高玉芝，王君玲，高 欣，張衛(wèi)國，趙學(xué)軍

(1.河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，唐山學(xué)院，河北 唐山 063000；2.唐山蘭坨機(jī)械設(shè)備有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

我國是蔬菜生產(chǎn)大國，近年來蔬菜的產(chǎn)量和產(chǎn)值均超過糧食[1]。蔬菜的產(chǎn)銷量中葉菜類蔬菜占30%～40%[2]。在蔬菜生產(chǎn)作業(yè)中，收獲作業(yè)約占整個(gè)作業(yè)量的40%，而收獲后的清理、收集和打捆等工作量巨大[3]。實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于收獲后的蔬菜處理不當(dāng)，導(dǎo)致蔬菜品質(zhì)下降、腐爛，不但導(dǎo)致浪費(fèi)，而且影響到農(nóng)民收益。

根據(jù)我國北方設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，研究和設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)緊湊、易于操作和控制的葉菜類收割機(jī)。本研究是課題研究系列成果之一，柔性起伏振蕩梳理機(jī)構(gòu)是智能葉菜類收割機(jī)的重要部分之一，決定著收割后的葉菜類蔬菜的梳理、整理質(zhì)量，同時(shí)，該機(jī)構(gòu)也是收集和打捆的重要前提和保障。

1 設(shè)計(jì)背景

在蔬菜生鮮流通行業(yè)，出貨前需要對蔬菜生鮮按照客戶的要求對不同品種的菜品按照質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選，尤其是葉菜類蔬菜，菜葉比較脆弱，很難實(shí)現(xiàn)機(jī)械篩選[4]。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式是需要大量的工作人員同時(shí)進(jìn)行人工操作，將剛采摘的新鮮蔬菜摘除廢葉，抖落根部的泥土雜質(zhì)，同時(shí)完成對蔬菜的梳理，以便進(jìn)行后續(xù)的裝箱或打捆，然后進(jìn)行分裝出售。如此一來工作量巨大，需要?jiǎng)趧?dòng)力較多，效率低下，并且篩選品質(zhì)難以統(tǒng)一進(jìn)行衡量。因此急需一種能夠自動(dòng)篩選整理蔬菜的機(jī)械裝置，在不損壞蔬菜的情況下來提升篩選整理的工作效率。

為了解決葉菜類蔬菜收獲、清理、整理過程中的問題，提高工作效率，降低勞動(dòng)力成本，在智能葉菜類收割機(jī)設(shè)計(jì)中專門設(shè)計(jì)了柔性起伏振蕩梳理機(jī)構(gòu)，用以克服葉菜類嫩脆易損、機(jī)械梳理難度大的技術(shù)難題。本研究通過低頻振蕩機(jī)構(gòu)上下前后運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)偏置簧片柔性接觸葉菜上下前后運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對蔬菜根部戳齊葉片舒展的無損整理功能。

2 總體設(shè)計(jì)

柔性起伏振蕩梳理機(jī)構(gòu)是智能葉菜類收割機(jī)中的一個(gè)重要組成部分。工作中，收割機(jī)通過前端的收割刀將切割下來的葉菜類蔬菜通過傳輸裝置運(yùn)輸?shù)狡鸱袷幨崂頇C(jī)構(gòu)，通過本機(jī)構(gòu)抖落蔬菜根部的泥土雜質(zhì)，同時(shí)通過柔體戳放整理機(jī)構(gòu)完成對蔬菜的梳理，以便進(jìn)行后續(xù)的裝箱或打捆[5-6]。

柔性起伏振蕩梳理機(jī)構(gòu)由起伏振蕩和柔體戳放整理兩個(gè)機(jī)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)兩種功能，機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

2.1 起伏振蕩機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

起伏振蕩機(jī)構(gòu)主要包括振蕩電機(jī)、振蕩底板、振蕩盤和篩板(包括網(wǎng)格板和支架)，網(wǎng)格板的兩側(cè)通過支架固定安裝在所述振蕩盤上表面。

篩板的兩側(cè)間隔均勻設(shè)置有若干轉(zhuǎn)動(dòng)(篩選)攏放升降機(jī)構(gòu)，相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)(篩選)攏放升降機(jī)構(gòu)之間設(shè)有介齒輪，篩板的兩側(cè)均設(shè)有減速電機(jī)，減速電機(jī)與控制器連接。轉(zhuǎn)動(dòng)(篩選)攏放升降機(jī)構(gòu)垂直安裝于振蕩盤上，每一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)(篩選)攏放升降機(jī)構(gòu)均包括轉(zhuǎn)動(dòng)軸桿和轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，減速電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上設(shè)有電機(jī)齒輪，轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪與電機(jī)齒輪嚙合，相鄰的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)(篩選)攏放升降機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪分別與介齒輪嚙合。

轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪固定套裝于轉(zhuǎn)動(dòng)軸桿的下端，轉(zhuǎn)動(dòng)軸桿上設(shè)有軸承，轉(zhuǎn)動(dòng)軸桿通過軸承垂直安裝于振蕩盤上。

振蕩機(jī)構(gòu)還包括與振蕩盤傾斜5°～20°角設(shè)置的振蕩底盤，振蕩底盤和振蕩盤之間由振蕩電機(jī)和振蕩橡膠彈簧支撐，振蕩電機(jī)橫向固定安裝于振蕩底盤上。篩板安裝于振蕩盤上。

振蕩橡膠彈簧內(nèi)部摩擦越大，減振效果好，有利于越過共區(qū)，衰減高頻動(dòng)和噪聲；彈性模量比金屬小得多，可產(chǎn)生較大彈性形變，沒有滑動(dòng)部分，易于保養(yǎng)，質(zhì)量小，安裝和拆卸方便，沖擊剛度高于靜剛度和動(dòng)剛度，有利于沖擊變形。

減速電機(jī)固定安裝在振蕩底盤和振蕩盤之間，更加節(jié)省空間，減速電機(jī)的轉(zhuǎn)軸貫穿所述振蕩盤與電機(jī)齒輪固定連接。

2.2 柔體戳放整理機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柔體戳放整理機(jī)構(gòu)主要包括減速電機(jī)、電機(jī)齒輪、轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪、介齒輪、轉(zhuǎn)動(dòng)軸桿和若干彈簧片組成。彈簧片呈發(fā)散螺旋狀環(huán)繞間隔均勻安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸桿的外圍，彈簧片外圍裝有布套或氣囊，布套柔軟的表面能防止彈簧片直接與蔬菜接觸損傷蔬菜；轉(zhuǎn)動(dòng)軸桿通過軸承垂直安裝在起伏振蕩機(jī)構(gòu)的振蕩盤上。

1.軸套 2.軸套齒輪 3.介齒輪 4.穿布套簧片 5.篩板 6.振蕩盤 7.固定簧片螺絲 8.減速電機(jī) 9.彈簧片 10.軸桿 11.軸承 12.電機(jī)齒輪 13.振蕩電機(jī) 14.振蕩底盤 15.振蕩橡膠彈簧圖1 柔性起伏振蕩梳理機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of flexible undulating vibration carding mechanism

2.3 工作原理

在實(shí)際使用中，振蕩電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率設(shè)定為100～200 r/min以防止振蕩對菜根端的損壞，取放蔬菜的偏置彈簧片對稱布局，彈簧片的兩端上下錯(cuò)落15～30 cm固定，整理后能保持蔬菜根部整齊，并且使得葉片舒展，同時(shí)自行適應(yīng)收割量不同的變化，且在因振蕩盤傾斜角度作用與攏放升降機(jī)構(gòu)同步運(yùn)送蔬菜進(jìn)入下一工序。工作時(shí)，減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)電機(jī)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)齒輪傳動(dòng)給轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪，帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸桿及彈簧片轉(zhuǎn)動(dòng)，其中介齒輪起到傳動(dòng)和同步同向的作用，彈簧片撥動(dòng)葉類蔬菜(開始篩選整理工作)在篩板上做上下及攏緊放松運(yùn)動(dòng)，篩板隨著振蕩機(jī)構(gòu)振蕩，落在篩板上的蔬菜隨之振動(dòng)，將蔬菜的壞葉和雜質(zhì)抖落，通過篩板漏下，剩下的合格蔬菜一邊繼續(xù)隨篩板振蕩，一邊在偏置彈簧片的撥動(dòng)下完成蔬菜根部的對齊工作，然后繼續(xù)隨著振蕩的方向前進(jìn)，移動(dòng)到篩板出料的一側(cè)被收集打包。

3 三維建模

本機(jī)構(gòu)作為智能葉菜類收割機(jī)的重要部分之一，決定了收割后的葉菜類蔬菜的梳理、整理質(zhì)量，也是收集和打捆的重要前提和保障。為了更好地完成后續(xù)樣機(jī)制造，運(yùn)用CATIA軟件，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維仿真建模[7]。參數(shù)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代CAD軟件的核心技術(shù)，目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[8]。利用參數(shù)化設(shè)計(jì)手段可使設(shè)計(jì)人員從大量煩瑣的設(shè)計(jì)、計(jì)算、繪圖工作中解脫出來，提高設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本，增強(qiáng)市場競爭力[9]。在研究中，利用CATIA軟件完成了本機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

柔性起伏振蕩梳理機(jī)構(gòu)的三維建模包括所有零部件的建模、虛擬機(jī)構(gòu)整體的裝配。柔性起伏振蕩梳理機(jī)構(gòu)的建模采用自底向上的方式進(jìn)行，即依據(jù)相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)和尺寸建立起三維模型，然后完成的裝配體建模，按照各零部件之間的裝配及約束關(guān)系進(jìn)行組裝，最后建立虛擬樣機(jī)，如圖2所示。在裝配階段可以根據(jù)干涉結(jié)果分析干涉原因，同時(shí)在虛擬樣機(jī)中進(jìn)一步完成振蕩梳理機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，在產(chǎn)品的試驗(yàn)階段，可以減少對物理原型的依賴，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)成本[10]。

1.電機(jī)齒輪 2.網(wǎng)格板 3.支架 4.穿布套簧片 5.轉(zhuǎn)動(dòng)軸桿 6.振蕩盤 7.振蕩底板 8.轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪 9.介齒輪 10.減速電機(jī) 11.振蕩電機(jī) 12.振蕩橡膠彈簧 13.底板總成 14.轉(zhuǎn)動(dòng)軸桿 15.彈簧片 16.布套圖2 柔性起伏振蕩梳理機(jī)構(gòu)模型Fig.2 Model of flexible undulating vibration carding mechanism

為了能夠更清楚地表達(dá)柔性起伏振蕩梳理機(jī)構(gòu)的工作原理，將其安裝在收割機(jī)模型上，如圖3所示。

圖3 柔性振蕩梳理機(jī)構(gòu)在收割機(jī)上的位置Fig.3 Position of flexible undulating vibration carding mechanism on harvester

4 結(jié)束語

針對蔬菜收割后的處理即振蕩和梳理工作設(shè)計(jì)了柔性起伏振蕩梳理機(jī)構(gòu)，完成了以下工作。

(1)完成了葉菜類蔬菜柔性起伏振蕩梳理機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

(2)闡述了振蕩機(jī)構(gòu)、梳理機(jī)構(gòu)的工作原理。

(3)對機(jī)構(gòu)的零部件進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)及虛擬樣機(jī)裝配。

以上工作為后續(xù)機(jī)器加工和制造奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為類似機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。