跨越式菠蘿采摘車機械結構設計研究

[摘要】針對人工采摘菠蘿勞動強度高、采摘效率低、易受傷的特點，設計了一款菠蘿采摘車。本文對跨越式菠蘿采摘車機械結構的總體設計方案進行了說明，并詳細闡述了收割機構、傳送機構的設計，對加速推進菠蘿機械化采摘有較好的借鑒意義。[關鍵詞]菠蘿采摘;采運一體化;農機設備;機械結構設計

由于農業種植結構的調整，菠蘿產業受到了國內外的廣泛關注，菠蘿表皮較硬、較厚且帶有刺結瘤，通常采用產量較高的雙行種植法種植，一般行距在500～1000mm，株距在300 - 350mm.果實集中在5-7月成熟[1]。果實采摘時，為避免損傷，應保留20mm左右果柄，采收全過程要輕采、輕放，不要損傷果皮。要實現菠蘿的機械化采摘，需要解決跨地壟、刀具位置可調、密種植收割等關鍵技術。國外發達國家，如美國、日本、德國、法國等國家基本上實現了菠蘿采摘機械化，其菠蘿采摘機械可以實現大面積采摘，但由于其售價高昂，大面積引入不符合中國實際國情[2]。中國農科院、研究所、企業、農戶都曾嘗試改進菠蘿采摘機械，并研發了十幾款菠蘿采摘機械產品，由于關鍵技術和地域適應性的限制，目前還沒有菠蘿采摘機械產品得到廣大果農的認可。將車架、收割機構、輸送機構、收集箱和控制機構集于一體的全新采摘車，將傳統的菠蘿切割、收集、運輸合三為一，簡單方便，一人就可實現操作。

1 跨越式菠蘿采摘車的總體設計方案

結合實際的農業采摘需求，設計的菠蘿采摘車主要結構包括車架、收割機構、輸送機構、收集箱和控制機構等，具體見圖1。收割機構由傳動機構和切割機構組成，其中傳動機構由電動機、伸縮桿、卷揚、滑塊、絲杠和光杠組成，切割機構由導入擋片、鋸盤、同步帶、V字帶、底座和高速電動機組成;輸送機構由輸送帶和柵格板組成;車架由方管拴接成長方體形狀，底部安裝4個橡膠車輪，其中后輪為變向輪。收割機構中的伸縮桿下端用螺栓同定在底座上，上端固定在滑塊上，滑塊與絲杠和光杠連接，絲杠一端通過聯軸器與電機相連，光杠兩端和絲杠另一端用螺栓固定在車架上。電動機與卷揚通過聯軸器連接，用螺栓固定在滑塊上。輸送帶支架用螺栓固定在車架上，4塊柵格板用螺釘固定在橡膠帶上，1塊柵格板用螺栓固定在底座上。收集箱用螺栓固定在車架上。

2 跨越式菠蘿采摘車結構設計

2.1 收割機構

為確保菠蘿采摘車可以準確對準植株莖部，避免損傷果實，在設計過程中對收割機構展開了重點的設計與實現。收割機構由切割機構和位置控制機構組成見圖2，使用絲杠和卷揚機構實現切割鋸盤XY兩自由度的移動[3]。收割機構的縱向移動通過伸縮桿的伸縮來實現，伸縮桿的伸縮通過卷揚機構實現。收割機構的橫向移動通過一組光杠和絲杠組成見圖3，收割機構的前后移動，用小車的前后移動代替[4]。

收割機構中最為關鍵的是切割機構，具體見圖4。切割機構主要由導入擋片、鋸盤組成，固定在底座上，鋸盤[l]一個高速電動機驅動，高速電動機與鋸盤之間靠同步帶傳動，高速電動機位于整個切割機構的最底端，且前面有一個擋板，避免存在安全隱患。調整收割機構的位置后便可進行菠蘿的采摘，首先由菠蘿莖進入導入擋片，隨著小車的前進，菠蘿莖接觸鋸盤，控制切割位置在菠蘿與莖的接觸位置以下30mm左右，小車繼續前進，菠蘿便會被鋸盤切下。

2.2 傳送機構

為確保被切割的菠蘿能及時運走，避免影響切割下一個菠蘿，重點設計了傳送機構，具體見圖5。為了進一步提升該農機設備的空間緊密性，降低農機設備的重量，傳送機構采用了V字帶以及帶柵格板的輸送帶[5]。菠蘿被鋸盤切割后由V字帶輸送到一個柵格板上，再由輸送機構上的柵格板把菠蘿輸送到收集箱里。

2.3車架

在田地應用時，地形復雜且菠蘿植株形態各異，為了應對復雜的使用環境，設計了靈活可變、方便省力的車架。菠蘿采摘車的車架為一個長方體，前后各有兩條車腿，腿下有輪，以保證采摘車可以跨在菠蘿壟上進行采摘。菠蘿采摘車的車腿由兩根直徑不等的鋼管構成，內部較細鋼管上均布隔距lOOmm、直徑60mm的小孔，外部較粗鋼管上有一個直徑為8mm的小孔，通過螺栓固定相對位置，實現車腿高度的調節，使菠蘿采摘車適應不同高度植株的采摘，可調范圍為1000～1600mm[6]。

3 跨越式菠蘿采摘車的參數選定

3.1 車架的參數

根據菠蘿地的行距尺寸：大行為1000～1 200mm，小行300 - 500mm，株距300～350mm，株高600～11OOmm，設計菠蘿采摘車的尺寸為寬1 000mm、長1200mm。

車腿是伸縮桿結構，內桿選25×25mm的方管，外桿選30×30mm方管，兩方管用M6的螺拴進行連接。高度可調區間為1000～1600mm。

當收集裝置收集滿時，整個菠蘿采摘車約重40kg，假設其重50kg，螺栓共有4組，對螺栓進行強度校核，選用M6螺栓符合工作條件[7]。

3.2收割機構的參數

在收割機構巾，根據菠蘿的尺寸選V字帶的長度為400mm，寬度為150mm，經過計算和驗證，符合使用條件。鋸盤直徑選80mm，因為大部分菠蘿莖的直徑不超過40mm。

光杠絲杠的可調范圍為相對于中間位置左右各可調250mm，這取決“于輸送裝置的大小，輸送裝置寬500mm，為了與輸送裝置配合，規定了傳動機構橫向傳動的范圍。

根據菠蘿采摘車的高度，保證在株高范圍600～1lOOmm任意高度可調，縱向可調范圍為300～500mm。

對縱向傳動機構中長200mm、直徑8mm的軸進行校核。已知電動機的轉速n=8lr/min，功率P=12.72W，軸傳遞的轉矩T=1 500N.mm，軸的材料為45調質，許用彎曲應力[σ] =60MPa，計算軸的最小直徑，取A0=112，則：6.048。因為8mm>6.048mm，所以直徑8mm軸符合強度要求[8]。

3.3傳送裝置的參數

為r保證輸送裝置能將菠蘿順利輸送到收集箱中，其需要合適的長度與寬度，菠蘿的直徑為100- 160mm，兇為菠蘿會倒在輸送機構的柵格板上，要保證柵格板長度大于菠蘿半徑，設計尺寸為120mm，大于80mm，符合運輸要求[9-10]。

為了配合收割機構，輸送機構寬-5OOmm、長700mm。菠蘿植株在切掉菠蘿后的高度為400 -850mm，而輸送機構距地面高度由車架高度決定，區間為350 - 850mm，與菠蘿莖高度區間相近且略大于。

4 結論

跨越式菠蘿采摘車的設計對農業生產巾采摘環節效率的提升有著重要的意義。本文設計的跨越式菠蘿采摘車，主要包含車架、收割機構、輸送機構、收集箱和控制機構等。其將傳統的菠蘿切割、收集、運輸合三為一，簡單方便?？缭绞讲ぬ}采摘車參加2017年遼寧省機械設汁創新大賽，榮獲遼寧省一等獎，效果良好，希望能為新農業的發展提供一份借鑒。

參考文獻

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