基于互补采摘方法的菠萝柔性收割一体化装置设计

王新海，马 瑾，张永军

(陕西国防工业职业技术学院机械工程学院，陕西 西安710300)

0 引言

菠萝味道清香，营养丰富，富含大量的蛋白质、糖类、粗纤维、钙、磷、铁、胡萝卜素、烟酸，以及维生素B1、B2、C等营养元素。菠萝果汁中的菠萝蛋白酶可在胃里分解蛋白质，帮助人体对蛋白质食物的消化和吸收，其深受人们的喜爱，需求量也在逐年增加[1-3]。然而，在菠萝采摘时，菠萝的植株及果实的柄部均有锐刺，叶片呈剑状，并且叶片边缘会长出长而硬的尖刺，采用人工采摘方式时会对采摘人员造成伤害[4-6]。人工采摘菠萝的方式是果农身穿带有防护措施的衣服，手工采摘，然后将菠萝用肩膀挑至固定的地点进行装车，这样的采摘方式过于繁重、效率低、成本高且易受伤[7]。

为降低劳动强度，提高生产效率，菠萝机械化采摘技术及设备的开发势在必行。目前，国内已有很多科研院所进行了菠萝采摘机械化设备的研究，但存在菠萝收割效率较低或收割质量不理想等问题而没有大范围的应用于农户采摘过程中[8-10]。为解决现有问题，本文提出一种互补采摘思路，通过柔性传送方式实现菠萝采摘、收集一体化，可避免传统人工采摘过程中人与菠萝直接接触的问题，利用拨断和切断方式提高菠萝采摘的成功率，设计的多组锯片切断装置可提高采摘效率，柔性传送方式可降低果品的坏果率，提高菠萝采摘质量。

1 互补采摘方法

菠萝以成列的方式进行种植，采摘时，双手紧握生长在莲座状叶丛中心的菠萝顶部叶冠，向一边用力折断后使菠萝与茎部脱落，如果菠萝与颈部的连接强度较大，则需要利用刀片将菠萝与茎部通过切断的方式分离。菠萝收割一体化装置采用互补采摘的方法，即菠萝与茎部脱离是通过折断和切断共同作用的方式实现，对于与颈部连接强度低的菠萝，主要发挥折断机构的作用实现菠萝的采摘，对于连接强度大的则主要发挥切断机构的作用实现菠萝的采摘，2种采摘方式互相作用，确保每个菠萝脱离果茎，从而有效提高菠萝的采摘成功率。

2 总体结构设计

基于互补采摘方法的设计思路，菠萝采摘装置总体结构如图1所示。该装置主要由采摘部分、柔性传送部分、传动系统结构和机架部分等组成。采摘部分由拨叉、拨叉轴、小锯片组和大锯片组等构成。柔性传送部分由V型扶正头、滚筒支撑座、柔性滚筒、传送带和隔板输送带等组成。传动系统由电机、调速控制器、同步带轮、同步胶带、伞齿轮、传动轴、小锯片主轴、大锯片主轴和隔板输送带主轴等组成。机架部分由左支撑板、右支撑板、手把、电机支撑板、车轮和菠萝收集袋组成。

3 关键结构设计

根据设计方案，利用Pro-e软件对各个零部件进行参数化建模，并进行虚拟装配和模拟仿真，菠萝采摘装置模型如图2所示。依据分析仿真模拟结构，最终确定各个部件的合理性与正确性，对电机、齿轮、刀片和传送带等标准件进行选型与采购，并对机架、主轴和传动轴等非标件进行加工，试制了菠萝采摘的样机。自主设计并研制的菠萝采摘试验样机如图3所示。

3.1采摘部分

基于互补采摘技术，避免出现菠萝未被采摘现象，在设计过程中对菠萝采摘装置的采摘部分结构进行了重点分析与设计。采摘部分的核心由拔叉和2组锯片刀头组成，如图4所示，拔叉通过折断方式使菠萝从果茎上脱落，2组锯片刀头利用切割方式使菠萝从果茎上脱落。拨叉固定在拨叉轴上，拨叉轴由菱形轴承座支撑在左右2个支撑板上，拨叉轴上设置由同步胶带轮，当动力通过同步带传递到同步胶带轮上时，拨叉随拨叉轴进行旋转运动。切割机构由2组锯片构成，分别是1组小刀头和1组大刀头，小刀头为2个小锯片，大刀头为2个大刀片，2个小锯片、2个大锯片的旋转中心点组成矩形，如图5所示。小刀头一方面可以减少大刀头的吃刀量，防止大刀头一次吃刀量较大卡住或者磨损过快的现象；另一方面，拨叉在拨断菠萝的过程中，小刀头在起切削作用的同时夹住菠萝茎部，拨叉旋转带动菠萝顶部的叶冠倒向采摘装置时起支撑作用，从而使菠萝脱离。在实际工作过程中，菠萝是在拨叉和2组锯片刀头的组合共同作用下脱离果茎的，从而实现了互补采摘技术。

3.2柔性传送部分

种植在田地的菠萝生长形态各异，不能理论性的排成一列，为了应对复杂的生长现状，菠萝收割装置设计了柔性传送结构，在使菠萝能够正确进入采摘机构的预设位置同时，保证菠萝果皮完好地传送到收集袋中。菠萝采摘装置的柔性传送机构由扶正部分、柔性传送带和隔板传送带等部分组成，如图6所示。扶正部分由2个设置在装置左右支撑板最前方的V型结构矫正器组成，菠萝收割装置工作时，2个由宽变窄的V型矫正器结构扶正倾倒的菠萝，并且将株叶和菠萝剥离开，使菠萝顺利进入后续机构。富有弹性的柔性传送带套在小锯片主轴和大锯片主轴上，菠萝由拨叉拨入2个柔性传送带之间后，随着大、小锯片主轴的旋转，促使菠萝因传送带的伸缩性夹持和向后的旋转力而移动，并且离开柔性传送带而落入隔板传送带中的空档位置，菠萝随着隔板传送带的运动而被输送至收集袋中。

3.3传动系统

传动系统是菠萝采摘装置的重要组成部分，在满足互补采摘方法、柔性传送等机械性能条件下，设计了具有结构紧凑、占用空间小和传动链较短等优点的菠萝采摘装置传动系统，其结构如图7所示。该装置采用无级变速电动机，利用带传动的方式将机械动力传递给拨叉、锯片和隔板传送带等。具体执行方式：电机通过带轮、胶带等将动力传递到大锯片传动轴上，大锯片传动轴轴线与水平线重合，通过伞齿轮将动力传递到大锯片主轴，大锯片主轴轴线为竖直方向，同理，电机的动力可传递到小锯片主轴，电机的动力经大锯片传动轴、小锯片传动轴后通过胶带传动方式传递到拨叉主轴，在2个直齿齿轮的啮合下，传送带的主轴旋转方向与电机相反，目的是保证菠萝能够传送到收集袋中。

3.4机架部分

为了保证菠萝采摘装置可以跨骑在菠萝垄上进行采摘工作，机架由左右2个相同的支撑板模块组成，其左支撑板模块如图8所示，主要包含主板、手把、副板和车轮等。主板上安装有隔板传送带的转动轴和支撑该轴菱形轴承座，副板通过4个螺栓安装在主板上，两者之间保持一定距离的空隙，空隙间设置有胶带轮，安装在副板上的立式轴承用于支撑小锯片和大锯片主轴，拨叉主轴安装在支撑板模块前端上，车轮架固定在支撑板模块的底部，手把安装在支撑板模块的尾部。在2个轮子的辅助下，双手紧握手把可推着菠萝收割装置前进。

4 菠萝采摘试验

4.1收割装置主要参数

根据菠萝的种植特点，由菠萝的尺寸参数倒推设计出2组锯片的切割部分尺寸，第1组2个锯片的直径都是φ=100 mm，第2组2个锯片的直径都是φ=180 mm，传动轴和主动轴等直径为φ=15 mm，采用内孔φ=15 mm的UCFL菱形尼龙塑料带座轴承和UCP立式尼龙塑料带座轴承支撑轴的转动，车轮直径为φ=150 mm，电机参数为15 W单相交流和220 V微型齿轮减速可调速变速马达，装置外轮廓尺寸为65 mm×510 mm×260 mm。

4.2工作方式

当电机开始运转时，双手紧握扶手，电动机的转动提供机器内部运转的动力，动力经由同步胶带轮、同步带、齿轮、轴和轴承等组成的动力传动机构传到装置的各个部分，包括拨叉的旋转运动，滚筒、柔性传送带的转动，切割锯片的旋转运动和隔板传动带的移动。装置跨骑在菠萝垄上，由最前面的2个V型矫正器扶正歪倒的菠萝，并且将菠萝茎部的叶片向两边拨开，以协助后续机构完成采摘任务。经过V型矫正器和滚筒矫正后的菠萝进入拨叉的拨动范围后，拨叉带动菠萝顶部的叶冠进入采摘机构，果实颈部较为脆弱的菠萝直接由拨叉拨断，果实颈部不易折断的菠萝在拨叉和2组锯片的切断下脱离果茎，锯片的主轴上套有柔性传送带，脱落的菠萝在两侧柔性传送带的夹持下继续往隔板传送带处移动。当夹持在柔性传送带的菠萝移动到柔性带的末端时，菠萝掉入隔板传送带的壁板空档处，菠萝随着隔板传送带移动至末端而落入收集袋中，当收集袋装满后，可以将袋子卸下，挂上新的袋子，继续进行菠萝的采摘与收集。

4.3工艺试验

菠萝采摘样机工作性能的优劣程度必须通过试验进行验证，为此通过设计试验方案，采摘的菠萝为单列起垄式种植，株距为320 mm，提前调整好样机的切割高度，并使样机在单列菠萝上采用骑垄式的作业方式。菠萝采摘试验时，分别进行单一切割方式下采摘，单一拨断方式下采摘和互补采摘方式下的采摘试验，各种采摘方式的菠萝总数均为20个。摘断个数指菠萝脱离果茎的数量，且每个菠萝摘断时间超过10 s，则认为采摘失败。入袋个数指脱离果茎的菠萝个数经过柔性传送带成功落入收集袋中的菠萝数目。摘断成功率指摘断个数与试验总数的百分率。入袋成功率指入袋个数与摘断个数的百分率，成功采摘率为入袋个数减去损坏个数之差与试验总数的百分率。统计结果如表1所示。

由试验结果可知，与单一采摘方式相比，利用互补采摘方法不仅可提高菠萝摘断和入袋成功率，而且可以降低果品的损坏率，3种采摘方式下果品损坏情况多为锯片切削刃划伤所致。根据实际采摘过程和结果分析，采用单一拨叉拨断方式，由于锯片未旋转，菠萝容易卡恰在小锯片组合处，从而使拨叉的摘断菠萝成功率较低。采用单一锯片切断方式，由于拨叉未

表1 不同采摘方式下的菠萝试验结果

做向内的旋转运动，菠萝顶部的叶冠缺少了朝向菠萝收购装置尾部的推力，切断后掉的菠萝撒落在地上。采用互补采摘方式，菠萝的摘断率和入袋率有所提高，损坏的菠萝为种植高度不一而使锯片碰撞造成。

5 结束语

基于互补采摘方法，设计了一种多刀头菠萝柔性收割一体化装置，具有结构新颖、紧凑和操作简单等优点。通过拨叉的折断和两组锯片的切断实现了互补采摘方法，避免出现果实未脱离果茎的现象；2组锯片构成的多刀头切割结构减少了1组锯片被果实卡住和易磨损等不足之处；设置在大、小锯片主轴上的柔性传送带降低了在采摘传送过程中损坏果品表面的概率，并进行了相关试验。试验结果表明，菠萝收割一体化装置可以完成菠萝的成功采摘，减轻了株叶对采摘人员的伤害，对取代人工采摘的市场化菠萝采摘设备的开发具有一定的实用价值和借鉴意义。