一種香蕉采摘裝置設(shè)計

張更娥 丁源 黃曉進

摘 要：香蕉是世界東南亞地區(qū)的主要經(jīng)濟支柱，為了提高經(jīng)濟效益，提高采摘的工作效率和保證香蕉的無損傷采收和儲存，減輕勞動工人的體力勞動及進一步提高采摘的效率，使其實現(xiàn)半自動化和全自動化采摘香蕉。文章所設(shè)計的香蕉采摘機能大幅度降低勞動程度，有效的提高工作效率。在電機帶動絞盤機使得鋼絲繩升降的過程中，利用雙棘輪機構(gòu)使得機械達到自鎖、安全、便捷的目的，可以有效的提高勞動工人的安全。本作品涉及設(shè)計突破市場現(xiàn)有技術(shù)，具有低成本，高效率，高安全和普適性等優(yōu)點。該裝置原理簡單易行、成本低、適用范圍廣，市場推廣性強。

關(guān)鍵詞：香蕉采摘機;節(jié)能;設(shè)計

中圖分類號：U264.5 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-150-04

Design of a Banana Picking Device^*

Zhang Genge¹， Ding Yuan²， Huang Xiaojin²

（?1. Nanning Institute， Guangxi Nanning 530200;?2.Shanghai Maritime University， Shanghai 201306?）

Absrtact：?Banana is the main economic pillar of Southeast Asia in the world. In order to improve economic efficiency， improve the working efficiency of picking and ensure the harvest and storage of banana without damage， reduce the manual labor of labor workers and further improve the efficiency of picking， make it realize semi-automatic and fully automatic picking of bananas. The banana picking machine designed in this paper can greatly reduce the degree of labor and effectively improve the working efficiency. The double ratchet mechanism is used to make the machine achieve the purpose of self-locking， safety and convenience， which can effectively improve the safety of workers. Design Breakthrough Market?technology， with low cost， high efficiency， high security and universality. The device has simple principle， low cost， wide application range and strong marketing ability.

Keywords： Banana picking machine; Energy saving; Design

CLC NO.：?U264.5 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）09-150-04

1?前言

香蕉是我國華南地區(qū)的主要經(jīng)濟支柱，正常年份我國香蕉產(chǎn)量約為1200萬噸左右，全球香蕉產(chǎn)量增長至1.15億噸。經(jīng)調(diào)查，目前香蕉采收的主要方式為純?nèi)斯げ烧?，這種采摘方式，并不能很好的解決香蕉采收中急需解決的問題，主要為：香蕉的損傷，采摘效率低，花費時間長以及采摘人員的安全性等問題^[1]。為了解決上述問題，本文設(shè)計了一種半自動化的香蕉采摘機，可實現(xiàn)不同高度和不同長向香蕉的采摘，通過鉸鏈連接來實現(xiàn)電動切割刀機構(gòu)轉(zhuǎn)動功能，方便對不同長向的香蕉進行切割，同時實現(xiàn)安全快速的切割功能^[2]。

設(shè)計的新型香蕉采摘機既可適用于大型的香蕉種植地，也適用中小型的香蕉采摘，功能實用，操作簡單，省時又省力，本產(chǎn)品僅需要一人控制機械在兩分鐘之內(nèi)就可以實現(xiàn)香蕉的快速安全采摘，這對大批量的香蕉采摘來說，在時間和經(jīng)濟效益上是非常明顯的^[3]。

2?香蕉采摘機械總體設(shè)計

2.1?香蕉采摘機械設(shè)計

香蕉機械采摘機主要由小型兩軸三輪式轉(zhuǎn)彎半徑小的底盤、正反轉(zhuǎn)電機、絞盤機、雙棘輪鎖緊裝置、鋼絲繩、定滑輪、可實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)的軸承、立柱滑軌、往復(fù)式電機、香蕉切割刀片、焊接有往復(fù)電機底座的香蕉接收框、銅絲電線、蓄電池組成。在微耕機底盤（高620mm）中間焊接一塊足夠硬度的鋼板，同時將可實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)的軸承（高度220mm）焊接在鋼板上，人可以通過扶手來控制采摘機底盤的前進和后退。在可實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)的軸承上接一根規(guī)格為1700×40×40mm厚度為3mm的空心足夠硬度的空心立柱，在立柱上一個面中央切割規(guī)格為1400×15mm的槽，再用倆顆螺釘鏈接放置在立柱槽內(nèi)部500×30×6mm的鋼板和香蕉接收框，在立柱頂部安裝一個定滑輪，由鋼絲繩鏈接放置在立柱槽內(nèi)部的鋼板和固定在立柱外側(cè)（立柱槽對面）由直流正反轉(zhuǎn)電機控制的絞盤機上，在絞盤機上安裝雙棘輪機構(gòu)，用電線接好在框體上的24v往復(fù)式電機和固定在香蕉采摘機底盤上的蓄電池^[4]。

3?香蕉采摘機各主要參數(shù)設(shè)計

在香蕉采摘過程中，考慮到香蕉的安全采摘方式，將香蕉采摘機器分為三個部分，分別是切割部分、升降部分和底盤^[6]，其中切割部分主要切割生長在香蕉樹上的香蕉;升降部分主要是運送切割好的香蕉到地面;底盤主要是帶動香蕉采摘機靈活運動并在運動過程中起到穩(wěn)定作用。

3.1 基本參數(shù)

3.1.1?香蕉基本數(shù)據(jù)

經(jīng)過對浦北多處香蕉地實地測量，香蕉的統(tǒng)計尺寸：植株高度1800～2300mm，果指長190～210mm，果數(shù)130～149個，單產(chǎn)24～50kg。香蕉果實的生長朝向不一，果實總長度500mm。

3.1.2?設(shè)計整體參數(shù)

在香蕉生長和種植地多次測量香蕉種植間隙為2000×2000mm，因此設(shè)計車長1125mm、車寬700mm、載重量300kg、最小轉(zhuǎn)彎半徑700mm、割刀切割速度常規(guī)下0.059m/s。車輛使用鋼筋與角鋼結(jié)合焊接能夠承受30000N，在香蕉地能夠正常靈活運行。

3.2 切割機構(gòu)

切割機構(gòu)的主要功能是用來安全無傷地切斷香蕉柄。主要由蓄電池、電線、24V直流電機、曲柄機構(gòu)、刀片、弧形軌道切割刀座等構(gòu)成。由蓄電池直接為電機轉(zhuǎn)動，電機經(jīng)過齒輪或鏈條等能量傳動方式帶動曲柄機構(gòu)運動，由此帶動刀片以一定的線速度進行往復(fù)式運動，實現(xiàn)香蕉切割要求，實現(xiàn)高效安全采摘香蕉^[8]。

香蕉切割部分設(shè)計直接影響香蕉采摘效率和果實外形完整性，往復(fù)式電機進行香蕉采摘以提高采摘效率的方法有兩種。第一種是提高刀片的線速度，即增加電機電壓;第二種是增加刀片活動行程（即增加電機所帶動的轉(zhuǎn)盤圓心到連桿機構(gòu)連接處距離）及其鋸齒的鋒利度。

3.2.1?直流24V電機

根據(jù)香蕉種植環(huán)境及種植規(guī)律，選用24V直流電機，在電機帶動曲柄機構(gòu)中，曲柄機構(gòu)活動位移即電機所帶動的轉(zhuǎn)盤圓心到連桿機構(gòu)連接處距離的兩倍即30mm，實現(xiàn)切割的同時提高采摘效率。

3.2.2?刀片

根據(jù)曲柄機構(gòu)帶動鋸片運動為進出刀方式，需拉動50N的往復(fù)曲柄機構(gòu)，選用龜背齒的鋸片，該齒片能夠在相應(yīng)轉(zhuǎn)速下提高切割速度^[10]。

3.2.3?切割底座

圖1切割底座中，設(shè)計弧形滑軌固定在底座一端，另一端能在滑軌弧度中任意位置進行轉(zhuǎn)動，運用繩索控制切割機構(gòu)在任意位置停留并轉(zhuǎn)動。

3.3?升降機構(gòu)

升降機構(gòu)的主要功能是對香蕉進行運輸，根據(jù)表1、2、3等調(diào)查數(shù)據(jù)進行對香蕉采摘機器立柱設(shè)定為1700mm高度，根據(jù)立柱底下360°旋轉(zhuǎn)軸承及香蕉升降機構(gòu)可將筐體固定在能夠采摘到香蕉的任意位置并進行鎖止，確保底盤在環(huán)境復(fù)雜的香蕉地進行安全高效采摘，本設(shè)計中采用滑輪升降機構(gòu)，主要是由運用直流24V正反轉(zhuǎn)電機帶動鋼絲繩的上下運動實現(xiàn)框體的上下移動，電機峰值扭矩45n.m，額定轉(zhuǎn)速0-2200r/min，設(shè)計雙棘輪機構(gòu)實現(xiàn)鋼絲繩高度自鎖。

1-360°旋轉(zhuǎn)軸承?2-24伏正反轉(zhuǎn)點機?3-有凹槽滑軌的立柱

4-香蕉接收框架?5-定滑輪?6-鋼絲繩?7-雙棘輪自鎖裝置?8-手搖絞盤機

9-正反轉(zhuǎn)電機開關(guān)引線?10-帶有調(diào)速器的正反轉(zhuǎn)電機控制模塊

3.3.1?手搖鍵盤機及雙棘輪機構(gòu)

如圖3所示，在電機的帶動下由小齒輪轉(zhuǎn)動帶動大齒輪，同時此裝置是個減速裝置，為保障香蕉采摘下降過程更好的保護香蕉的完整。在設(shè)計中主動軸（帶小齒輪）上齒輪齒數(shù)為n₁、主動軸半徑r₁（mm），從動軸（帶大齒輪）上齒輪齒數(shù)為n₂、從動軸半徑r₂（mm），由此可得鋼絲繩最大上升、下降速度V（單位：m/s）。

3.3.2?定滑輪和鋼絲繩

根據(jù)GB1102-74《鋼絲繩》中鋼絲繩的材料，初定鋼芯的鋼絲繩結(jié)構(gòu)為3×37，公稱直徑為3mm，公稱抗拉強度為1670MPa，通過鋼絲繩重量及拉力表，得鋼絲繩最小破斷拉力為F₀=16.8KN。鋼絲繩破斷拉力總和N≥9185，用安全系數(shù)5理論上能吊約183Kg實際抗拉強度。

實際抗拉強度小于公稱抗拉強度，鋼絲繩承載破斷能力應(yīng)該滿足F₀≥Fn=600x3.5=2.1KN。（其中F為最大工作靜拉力，n為鋼絲繩的安全系數(shù)），故鋼絲繩的尺寸合適。

鋼絲破斷拉力總和=公稱抗拉強度×鋼絲總斷面積（mm²）（4）

鋼絲破斷拉力=鋼絲破斷拉力總和×換算系數(shù) ?????（5）

鋼絲繩安全載重力=鋼絲繩破斷拉力÷安全載重系數(shù)（6）

選用GB1102-74鋼絲繩，能夠保障香蕉采摘過程的安全^[11]，實現(xiàn)安全采摘。

3.3.3?滑塊鋼板及香蕉接收框

香蕉接收框主要作用是承載已經(jīng)切斷的香蕉，主要由香蕉接收框架，網(wǎng)狀框體組成，設(shè)計中選用直徑為6mm的鋼筋組合成的框架共0.96kg，（橫截面半徑d=3mm、圓周半徑2×r250mm、l：3×400mm直鋼筋）。

3.3.4?旋轉(zhuǎn)推力軸承

360°旋轉(zhuǎn)軸承主要作用是在香蕉采摘過程中，完成立柱任意角度轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)香蕉切割裝置的準確采摘。根據(jù)圖3-3所示根據(jù)圖紙進行熱處理，粗加工，精加工等步驟進行對直徑為85mm長為250mm的高強度鐵進行加工，高效采摘香蕉。

水平方向受力平衡：ΣF_X=0 ?ΣF_Y=0

豎直方向受力平衡：

由最大正應(yīng)力公式得：

M₂=0.05×1100=55N.m

所以：

3.4 底盤部分

考慮到香蕉地面的特征，底盤需滿足轉(zhuǎn)彎半徑小、轉(zhuǎn)向靈活等特點，如圖3-4所示運用45#角鋼等材料進行焊接處理，大部件運用螺釘連接，設(shè)計出既輕便易拆裝，又適應(yīng)條件廣泛的兩軸三輪式高硬度底盤^[12]，該底盤承重300kg，轉(zhuǎn)彎半徑700mm，能在香蕉地里靈活轉(zhuǎn)向。

4?小結(jié)

在國家經(jīng)濟貿(mào)易不斷壯大，大量的農(nóng)產(chǎn)品、蔬果等對產(chǎn)品安全、完好性要求不斷提高，香蕉地的擴大，對綠色節(jié)能全自動化機械需求不斷增長，本文設(shè)計的香蕉采摘機采摘省時省力操作簡單，制造成本低能夠滿足現(xiàn)如今的小型香蕉地進行高效快速安全的采摘香蕉，節(jié)省經(jīng)濟成本投入。與此同時機械采摘效率依然有提升空間，香蕉采摘后期需要改進切割部件的切割速度（例如刀片鋒利程度保持、提高曲柄機構(gòu)的轉(zhuǎn)動速率等），同時兩軸三輪式底盤小車能夠在凹凸不平的香蕉地靈活轉(zhuǎn)向，在后期改進時盡可能在底盤小車增添新能源高扭矩動力，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保又高效安全。

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