通過對剪切裝置的活塞桿施加恒定速度，使剪切裝置的刀具閉合，設(shè)置恒定速度下驅(qū)動參數(shù)為活塞桿速度10 mm/s，仿真時間1 s，步長20。仿真過程顯示彈簧力的變化如圖5(a)，彈簧力達(dá)到105 N時刀具完全閉合，此時氣動力大于等于彈簧力，進(jìn)而求得輸入氣動力約為0.103 MPa，即為空載時閉合刀具所需的氣動力，同時也為后續(xù)剪切試驗(yàn)提供了初始狀態(tài)輸入氣動力的值；彈簧壓縮量如圖5(b)所示，刀具開合的1 s內(nèi)，在氣動力的作用下彈簧被壓縮了10 mm；刀具閉合角速度與角加速度如圖5(c)、圖5(d)所示，刀具閉合時加速度越來越大，速度也隨之提高。

(a) 彈簧力

(b) 彈簧壓縮量

(c) 刀具閉合角速度

(d) 刀具閉合角加速度

2 剪切裝置試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料選取

黃瓜一年內(nèi)可以種植兩茬，試驗(yàn)選取成熟初期的黃瓜(開花后一周左右)、成熟中期的黃瓜(開花后兩周左右)、成熟晚期的黃瓜(開花后三周左右)，無明顯缺陷，每根黃瓜梗處留40 mm左右長度便于做切割試驗(yàn)，不宜放置時間太久，會導(dǎo)致瓜梗直徑與含水率發(fā)生變化，影響試驗(yàn)結(jié)果，在試驗(yàn)中由于頭部的含水率與直徑降低速度較快，因此在試驗(yàn)中選取瓜梗中部約20 mm處進(jìn)行剪切試驗(yàn)，作為試驗(yàn)樣本。

2.2 試驗(yàn)方法

對測量后的黃瓜進(jìn)行剪切試驗(yàn)，按成熟度分組并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在黃瓜梗剪切中，使用不同的刃口傾角、斜切角、削切角對黃瓜梗進(jìn)行剪切試驗(yàn)。將不同成熟度的黃瓜分成三個組，對每個組用同類角的不同參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，每個參數(shù)完成3次試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并取平均值。用IR減壓閥控制每次的進(jìn)氣量，初始?xì)鈩恿?.1 MPa開始依次遞增，直到能一次剪斷黃瓜瓜梗。如圖6(a)為刃口傾角的切割方式，α角為刃口傾角；圖6(b)為削切角的切割方式，β角為削切角；圖6(c)為斜切角的切割方式，γ角為斜切角。

(a) 刃口傾角α

(b) 削切角β

(c) 斜切角γ

氣動裝置試驗(yàn)方法：將空氣壓縮機(jī)充滿，打開流量開關(guān)S1，調(diào)整減壓閥L1數(shù)值為0.1 MPa，打開流量開關(guān)S2，再次調(diào)整減壓閥L1緩慢增大氣壓直到剪切裝置A1完全切斷瓜梗，觀察記錄此時減壓閥L1的示數(shù)，關(guān)閉流量開關(guān)S2打開流量開關(guān)S3，打開減壓閥L2控制并降低排氣壓力，排出多余氣體，關(guān)閉流量開關(guān)S3，進(jìn)行下一次試驗(yàn)。

2.2.1 刃口傾角試驗(yàn)方法

使黃瓜豎直自然下垂，刀具刃口垂直于瓜梗，使用偏角為0°的刀具對黃瓜梗進(jìn)行剪切，在刀刃上進(jìn)行標(biāo)注如圖6(a)所示，本文中刃口傾角是根據(jù)黃瓜梗在刀刃上所處的切割位置所確定的，在刀刃的不同位置標(biāo)記紅點(diǎn)，此標(biāo)記做為黃瓜梗與刀刃之間的切點(diǎn)，手動閉合控制刀刃至臨界位置時，通過萬能角度儀進(jìn)行測量，得出刃口傾角。從刀頭尖部每隔3 mm 標(biāo)注紅線，可得出不同大小的刃口傾角，并且按角度從小到大編號，按照所標(biāo)注的順序進(jìn)行剪切，每個編號視為一個組，記錄每組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含剪切不同成熟度的三類黃瓜梗所需氣動力，分別對每一類求平均值。在試驗(yàn)中，氣動壓力從0.1 MPa遞增，削切角為0°，斜切角為0°。

2.2.2 削切角試驗(yàn)方法

如圖6(b)所示為刀具與瓜梗形成削切角，在剪切時瓜梗與刀具的法向形成的角度為削切角。如圖7所示，用數(shù)顯傾角儀測量削切角，需先將黃瓜垂直放置，在黃瓜上選取數(shù)顯儀90°的位置，將數(shù)顯儀與黃瓜固定，以刀刃與黃瓜梗的切點(diǎn)為圓心，調(diào)整黃瓜位置，達(dá)到目標(biāo)角度，此時數(shù)顯儀上會顯示削切角的余角，從而可以得出削切角的大小。選取削切角范圍在0°～45°之間，調(diào)節(jié)減壓閥，設(shè)置初始?xì)鈮簽?.1 MPa，打開流量閥開關(guān)進(jìn)行剪切，然后利用調(diào)壓閥調(diào)節(jié)氣壓慢速勻速轉(zhuǎn)動調(diào)壓閥逐漸增加壓力。測試選取0°、15°、30°、45°四個角度下剪切瓜梗所需的氣壓大小，每個角度為一組，每組測試3次，記錄每組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含剪切不同成熟度的三類黃瓜梗所需氣動力，分別對每一類求平均值。在試驗(yàn)中，氣動壓力從0.1 MPa開始遞增，刃口傾角為26°(即使瓜梗與圖6(a)中的點(diǎn)4相切)，斜切角為0°。

圖7 削切角測量方式Fig. 7 Cutting angle measurement method1.黃瓜瓜梗 2.刀刃 3.黃瓜 4.數(shù)顯傾角儀

2.2.3 斜切角試驗(yàn)方法

如圖6(c)所示為刀具與瓜梗形成斜切角的切割方式，所形成的切割面與瓜梗的軸線方向所形成得角度為斜切角。在試驗(yàn)中，為了試驗(yàn)的精準(zhǔn)與高效，使用斜切角不同的四種刀刃對黃瓜梗進(jìn)行剪切如圖8所示，斜切角分別為0°、15°、30°、45°。調(diào)節(jié)減壓閥，設(shè)置初始?xì)鈮簽?.1 MPa，打開流量閥開關(guān)進(jìn)行剪切，然后利用調(diào)壓閥調(diào)節(jié)氣壓勻速轉(zhuǎn)動調(diào)壓閥緩慢增加壓力。試驗(yàn)中存在一定誤差，因此每個角度為一組，每組切割3次，記錄每組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含剪切不同成熟度的三類黃瓜梗所需氣動力，分別對每一類求平均值。在試驗(yàn)中，氣動壓力從0.1 MPa開始遞增，刃口傾角為26°(即使瓜梗與圖6(a)中的點(diǎn)4相切)，削切角為0°。

(a) 0°斜角

(b) 15°斜角

(c) 30°斜角

(d) 45°斜角

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同成熟度的黃瓜梗直徑平均值，如圖9所示。

圖9 黃瓜梗直徑平均值Fig. 9 Average stem diameter of cucumber

從圖9可以看出，不同成熟時期，由于黃瓜梗的直徑生長會有一定的變化，成熟初期(開花一周左右)瓜梗直徑均值約為6.43 mm，此時期的的黃瓜開始進(jìn)入迅速生長階段，其瓜梗飽滿且含有水分，較容易剪切；進(jìn)入成熟中期(開花兩周左右)瓜梗直徑均值約為6.98 mm，此時期黃瓜生長進(jìn)入到峰值，瓜梗中的含水量達(dá)到峰值，容易剪切，所需氣動力較之前基本一致稍微偏低；成熟晚期(開花三周左右)瓜梗直徑均值約為4.26 mm，此時期的黃瓜瓜梗逐漸變細(xì)，含水量降低，纖維管束生長的韌性越來越強(qiáng)，同時所需氣動剪切力也隨之增大。

3.1 氣動剪切中刃口傾角對剪切的影響

不同刃口傾角在剪切中的效果與結(jié)果如表2所示，當(dāng)刃口傾角為8°時，成熟晚期黃瓜在剪切之后毛刺較為明顯，且瓜梗剪切部位被壓扁。由圖10可知刃口傾角越小，所需氣動力越大，成熟晚期的黃瓜在刃口傾角較小時所需氣動力，遠(yuǎn)大于刃口傾角較大時所需的氣動力。由于在剪切過程中會有一定的滑切作用，刃口傾角越大，刀刃對梗的滑切作用越強(qiáng)，增強(qiáng)了刀具的切割能力。不同成熟度的黃瓜梗所需氣動力的差距也逐漸減小，同時可以看出，刃口傾角越來越小，滑切也逐漸減弱，因此，剪切中選擇刃口傾角為26°，此時剪切效果較好。由圖10可知，不同刃口傾角剪切所需氣動力所產(chǎn)生的偏差，主要由于剪切中存在滑切角，滑切角的產(chǎn)生與被剪切物體和刀刃的相對運(yùn)動有關(guān)。由于瓜梗的表面粗糙程度與韌性各異，對相對運(yùn)動有一定影響，從而會造成不同程度的滑切，因此刀刃與瓜梗處于臨界位置時瓜梗會有一定的滑移，滑移造成的刃口傾角角度偏差不超過±0.5°。在成熟晚期，由于不同生長環(huán)境所造成的各個黃瓜之間的差異性更加顯著，使得滑切效果各異，因此偏差較其他時期更大，且不超過±0.015 MPa。

表2 刃口傾角試驗(yàn)記錄表Tab. 2 Chart of blade inclination test record

圖10 不同刃口傾角剪切所需氣動力均值變化Fig. 10 Change of aerodynamic mean value for shear at different cutting angles

3.2 氣動剪切中削切角對剪切的影響

不同削切角在剪切中的效果如表3所示，當(dāng)削切角為45°時，成熟晚期黃瓜的瓜梗較難切斷，且剪切部分被擠壓，切面不平整。

表3 削切角試驗(yàn)記錄表Tab. 3 Chart of cutting angle test record

由圖11可知削切角越大，所需氣動力越大，與成熟初期相比，成熟中期所需氣動力稍小，成熟晚期較其他時期所需氣動力大。黃瓜梗的維管束纖維直立排布，只有當(dāng)?shù)度信c維管束垂直時所需壓力較小。在剪切試驗(yàn)中當(dāng)削切角較大時，刀刃與瓜梗接觸面變大，壓強(qiáng)減小，因此刀刃無法完全剪切瓜梗中的維管束，對瓜梗形成擠壓。通過試驗(yàn)，削切角為0°時每個成熟時期所需的氣動力最低，因此當(dāng)削切角為0°時剪切效果較好。從圖11中可以看出，隨著削切角的增大，在各個成熟時期剪切所需氣動力的標(biāo)準(zhǔn)偏差總體增大，當(dāng)瓜梗與刀具之間存在削切角時，剪切瓜梗的截面會增大，同時，黃瓜梗具有一定的柔性，在剪切時，瓜梗與刀刃接觸的部位會出現(xiàn)一定的彎折，從而造成削切角的偏差，偏差不超過±2°，削切角增大瓜梗的彎折程度越大，所需氣動力的偏差隨之增大，偏差不超過±0.008 MPa。

圖11 不同削切角剪切所需氣動力均值變化Fig. 11 Change of aerodynamic mean value for shear at different cutting angles

3.3 氣動剪切中斜切角對剪切的影響

不同斜切角在剪切中的效果與結(jié)果如表4所示，當(dāng)斜切角為45°時，成熟晚期刀刃與瓜梗接觸部分被壓扁，且瓜梗難被完全切斷。

表4 斜切角試驗(yàn)記錄表Tab. 4 Bevel angle test record

由于黃瓜梗表皮纖維密集，瓜梗強(qiáng)度主要由表皮、機(jī)械組織和維管束來承擔(dān)，薄壁組織起連接和傳遞載荷的作用，藤蔓的機(jī)械組織越發(fā)達(dá)，表皮越厚，維管束越多，瓜藤抵抗外力的能力越強(qiáng)，因此剪切黃瓜梗，主要是對黃瓜梗中維管束和機(jī)械組織的切割。由圖12可知，當(dāng)斜切角為15°時，各成熟時期剪切瓜梗所需的氣動壓力均為最低，所以斜切角為15°時剪切效果較好。不同斜切角剪切所需氣動力產(chǎn)生的偏差主要是由于維管束的分布不均所造成的，因此維管束與刀刃存在角度偏差，偏差不超過±2°，且瓜梗的維管束韌性不同，因此，斜切角增大時剪切所需氣動力的偏差也相對增大，不超過±0.007 MPa。

圖12 不同斜切角剪切所需氣動力均值變化Fig. 12 Change of aerodynamic mean value required for shear at different bevel angles

4 結(jié)論

在已有的黃瓜采摘裝置的研究中，多利用鍘刀型或氣旋式切割裝置對黃瓜梗進(jìn)行切割，完成一次切割的時間較長，且效果不佳，切面平滑度尚有欠缺。相較之下，本文針對溫室黃瓜采摘設(shè)計(jì)了一種氣力驅(qū)動的黃瓜梗剪切裝置，并利用該裝置進(jìn)行了剪切試驗(yàn)，得出裝置的最佳參數(shù)，從而解決切面不平滑與切割時間較長的問題。針對不同成熟度、不同刃口傾角、不同削切角、不同斜切角等參數(shù)對黃瓜梗剪切效果的影響進(jìn)行研究得到以下結(jié)論。

1) 成熟中期(開花兩周左右)的黃瓜瓜梗更易被剪切，且此時黃瓜梗生長到達(dá)峰值，經(jīng)過一段時間生長，黃瓜瓜梗的含水率逐漸降低，纖維強(qiáng)度增強(qiáng)，且中心逐漸形成孔狀，剪切較難。

2) 當(dāng)刃口傾角為8°～26°時，由于切割黃瓜梗時存在滑切，刃口傾角越大，滑切角越大，刀具的剪切能力越強(qiáng)，當(dāng)刃口傾角為26°時所需的氣壓壓力較小，剪切效果較好。

3) 當(dāng)削切角為0°～45°時，隨著角度增大切割黃瓜梗時所需氣壓壓力逐漸增大。當(dāng)削切角為0°時所需氣壓壓力較小，剪切效果較好。

4) 當(dāng)斜切角在0°～45°時，切割黃瓜梗時所需氣壓壓力先降低后增加，且增幅漸大。當(dāng)斜切角為15°時所需的氣壓壓力較小，剪切效果較好。