徐勤超，陳紅，潘海兵，李善軍

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢430070）

0 引 言

塑料發(fā)泡網(wǎng)套能有效降低運輸過程中球形水果發(fā)生機械損傷的概率，而且材料成本低[1-3]。目前市場上幾乎沒有水果網(wǎng)套自動包裝的機器。蘋果、臍橙等球形水果的網(wǎng)套包裝只能通過人工的方式進行。而人工包裝勞動強度大，效率低，不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要[4-5]。為了解決這一問題，急需研制一種能對蘋果、臍橙等球形水果進行自動快速網(wǎng)套包裝的機器。

國外在果蔬包裝機械方面研究起步較早，設(shè)備大多針對多種對象進行包裝，自動化程度比較高，速度快，而且維修方便[6-15]。而國內(nèi)果蔬包裝設(shè)備的研究起步較晚，其技術(shù)含量也在逐漸提高，自動化趨勢愈加顯著[16-24]。趙寧等[25]設(shè)計了一種球形水果自動包裝機，采用“水平送料，長卷包裝，橫縱封口”的包裝技術(shù)，可以實現(xiàn)普通卷筒膜的自動制袋、高質(zhì)薄膜的單個封口功能，智能化程度較高。李如虎等[26]設(shè)計了一套對柚子進行清洗、分級和包裝的自動包裝生產(chǎn)線，可實現(xiàn)全過程自動化處理。2016年由江西綠萌科技有限公司生產(chǎn)一種XB-3220 大型水果自動包裝機，其優(yōu)點是既能對水果進行套袋包裝，也可以對水果進行套網(wǎng)包裝，但是套網(wǎng)包裝連續(xù)性較低，包裝效果差。

本文在分析蘋果和臍橙生物力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，提出了一種柔性擴膜錐體擴膜、倒刺卡筒下膜的包裝工藝方案，確定了關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計了部件組合運行控制時序，并加工了試驗樣機，樣機機構(gòu)設(shè)計合理性。

1 球形水果網(wǎng)套包裝機的組成與工作原理

1.1 球形水果網(wǎng)套包裝機的組成

球形水果網(wǎng)套包裝機外形尺寸為800 mm×526 mm×1 240 mm，采用步進電機驅(qū)動，滾珠絲杠和同步帶線性模組傳動。其主要由主機架、網(wǎng)套膜轉(zhuǎn)盤、進料裝置、下膜裝置、擴膜裝置、切膜裝置和出料滑道等部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1。

主機架由40 mm×40 mm×3 mm 的方管焊接而成，其他部件通過螺栓連接固定在機架上。擴膜錐體固定在豎直固定在滾珠絲杠滑臺上；倒刺下膜卡筒、托盤、水果分離裝置相互固連，整體構(gòu)成懸臂結(jié)構(gòu)，由滾珠絲杠滑臺驅(qū)動；夾子與舵機相連，舵機可帶動夾子夾緊與閉合；推切機構(gòu)固定在水平滾珠絲杠滑臺上。動作部件的位置控制通過固定在機架上的霍爾傳感器實現(xiàn)。

1.2 球形水果網(wǎng)套包裝機的工作原理

球形水果網(wǎng)套包裝機啟動前，夾子處于張開狀態(tài)，擴膜錐體在上止點并支撐擴膜圓柱筒，下膜卡筒和托盤在上止點。開啟機器，下膜卡筒、托盤向下運動，下膜卡筒內(nèi)壁的倒刺勾住網(wǎng)套沿下膜卡筒和擴膜錐體運動，托盤向下運動到下止點時，水果從分離裝置進入托盤。夾子閉合，夾住網(wǎng)套及擴膜圓柱筒，擴膜錐體下降從擴膜圓柱筒下端移出。托盤將水果托送至擴膜錐體內(nèi)的固定位置，同時下膜卡筒向上復(fù)位。擴膜錐體下降，由于錐片為柔性材料，水果撐開錐體進入網(wǎng)套中。推切機構(gòu)向右運動，電熱絲切斷網(wǎng)套，已包好的水果順勢沿滑道滑出。最后，擴膜錐體復(fù)位，運動至擴膜圓柱筒孔中，支撐擴膜圓柱筒，夾子張開。具體包裝工藝流程如圖2。

圖1 球形水果網(wǎng)套包裝機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural of spherical fruit netting packaging machine

圖2 球形水果網(wǎng)套包裝工藝流程Figure.2 Package process for for spherical fruit

2 包裝機關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 球形水果力學(xué)特性分析

為了確定網(wǎng)套包裝機，利用高度尺（量程為0～250 mm，精度為0.02 mm）對市場上隨機選取的30 個紅富士蘋果樣品和30 個贛南臍橙樣品的果徑、果高進行了測量。結(jié)果表明，臍橙樣品的果高主要分布在80～100 mm區(qū)間范圍內(nèi)，最大值為118.22 mm；果徑主要分布在75～85 mm 之間，最大值為90 mm；蘋果樣品果高主要分布在77～83 mm 范圍內(nèi)，最大值86.56 mm，果徑主要分布在75～87 mm 范圍內(nèi)，最大為95 mm。因此，樣機設(shè)計主要針對果徑范圍為75～95 mm范圍內(nèi)的球形水果。

利用TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀（精度為0.01N）對樣品的力學(xué)性能進行了測量[27]，部分結(jié)果如圖3。通過測量，蘋果樣品的平均硬度為18.1N，最大不超過20N，臍橙擠壓的屈服力在200-400N 范圍內(nèi)，臍橙樣品平均硬度為342.4N。因此網(wǎng)套包裝機對蘋果和臍橙作用力應(yīng)小于其硬度要求。

2.2 擴膜錐體設(shè)計

擴膜錐體的主要作用是支撐擴膜圓柱筒、引導(dǎo)網(wǎng)套下膜、擴張網(wǎng)套。擴膜錐體結(jié)構(gòu)設(shè)計為底座和錐片，具體結(jié)構(gòu)如圖4。

圖3 測量載荷位移曲線Fig.3 Force and displacement curves

圖4 擴膜錐體結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structure of expandable cone

為了保證水果能從錐片中穿出，擴膜錐片必須具有一定柔韌性。因此把錐片的變形簡化為細(xì)長懸臂梁，并對其撓曲變形進行分析。球形水果在向上運動過程中始終與錐片相切，對錐片的正壓力FN垂直于錐片，如圖5a。

由于要保證水果不發(fā)生擠壓損傷，極限正壓力FN應(yīng)在水果屈服極限范圍內(nèi)。取極限正壓力作用在錐片頂部進行計算。錐片上任一點的撓度w（x）計算為：

式中E 為錐片材料的彈性模量，MPa；I 為錐片材料的慣性矩，m4；l為錐片的長度，m；x為錐片上任意點到固定端的距離，m。

圖5 擴膜過程Fig.5 Expansion of foam net

球形水果被推出擴膜錐體時（圖5b）。錐片頂部的最大變形量WB為：

式中RA為球形水果的半徑，m；R2為擴膜錐體頂面的半徑，

R1為擴膜錐體底面的半徑，m；h為擴膜錐體高度，m；a為錐片傾斜的角度，rad。

當(dāng)球形水果半徑RA，擴膜錐體底面半徑R1和擴膜錐體高度h確定時，通過式（1）～式（4）建立錐片傾斜角度和錐片材料參數(shù)之間的關(guān)系。通過設(shè)計計算確定擴膜椎體底面直徑為100 mm，頂面直徑為50 mm，錐體的高度為110 mm，8片錐片材料為0.3 mm不銹鋼。

2.3 擴膜圓柱筒設(shè)計

擴膜圓柱筒是包裝機實現(xiàn)的關(guān)鍵部件之一，主要將扁平的網(wǎng)套膜擴開，同時是網(wǎng)套膜向下運動時附著的載體，具體結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 擴膜圓柱筒簡圖Fig.8 Foam nets expanding cylinder

在下膜過程中擴膜圓柱筒是由擴膜錐體伸進圓柱臺支撐的，錐片必須承受整個圓柱筒的重力以及下膜過程中網(wǎng)套膜與圓柱筒的摩擦力作用。由于錐片的撓性設(shè)計，因此必須對錐片的承受能力進行校核，才能保證擴膜圓柱筒的穩(wěn)定性。

下膜時圓柱筒重量及網(wǎng)套膜與圓柱筒的摩擦力作用在錐片上，且該力由錐體的8片不銹鋼片共同承受，錐片材料屬性參考文獻[28-29]。由于蘋果樣品最大硬度不超過20 N，所以作用在膜片上的力也應(yīng)小于20 N。在作用力為20 N 時，對擴膜圓柱筒的穩(wěn)定性進行分析。采用有限元分析軟件ANSYS進行計算，擴膜錐體的應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果如圖7。

圖7 擴膜錐體應(yīng)力應(yīng)變圖Fig.7 Stress and deformation of expandable cone

結(jié)果顯示，在作用力為20 N時，應(yīng)力均勻分布在8片不銹鋼上，且在支撐鐵片與圓臺基體結(jié)合部位應(yīng)力最大，276.8 Pa遠(yuǎn)小于材料的屈服強度，而最大變形量在錐片頂部,為0.03 mm，能夠支撐整個圓柱筒，保證圓柱筒的穩(wěn)定。

圖8 推切裝置示意圖Fig.8 Punching device

2.4 下膜卡筒裝置設(shè)計

下膜卡筒主要是將寬度為7 cm的成卷網(wǎng)套沿著擴膜圓柱筒向下拉動，到達擴膜錐體的指定位置時，完成下膜功能。同時在卡筒復(fù)位過程中，卡筒與膜脫離，不會帶動膜運動。因此，下膜卡筒設(shè)計為帶有倒刺的內(nèi)圓柱形狀。根據(jù)擴膜圓柱筒套網(wǎng)套后的寬度確定下膜卡筒倒刺刺尖所組成的內(nèi)包絡(luò)線的直徑為68 mm。根據(jù)網(wǎng)套孔距的大小確定倒刺距軸向距離為15 mm，根據(jù)圓周方向的網(wǎng)孔數(shù)確定卡通內(nèi)壁一圈倒刺個數(shù)為16個，共設(shè)置4圈，其高度為80 mm，內(nèi)圈直徑為76 mm。

2.5 推切裝置

推切裝置的作用是將連續(xù)的網(wǎng)套包裝膜按水果包裝大小切斷，并將包裝好的球形水果連同網(wǎng)套膜一起推出托盤。推切裝置主要由電熱絲、側(cè)推架、底座、連接架和同步帶滑臺組成。同步帶滑臺帶動推切裝置做往復(fù)直線運動，電熱絲負(fù)責(zé)切斷連續(xù)的網(wǎng)套膜，側(cè)推架則將包裝有網(wǎng)套膜的水果推出托盤，電熱絲安裝架兩內(nèi)側(cè)邊距離為110 mm，電熱絲距離U形推板80 mm，具體結(jié)構(gòu)如圖8。

電熱絲的選擇直接影響到發(fā)泡網(wǎng)套的切割效果，為了有效的切割發(fā)泡網(wǎng)套，電熱絲的溫度必須滿足發(fā)泡網(wǎng)套的切割溫度。電熱絲的切割溫度T2為：

式中T1為電熱絲初始溫度值，℃；Q 為電熱絲產(chǎn)生的熱量，J；m 為電熱絲的 質(zhì) 量，kg；c 為電熱 絲比熱容，J/(kg·℃)。

由歐姆定律可知，電熱絲的發(fā)熱量為：

式中U 為電熱絲兩端電壓，V；R 為電熱絲電阻，Ω；t為電熱絲通電時間，s。

通過計算，推切裝置電熱絲為0.2 mm，兩端的電壓為6V時，能夠滿足發(fā)泡網(wǎng)套的切割溫度，且切口平整，受到的阻力較小。

3 包裝機控制系統(tǒng)設(shè)計

球形水果網(wǎng)套包裝機各部分動作由單片機控制電機實現(xiàn)。電機正反轉(zhuǎn)帶動滾珠絲杠和同步帶的往復(fù)直線運動，實現(xiàn)包裝機的下膜、擴膜、包裝、切膜、推果等一系列的動作?？刂葡到y(tǒng)硬件包括：控制擴膜錐體運動的滾珠絲杠滑臺（型號KR100，行程200 mm）；控制下膜卡筒和托盤的滾珠絲杠滑臺（型號KR100，行程300 mm）；控制夾子的舵機（型號RDS3115，堵轉(zhuǎn)扭矩14.2 kg/cm）；控制推切機構(gòu)水平滾珠絲杠滑臺（型號DSK45，行程200 mm）；控制位置的霍爾傳感器（型號NJK-5002C，檢測距離10 mm，檢測物體為磁鐵，輸出方式NPN）。具體控制時序如圖9。

圖9 包裝機控制系統(tǒng)時序Fig.9 Control system design of the packaging machine

4 樣機試驗

根據(jù)球形水果網(wǎng)套包裝機關(guān)鍵部件及控制系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果，加工了試驗樣機，如圖10。通過實際包裝試驗，考核樣機的包裝功能，包裝過程的可靠性、穩(wěn)定性，并測試樣機單果包裝時間及整體工作效率。

圖10 球形水果包裝機樣機Fig.10 Spherical fruit packaging machine prototype

在市場上隨機購買一批紅富士蘋果，選用30 個成熟度一致，表面均無損傷的樣本進行包裝試驗。樣品平均果高80±6 mm，平均果徑81±6 mm。試驗結(jié)果如表1。

表1 包裝試驗結(jié)果Table 1 Packaging test results

由表1 可知，包裝機750 s 完成30 個蘋果的包裝試驗。人工和機器均能實現(xiàn)對蘋果的包裝，成功率均為100%，損傷率均為0。包裝過程中樣機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，單果的平均包裝時間為25 s，人工平均單果包裝時間約為6 s，但是人工包裝網(wǎng)套為提前剪切為包裝長度（140 mm）的網(wǎng)套，而機器包裝的網(wǎng)套為成卷網(wǎng)套。機器工作效率為35 kg/h，低于人工包裝效率144 kg/h。機器包裝，蘋果網(wǎng)套膜長在104～110 mm 范圍內(nèi)，約占樣本總數(shù)的76.6%，膜長最大值為116mm，最小值為101mm，平均值為106.97mm，果面包覆完整，能夠起到減小其受到機械碰撞時所受到的損傷的功能。人工包裝，由于固定膜長，不能很好適應(yīng)果徑的變化。

5 結(jié)論

1）本文研制了一種能對蘋果、臍橙等球形水果進行自動快速網(wǎng)套包裝的機器，該機器采用柔性擴膜錐體擴膜，倒刺卡筒下膜的方式，可實現(xiàn)連續(xù)包裝功能，網(wǎng)套包裝效果好。

2）樣機包裝試驗表明，樣機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，包裝成功率100%，損傷率均0，平均單果的包裝時間為25 s，工作效率為35 kg/h，下膜長度主要分布在104～110 mm 范圍內(nèi)，約占樣本總數(shù)的76.6%，果面包覆能夠起到減小其受到機械碰撞時所受到的損傷的功能。

3）樣機包裝效率低于人工包裝效率，可以優(yōu)化包裝流程，采用多組同時包裝的方式提高效率。設(shè)計的機器可為后續(xù)球形水果網(wǎng)套包裝設(shè)備的研制和優(yōu)化提供參考。