氣力驅動的黃瓜梗剪切裝置設計與試驗*

張燕軍，吳華昕，蘇偉，張善文，繆宏，戈林泉

(1. 揚州大學機械工程學院，江蘇揚州，225000; 2. 揚州市農業機械技術推廣站，江蘇揚州，225000)

0 引言

黃瓜作為一種常見果蔬，在我國種植面積廣，現今溫室黃瓜種植產量高、質量優，然而主要采摘方式仍為人工采摘，存在工作環境較差、人工成本高等問題。因此實現溫室黃瓜機械化采摘已成為必然趨勢。

國外學者從機械化采摘角度出發，對果蔬農作物莖稈的切割做了一定研究與試驗，其中包括對油菜、葵花梗、大麻等農作物的剪切力和彎曲特性進行的切割試驗，并且發現濕度、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，在國內針對不同果蔬農作物莖稈切割力方面的研究也有了一定進展。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、苧麻的果梗莖稈進行了單因素切割試驗，結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特性研究中，對谷子莖稈進行了不同收獲時間的單因素切割試驗，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，表明莖稈的機械物理性質的變化對切割力也有較大影響。

目前黃瓜采摘機械裝置的研究主要集中在視覺識別系統的研究與力臂的動力學分析與優化，由于采摘效率低，黃瓜梗切割速度慢，黃瓜采摘機械裝置仍停留在試驗機階段[16-19]。而針對黃瓜的瓜梗切割試驗研究未見報道。為此，本文設計了黃瓜梗剪切裝置，并對其進行了靜力學分析與動力學仿真，揭示了在剪切中刃口傾角、削切角、斜切角等參數對黃瓜梗剪切效果的影響，根據試驗數據確定了氣力驅動的黃瓜梗剪切裝置參數，可為黃瓜智能化采摘提供重要參考。

1 氣力驅動的剪切裝置設計

1.1 裝置結構設計

氣力驅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。

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

圖1 鉸鏈彈簧聯動式氣動剪切裝置結構圖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 氣力驅動的剪切裝置樣機Fig. 2 Prototype of pneumatic driven shearing device

本氣動剪切裝置的設計參數如表1所示，外殼總長度為120 mm，外徑為40 mm，內徑為36 mm，在殼體內部設計了一個彈簧擋板，且活塞邊緣與殼體內腔貼合。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，可提高彈簧強度。當進氣壓力為0.1 MPa時，氣動剪切裝置刀具可完全緊閉。

彈簧圈數

(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，10.18 N/mm。

經計算彈簧圈數n=7。

彈簧節距

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°，計算得出節距p=8.6 mm。

彈簧的自由高度

H0≈pn+(1.5～2)d

(3)

經計算彈簧的自由高度H0為70 mm。

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

1.2 氣動控制回路設計

氣動控制回路如圖3所示。為提升試驗的可控性，在氣源直接連接處設置氣源直連開關S1，實現對氣源的實時開閉控制。針對氣源處控制進氣壓力較難的問題，采用IR精密減壓閥L1，對進氣壓力進行控制。設置流量控制開關S2，實現對減壓閥與剪切裝置A1的連接、控制與保護。為保證排氣安全，設置排氣開關S3，在非排氣狀態時處于常閉狀態，而保護開關S4開關處于常開狀態，當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 氣動試驗裝置連接示意圖Fig. 3 Pneumatic test device connection diagram

1.3 裝置靜力學分析

將圖1簡化為平面連桿機構簡圖，如圖4所示。

圖4 鉸鏈彈簧聯動式氣動剪切裝置連桿機構簡圖Fig. 4 Connecting rod mechanism diagram of hinge spring linkage pneumatic shear device

要實現氣動剪切裝置的開合，首先要使d1>d2，且當刀具閉合的時候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——氣動壓力，MPa；

s——受力面積，m2；

k——彈性系數，kgf/mm；

x——彈簧形變量，mm。

活塞推動鉸鏈機構，使刀刃閉合，由于兩刀刃對稱，可知單側刀刃所具有的推力

(6)

當刀刃運動閉合時，鉸鏈對單側刀刃有控制回拉的力F4，與垂直方向的推力F3的關系為

(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)

剪切裝置為雙側對稱運動，因此在針對鉸鏈彈簧聯動式氣動剪切裝置的靜力學理論分析中，只對裝置的單側進行分析。

1.4 裝置動力學仿真

利用Adams軟件對該裝置進行動力學分析。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，設置恒定速度下驅動參數為活塞桿速度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)，彈簧力達到105 N時刀具完全閉合，此時氣動力大于等于彈簧力，進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，同時也為后續剪切試驗提供了初始狀態輸入氣動力的值；彈簧壓縮量如圖5(b)所示，刀具開合的1 s內，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

2.1 試驗材料選取

黃瓜一年內可以種植兩茬，試驗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，不宜放置時間太久，會導致瓜梗直徑與含水率發生變化，影響試驗結果，在試驗中由于頭部的含水率與直徑降低速度較快，因此在試驗中選取瓜梗中部約20 mm處進行剪切試驗，作為試驗樣本。

2.2 試驗方法

對測量后的黃瓜進行剪切試驗，按成熟度分組并記錄試驗數據，并且對數據進行分析。在黃瓜梗剪切中，使用不同的刃口傾角、斜切角、削切角對黃瓜梗進行剪切試驗。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進行試驗，每個參數完成3次試驗，記錄試驗數據，并取平均值。用IR減壓閥控制每次的進氣量，初始氣動力從0.1 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

氣動裝置試驗方法：將空氣壓縮機充滿，打開流量開關S1，調整減壓閥L1數值為0.1 MPa，打開流量開關S2，再次調整減壓閥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，關閉流量開關S2打開流量開關S3，打開減壓閥L2控制并降低排氣壓力，排出多余氣體，關閉流量開關S3，進行下一次試驗。

2.2.1 刃口傾角試驗方法

使黃瓜豎直自然下垂，刀具刃口垂直于瓜梗，使用偏角為0°的刀具對黃瓜梗進行剪切，在刀刃上進行標注如圖6(a)所示，本文中刃口傾角是根據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記紅點，此標記做為黃瓜梗與刀刃之間的切點，手動閉合控制刀刃至臨界位置時，通過萬能角度儀進行測量，得出刃口傾角。從刀頭尖部每隔3 mm 標注紅線，可得出不同大小的刃口傾角，并且按角度從小到大編號，按照所標注的順序進行剪切，每個編號視為一個組，記錄每組數據，數據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，在黃瓜上選取數顯儀90°的位置，將數顯儀與黃瓜固定，以刀刃與黃瓜梗的切點為圓心，調整黃瓜位置，達到目標角度，此時數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，調節減壓閥，設置初始氣壓為0.1 MPa，打開流量閥開關進行剪切，然后利用調壓閥調節氣壓慢速勻速轉動調壓閥逐漸增加壓力。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，記錄每組數據，數據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.數顯傾角儀

2.2.3 斜切角試驗方法

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。在試驗中，為了試驗的精準與高效，使用斜切角不同的四種刀刃對黃瓜梗進行剪切如圖8所示，斜切角分別為0°、15°、30°、45°。調節減壓閥，設置初始氣壓為0.1 MPa，打開流量閥開關進行剪切，然后利用調壓閥調節氣壓勻速轉動調壓閥緩慢增加壓力。試驗中存在一定誤差，因此每個角度為一組，每組切割3次，記錄每組數據，數據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 試驗結果與分析

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入迅速生長階段，其瓜梗飽滿且含有水分，較容易剪切；進入成熟中期(開花兩周左右)瓜梗直徑均值約為6.98 mm，此時期黃瓜生長進入到峰值，瓜梗中的含水量達到峰值，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，含水量降低，纖維管束生長的韌性越來越強，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果如表2所示，當刃口傾角為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，增強了刀具的切割能力。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生的偏差，主要由于剪切中存在滑切角，滑切角的產生與被剪切物體和刀刃的相對運動有關。由于瓜梗的表面粗糙程度與韌性各異，對相對運動有一定影響，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，只有當刀刃與維管束垂直時所需壓力較小。在剪切試驗中當削切角較大時，刀刃與瓜梗接觸面變大，壓強減小，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，削切角為0°時每個成熟時期所需的氣動力最低，因此當削切角為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準偏差總體增大，當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果如表4所示，當斜切角為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 斜切角試驗記錄表Tab. 4 Bevel angle test record

由于黃瓜梗表皮纖維密集，瓜梗強度主要由表皮、機械組織和維管束來承擔，薄壁組織起連接和傳遞載荷的作用，藤蔓的機械組織越發達，表皮越厚，維管束越多，瓜藤抵抗外力的能力越強，因此剪切黃瓜梗，主要是對黃瓜梗中維管束和機械組織的切割。由圖12可知，當斜切角為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計了一種氣力驅動的黃瓜梗剪切裝置，并利用該裝置進行了剪切試驗，得出裝置的最佳參數，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、不同斜切角等參數對黃瓜梗剪切效果的影響進行研究得到以下結論。

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峰值，經過一段時間生長，黃瓜瓜梗的含水率逐漸降低，纖維強度增強，且中心逐漸形成孔狀，剪切較難。

2) 當刃口傾角為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，當刃口傾角為26°時所需的氣壓壓力較小，剪切效果較好。

3) 當削切角為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。當削切角為0°時所需氣壓壓力較小，剪切效果較好。

4) 當斜切角在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。當斜切角為15°時所需的氣壓壓力較小，剪切效果較好。