跨越式菠萝采摘车机械结构设计研究

[摘要】针对人工采摘菠萝劳动强度高、采摘效率低、易受伤的特点，设计了一款菠萝采摘车。本文对跨越式菠萝采摘车机械结构的总体设计方案进行了说明，并详细阐述了收割机构、传送机构的设计，对加速推进菠萝机械化采摘有较好的借鉴意义。[关键词]菠萝采摘;采运一体化;农机设备;机械结构设计

由于农业种植结构的调整，菠萝产业受到了国内外的广泛关注，菠萝表皮较硬、较厚且带有刺结瘤，通常采用产量较高的双行种植法种植，一般行距在500～1000mm，株距在300 - 350mm.果实集中在5-7月成熟[1]。果实采摘时，为避免损伤，应保留20mm左右果柄，采收全过程要轻采、轻放，不要损伤果皮。要实现菠萝的机械化采摘，需要解决跨地垄、刀具位置可调、密种植收割等關键技术。国外发达国家，如美国、日本、德国、法国等国家基本上实现了菠萝采摘机械化，其菠萝采摘机械可以实现大面积采摘，但由于其售价高昂，大面积引入不符合中国实际国情[2]。中国农科院、研究所、企业、农户都曾尝试改进菠萝采摘机械，并研发了十几款菠萝采摘机械产品，由于关键技术和地域适应性的限制，目前还没有菠萝采摘机械产品得到广大果农的认可。将车架、收割机构、输送机构、收集箱和控制机构集于一体的全新采摘车，将传统的菠萝切割、收集、运输合三为一，简单方便，一人就可实现操作。

1 跨越式菠萝采摘车的总体设计方案

结合实际的农业采摘需求，设计的菠萝采摘车主要结构包括车架、收割机构、输送机构、收集箱和控制机构等，具体见图1。收割机构由传动机构和切割机构组成，其中传动机构由电动机、伸缩杆、卷扬、滑块、丝杠和光杠组成，切割机构由导入挡片、锯盘、同步带、V字带、底座和高速电动机组成;输送机构由输送带和栅格板组成;车架由方管拴接成长方体形状，底部安装4个橡胶车轮，其中后轮为变向轮。收割机构中的伸缩杆下端用螺栓同定在底座上，上端固定在滑块上，滑块与丝杠和光杠连接，丝杠一端通过联轴器与电机相连，光杠两端和丝杠另一端用螺栓固定在车架上。电动机与卷扬通过联轴器连接，用螺栓固定在滑块上。输送带支架用螺栓固定在车架上，4块栅格板用螺钉固定在橡胶带上，1块栅格板用螺栓固定在底座上。收集箱用螺栓固定在车架上。

2 跨越式菠萝采摘车结构设计

2.1 收割机构

为确保菠萝采摘车可以准确对准植株茎部，避免损伤果实，在设计过程中对收割机构展开了重点的设计与实现。收割机构由切割机构和位置控制机构组成见图2，使用丝杠和卷扬机构实现切割锯盘XY两自由度的移动[3]。收割机构的纵向移动通过伸缩杆的伸缩来实现，伸缩杆的伸缩通过卷扬机构实现。收割机构的横向移动通过一组光杠和丝杠组成见图3，收割机构的前后移动，用小车的前后移动代替[4]。

收割机构中最为关键的是切割机构，具体见图4。切割机构主要由导入挡片、锯盘组成，固定在底座上，锯盘[l]一个高速电动机驱动，高速电动机与锯盘之间靠同步带传动，高速电动机位于整个切割机构的最底端，且前面有一个挡板，避免存在安全隐患。调整收割机构的位置后便可进行菠萝的采摘，首先由菠萝茎进入导入挡片，随着小车的前进，菠萝茎接触锯盘，控制切割位置在菠萝与茎的接触位置以下30mm左右，小车继续前进，菠萝便会被锯盘切下。

2.2 传送机构

为确保被切割的菠萝能及时运走，避免影响切割下一个菠萝，重点设计了传送机构，具体见图5。为了进一步提升该农机设备的空间紧密性，降低农机设备的重量，传送机构采用了V字带以及带栅格板的输送带[5]。菠萝被锯盘切割后由V字带输送到一个栅格板上，再由输送机构上的栅格板把菠萝输送到收集箱里。

2.3车架

在田地应用时，地形复杂且菠萝植株形态各异，为了应对复杂的使用环境，设计了灵活可变、方便省力的车架。菠萝采摘车的车架为一个长方体，前后各有两条车腿，腿下有轮，以保证采摘车可以跨在菠萝垄上进行采摘。菠萝采摘车的车腿由两根直径不等的钢管构成，内部较细钢管上均布隔距lOOmm、直径60mm的小孔，外部较粗钢管上有一个直径为8mm的小孔，通过螺栓固定相对位置，实现车腿高度的调节，使菠萝采摘车适应不同高度植株的采摘，可调范围为1000～1600mm[6]。

3 跨越式菠萝采摘车的参数选定

3.1 车架的参数

根据菠萝地的行距尺寸：大行为1000～1 200mm，小行300 - 500mm，株距300～350mm，株高600～11OOmm，设计菠萝采摘车的尺寸为宽1 000mm、长1200mm。

车腿是伸缩杆结构，内杆选25×25mm的方管，外杆选30×30mm方管，两方管用M6的螺拴进行连接。高度可调区间为1000～1600mm。

当收集装置收集满时，整个菠萝采摘车约重40kg，假设其重50kg，螺栓共有4组，对螺栓进行强度校核，选用M6螺栓符合工作条件[7]。

3.2收割机构的参数

在收割机构巾，根据菠萝的尺寸选V字带的长度为400mm，宽度为150mm，经过计算和验证，符合使用条件。锯盘直径选80mm，因为大部分菠萝茎的直径不超过40mm。

光杠丝杠的可调范围为相对于中间位置左右各可调250mm，这取决“于输送装置的大小，输送装置宽500mm，为了与输送装置配合，规定了传动机构横向传动的范围。

根据菠萝采摘车的高度，保证在株高范围600～1lOOmm任意高度可调，纵向可调范围为300～500mm。

对纵向传动机构中长200mm、直径8mm的轴进行校核。已知电动机的转速n=8lr/min，功率P=12.72W，轴传递的转矩T=1 500N.mm，轴的材料为45调质，许用弯曲应力[σ] =60MPa，计算轴的最小直径，取A0=112，则：6.048。因为8mm>6.048mm，所以直径8mm轴符合强度要求[8]。

3.3传送装置的参数

为r保证输送装置能将菠萝顺利输送到收集箱中，其需要合适的长度与宽度，菠萝的直径为100- 160mm，凶为菠萝会倒在输送机构的栅格板上，要保证栅格板长度大于菠萝半径，设计尺寸为120mm，大于80mm，符合运输要求[9-10]。

为了配合收割机构，输送机构宽-5OOmm、长700mm。菠萝植株在切掉菠萝后的高度为400 -850mm，而输送机构距地面高度由车架高度决定，区间为350 - 850mm，与菠萝茎高度区间相近且略大于。

4 结论

跨越式菠萝采摘车的设计对农业生产巾采摘环节效率的提升有着重要的意义。本文设计的跨越式菠萝采摘车，主要包含车架、收割机构、输送机构、收集箱和控制机构等。其将传统的菠萝切割、收集、运输合三为一，简单方便。跨越式菠萝采摘车参加2017年辽宁省机械设汁创新大赛，荣获辽宁省一等奖，效果良好，希望能为新农业的发展提供一份借鉴。

参考文献

[1]濮良责，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]于骏一，邹青，机械制造技术基础[M].北京：机械工业出版社，2013.

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[4]金嘉琦.几何量精度设计与检测[M].北京：机械工业出版社，2012.

[5]范仲先，温室菠萝栽培技术要点[J].资源开发与市场，2000 （4）：56-57.

[6]赵军平.国内外农机装备发展现状及发展趋势[J].河北农机，2012（2）：12-14.

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[8]寇明赟，颜鲁薪，基于Sol idworks软件的太阳能炒酸奶机箱体 结构设计[J].粮食科技与经济，2018 （12）：102-103.

[9]赵强，赵辉，于嘉琦，等.水果采摘机联结轴的理论设计[J]. 农机使用与维修，2018 （11）：19-20.

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