陳 龍 何學(xué)傳 祝 勝 周賢志 陳 勇 榮長(zhǎng)霄

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院科技學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

0 引言

2021 我國(guó)共生產(chǎn)水果29 611 萬(wàn)t，水果的需求量為29 912 萬(wàn)t，果園面積為1 296 萬(wàn)hm2，水果市場(chǎng)的規(guī)模高達(dá)萬(wàn)億元。如此龐大的水果產(chǎn)量，包裝是重要的一環(huán)，大部分水果在包裝完成后，才能從果園運(yùn)輸?shù)较M(fèi)者的手中。在運(yùn)輸過(guò)程中，如果沒(méi)對(duì)水果進(jìn)行包裝，則極易出現(xiàn)損壞、磕碰等現(xiàn)象。無(wú)論國(guó)內(nèi)市場(chǎng)還是國(guó)外市場(chǎng)，隨著消費(fèi)者對(duì)鮮果質(zhì)量和外觀的要求越來(lái)越高，使得優(yōu)質(zhì)高檔水果的價(jià)格更高、銷路更好、經(jīng)濟(jì)效益更高。目前，我國(guó)優(yōu)質(zhì)果的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的比例不到10%，達(dá)到出口標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)果的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的比例更是不足5%。而使用套膜對(duì)水果進(jìn)行包裝，能有效減少果蔬在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中發(fā)生磕碰，且能降低水果的呼吸，防止因CO2濃度過(guò)高而導(dǎo)致水果腐爛［1］。為了解決水果在包裝過(guò)程中人力需求較大、耗時(shí)較長(zhǎng)、人力資源浪費(fèi)等問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)出一款水果自動(dòng)包裝機(jī)械，在解放農(nóng)民雙手的同時(shí)，還使經(jīng)濟(jì)最大化得到保證。

1 小車設(shè)計(jì)方案

據(jù)了解，市場(chǎng)上的水果包裝機(jī)種類繁多，但其普遍存在體積大、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴等問(wèn)題［2］，消費(fèi)者對(duì)現(xiàn)有的水果包裝機(jī)不是很滿意。目前，消費(fèi)者迫切需要一臺(tái)體積小、方便運(yùn)輸、價(jià)格低、效率高的水果包裝機(jī)。因此，本研究設(shè)計(jì)的新型水果打包套膜小車要在保持原有包裝效率和網(wǎng)兜質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)現(xiàn)有的包裝方式進(jìn)行基礎(chǔ)性改進(jìn)。

本研究設(shè)計(jì)的新型水果打包套膜小車的外形是由鈑金件構(gòu)成的，在減小體積的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)價(jià)格的進(jìn)一步降低。在對(duì)水果進(jìn)行打包時(shí)，其主要模仿人的打包方式，將不銹鋼輕質(zhì)小球放入泡沫網(wǎng)兜中，從而撐開(kāi)網(wǎng)兜。旋轉(zhuǎn)支架和自動(dòng)脫離勾將網(wǎng)兜提拉至滑入道口處，水果在經(jīng)過(guò)前處理后，通過(guò)滑入道滑入網(wǎng)兜，并落到載物碗中，重力感應(yīng)器將信號(hào)傳遞給熔斷絲，從而將網(wǎng)兜切斷，旋轉(zhuǎn)支架帶動(dòng)自動(dòng)脫離勾脫離，載物碗釋放水果，水果滑落滑出道，從而完成包裝。水果打包套膜小車的整體仿真如圖1所示。

圖1 打包套膜小車整體仿真圖

2 工作原理

全地形水果打包套膜小車的外形是由鈑金件組成的，在保證實(shí)用性的同時(shí)，減輕整車的質(zhì)量，便于其在多地形的果園中行駛。全地形水果打包套膜仿真小車的工作原理如下。通過(guò)安裝三只低重心萬(wàn)向輪，在保證小車移動(dòng)的同時(shí)，還能用于控制方向和重心。在萬(wàn)向輪上安裝兩只可調(diào)節(jié)高度的腳杯，能在不平整的地形中及時(shí)調(diào)整小車的水平，從而保證小車能正常工作?；氲滥艽_保水果準(zhǔn)確落到預(yù)定的位置，自動(dòng)脫離勾將網(wǎng)兜提拉到指定位置后，撞針撞擊滑道中的撞耳彈簧，使其收縮，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫離。

旋轉(zhuǎn)支架用于固定自動(dòng)脫離勾，并帶動(dòng)鉤子運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)采用低能耗的微型交流齒軸電機(jī)，電機(jī)固定支架是由兩片半圓形鐵片組成，固定電機(jī)采用螺栓進(jìn)行固定，便于拆卸。網(wǎng)兜放置架采用掏空打孔式設(shè)計(jì)，可根據(jù)網(wǎng)兜的大小進(jìn)行任意調(diào)節(jié)，不工作時(shí)可以收起。

小球限位支架是由六根支柱組成的，上下各兩根、左右各一根，從而保證不銹鋼輕質(zhì)小球在預(yù)定軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，防回縮擋片用來(lái)防止網(wǎng)兜因回彈而脫離工作區(qū)，熔斷絲在接收到重力傳感器傳來(lái)的信號(hào)后會(huì)切斷網(wǎng)兜，氣壓推桿在熔斷絲工作完成后，推動(dòng)載物碗將水果釋放，并通過(guò)滑出道將水果滑出，從而完成包裝。

3 水果打包套膜小車的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該小車的主體是由大量鈑金件構(gòu)成的，體積小、質(zhì)量輕，底部裝有移動(dòng)輪，運(yùn)輸方便，且采用雙入口、雙出口的設(shè)計(jì)，在確保裝置體積不大的同時(shí)，還能保證水果的打包效率。包裝機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 包裝機(jī)工程流程圖

3.1 網(wǎng)兜擴(kuò)張?jiān)O(shè)計(jì)

不銹鋼擴(kuò)張網(wǎng)兜是由輕質(zhì)不銹鋼小球、小球限位支架、擋片組成。輕質(zhì)不銹鋼小球用于擴(kuò)張網(wǎng)兜，擋片位于小球限位支架的前端，使不銹鋼小球在擴(kuò)張網(wǎng)兜的同時(shí)，避免水果滾落出工作范圍。在擋片中還增加了防回縮鉤，防止網(wǎng)兜因自身張力回縮而脫離工作區(qū)。本研究參考張心人境等［3］的自動(dòng)打包機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的輕質(zhì)不銹鋼擴(kuò)張網(wǎng)兜如圖3所示。

圖3 輕質(zhì)不銹鋼擴(kuò)張網(wǎng)兜

3.2 自動(dòng)脫離鉤設(shè)計(jì)

自動(dòng)脫離鉤是由撞針、彈簧、鉤子、板簧組成。當(dāng)鉤子將網(wǎng)兜提拉到指定位置后，撞針會(huì)撞擊滑道中的撞耳彈簧，從而使其收縮，撞針推動(dòng)勾子末端來(lái)壓迫板簧，并推動(dòng)鉤子回縮，以達(dá)到自動(dòng)脫離的目的。用簡(jiǎn)單的機(jī)械機(jī)構(gòu)來(lái)完成相關(guān)操作，在減少能耗的同時(shí)，提高可靠性。脫離鉤的示意圖如圖4所示。

圖4 脫離鉤

3.3 清洗裝置

清洗裝置是由一個(gè)小型水泵和不銹鋼圓管傳送帶組成，如圖5 所示。將其設(shè)計(jì)成可拆卸式的，能有效滿足中層果農(nóng)的需求。使用水泵清洗果蔬有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一是能給予更大的壓力，更有利于沖掉果蔬上的泥土；二是能有效節(jié)約水資源，從而實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。

圖5 加裝清洗槽

3.4 烘干裝置

烘干裝置由護(hù)罩、傳動(dòng)帶、風(fēng)扇、紫外線燈組成。在清洗完水果后，如果不進(jìn)行烘干的話，水果上將殘留有水珠，導(dǎo)致水果腐爛過(guò)程加快，紫外線燈能有效消殺一些殘留的農(nóng)藥。烘干裝置的示意圖如圖6所示。

圖6 加裝烘干機(jī)

4 關(guān)鍵部件的強(qiáng)度分析及計(jì)算

在完成整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，對(duì)模擬樣機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行力學(xué)驗(yàn)證，采用有限元分析對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。本研究參考賈慧娜［4］基于ANSYS 的金屬板材拉伸模擬分析，對(duì)樣機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 有限元分析

為防止滑入道在使用過(guò)程中出現(xiàn)損壞，并降低生產(chǎn)成本，本研究采用鋁合金鈑金，其力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 鋁合金鈑金的力學(xué)性能

普通果蔬的重力在10 N 左右，可將10 N 的力直接施加在滑入道上，計(jì)算其形變以及在接受壓力過(guò)程中每一處產(chǎn)生的應(yīng)力、最大應(yīng)力處的變形量。其強(qiáng)度極限的計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

式中：σ為強(qiáng)度極限，MPa；Fb為承受的最大力，N；SO為原橫截面積，mm2。

材料的屈服強(qiáng)度σs為345 MPa。板材在工作過(guò)程中不發(fā)生破壞的條件是其所受到的最大應(yīng)力值σmax不超過(guò)許用應(yīng)力［σ］，即σmax≤［σ］，而許用應(yīng)力［σ］=σs/s。當(dāng)安全系數(shù)s取1.3 時(shí)，得到［σ］=256.38 MPa。經(jīng)過(guò)有限元分析計(jì)算，得到其等效應(yīng)力為3.146 2×108～1.260 6×109 Pa，滿足設(shè)計(jì)要求［5］。

5 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

本研究設(shè)計(jì)的小車采用的是可拆卸模塊，根據(jù)需要來(lái)添加或減少功能，可滿足用戶在不同情況下的使用需求，能一次完成適用各種包裝材料的輸送、料理、封口切斷、包裝等。直接接觸水果的部分采用軟性材料進(jìn)行鋪墊，能更好地保護(hù)水果表面，避免出現(xiàn)碰傷。該小車的整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、牢固、設(shè)計(jì)合理、簡(jiǎn)潔。本研究的設(shè)計(jì)參考鄭志偉等［6］的球形水果氣柱袋全自動(dòng)包裝機(jī)的設(shè)計(jì)方案。

本研究設(shè)計(jì)的裝置通過(guò)移動(dòng)模塊在不同地形中進(jìn)行移動(dòng)，相較于傳統(tǒng)的流水線，其能適應(yīng)多種工作場(chǎng)景。網(wǎng)袋提拉裝置巧妙地解決了泡沫網(wǎng)袋易損的問(wèn)題，能有效彌補(bǔ)此類包裝領(lǐng)域的空白。本研究設(shè)計(jì)的裝置參考徐勤超等［7］的球形水果塑料發(fā)泡網(wǎng)套包裝機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。

本研究設(shè)計(jì)的裝置采用雙進(jìn)雙出的設(shè)計(jì)，在保證包裝質(zhì)量的同時(shí)，能最大程度地利用車內(nèi)空間，提高包裝效率。該小車采用電池續(xù)航與外接電源的兩種方式，包裝機(jī)構(gòu)采用簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)電器元件，能滿足小車在外工作一天的續(xù)航要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)出一款操作便捷、效率高、體積小、價(jià)格低的全地形水果打包套膜小車。該項(xiàng)目在投入市場(chǎng)后，能加快市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的運(yùn)轉(zhuǎn)，易于在各地區(qū)的果園進(jìn)行推廣使用，未來(lái)存在著巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本研究通過(guò)自主創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出一款全地形水果打包套膜小車，用于解決水果套膜包裝過(guò)程中泡沫網(wǎng)兜的包裝問(wèn)題，能有效提高包裝效率。通過(guò)有限元分析法對(duì)該裝置在使用過(guò)程的等效應(yīng)力和最大主彈性應(yīng)變量進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果與校核計(jì)算值誤差率小于6%，表明該有限元模型具有較高的準(zhǔn)確性。