葉菜類蔬菜柔性起伏振蕩梳理機構設計

高玉芝，王君玲，高 欣，張衛國，趙學軍

(1.河北省智能裝備數字化設計及過程仿真重點實驗室，唐山學院，河北 唐山 063000；2.唐山蘭坨機械設備有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

我國是蔬菜生產大國，近年來蔬菜的產量和產值均超過糧食[1]。蔬菜的產銷量中葉菜類蔬菜占30%～40%[2]。在蔬菜生產作業中，收獲作業約占整個作業量的40%，而收獲后的清理、收集和打捆等工作量巨大[3]。實際生產過程中，由于收獲后的蔬菜處理不當，導致蔬菜品質下降、腐爛，不但導致浪費，而且影響到農民收益。

根據我國北方設施農業生產實際，研究和設計了一款結構緊湊、易于操作和控制的葉菜類收割機。本研究是課題研究系列成果之一，柔性起伏振蕩梳理機構是智能葉菜類收割機的重要部分之一，決定著收割后的葉菜類蔬菜的梳理、整理質量，同時，該機構也是收集和打捆的重要前提和保障。

1 設計背景

在蔬菜生鮮流通行業，出貨前需要對蔬菜生鮮按照客戶的要求對不同品種的菜品按照質量標準進行篩選，尤其是葉菜類蔬菜，菜葉比較脆弱，很難實現機械篩選[4]。傳統的生產方式是需要大量的工作人員同時進行人工操作，將剛采摘的新鮮蔬菜摘除廢葉，抖落根部的泥土雜質，同時完成對蔬菜的梳理，以便進行后續的裝箱或打捆，然后進行分裝出售。如此一來工作量巨大，需要勞動力較多，效率低下，并且篩選品質難以統一進行衡量。因此急需一種能夠自動篩選整理蔬菜的機械裝置，在不損壞蔬菜的情況下來提升篩選整理的工作效率。

為了解決葉菜類蔬菜收獲、清理、整理過程中的問題，提高工作效率，降低勞動力成本，在智能葉菜類收割機設計中專門設計了柔性起伏振蕩梳理機構，用以克服葉菜類嫩脆易損、機械梳理難度大的技術難題。本研究通過低頻振蕩機構上下前后運動與旋轉偏置簧片柔性接觸葉菜上下前后運動的機構結合，實現對蔬菜根部戳齊葉片舒展的無損整理功能。

2 總體設計

柔性起伏振蕩梳理機構是智能葉菜類收割機中的一個重要組成部分。工作中，收割機通過前端的收割刀將切割下來的葉菜類蔬菜通過傳輸裝置運輸到起伏振蕩梳理機構，通過本機構抖落蔬菜根部的泥土雜質，同時通過柔體戳放整理機構完成對蔬菜的梳理，以便進行后續的裝箱或打捆[5-6]。

柔性起伏振蕩梳理機構由起伏振蕩和柔體戳放整理兩個機構組成，實現兩種功能，機構的結構原理如圖1所示。

2.1 起伏振蕩機構結構設計

起伏振蕩機構主要包括振蕩電機、振蕩底板、振蕩盤和篩板(包括網格板和支架)，網格板的兩側通過支架固定安裝在所述振蕩盤上表面。

篩板的兩側間隔均勻設置有若干轉動(篩選)攏放升降機構，相鄰的兩個轉動(篩選)攏放升降機構之間設有介齒輪，篩板的兩側均設有減速電機，減速電機與控制器連接。轉動(篩選)攏放升降機構垂直安裝于振蕩盤上，每一個轉動(篩選)攏放升降機構均包括轉動軸桿和轉動齒輪，減速電機的轉軸上設有電機齒輪，轉動齒輪與電機齒輪嚙合，相鄰的兩個轉動(篩選)攏放升降機構的轉動齒輪分別與介齒輪嚙合。

轉動齒輪固定套裝于轉動軸桿的下端，轉動軸桿上設有軸承，轉動軸桿通過軸承垂直安裝于振蕩盤上。

振蕩機構還包括與振蕩盤傾斜5°～20°角設置的振蕩底盤，振蕩底盤和振蕩盤之間由振蕩電機和振蕩橡膠彈簧支撐，振蕩電機橫向固定安裝于振蕩底盤上。篩板安裝于振蕩盤上。

振蕩橡膠彈簧內部摩擦越大，減振效果好，有利于越過共區，衰減高頻動和噪聲；彈性模量比金屬小得多，可產生較大彈性形變，沒有滑動部分，易于保養，質量小，安裝和拆卸方便，沖擊剛度高于靜剛度和動剛度，有利于沖擊變形。

減速電機固定安裝在振蕩底盤和振蕩盤之間，更加節省空間，減速電機的轉軸貫穿所述振蕩盤與電機齒輪固定連接。

2.2 柔體戳放整理機構結構設計

柔體戳放整理機構主要包括減速電機、電機齒輪、轉動齒輪、介齒輪、轉動軸桿和若干彈簧片組成。彈簧片呈發散螺旋狀環繞間隔均勻安裝在轉動軸桿的外圍，彈簧片外圍裝有布套或氣囊，布套柔軟的表面能防止彈簧片直接與蔬菜接觸損傷蔬菜；轉動軸桿通過軸承垂直安裝在起伏振蕩機構的振蕩盤上。

1.軸套 2.軸套齒輪 3.介齒輪 4.穿布套簧片 5.篩板 6.振蕩盤 7.固定簧片螺絲 8.減速電機 9.彈簧片 10.軸桿 11.軸承 12.電機齒輪 13.振蕩電機 14.振蕩底盤 15.振蕩橡膠彈簧圖1 柔性起伏振蕩梳理機構結構Fig.1 Structure of flexible undulating vibration carding mechanism

2.3 工作原理

在實際使用中，振蕩電機旋轉頻率設定為100～200 r/min以防止振蕩對菜根端的損壞，取放蔬菜的偏置彈簧片對稱布局，彈簧片的兩端上下錯落15～30 cm固定，整理后能保持蔬菜根部整齊，并且使得葉片舒展，同時自行適應收割量不同的變化，且在因振蕩盤傾斜角度作用與攏放升降機構同步運送蔬菜進入下一工序。工作時，減速電機轉動，帶動電機齒輪轉動，電機齒輪傳動給轉動齒輪，帶動轉動軸桿及彈簧片轉動，其中介齒輪起到傳動和同步同向的作用，彈簧片撥動葉類蔬菜(開始篩選整理工作)在篩板上做上下及攏緊放松運動，篩板隨著振蕩機構振蕩，落在篩板上的蔬菜隨之振動，將蔬菜的壞葉和雜質抖落，通過篩板漏下，剩下的合格蔬菜一邊繼續隨篩板振蕩，一邊在偏置彈簧片的撥動下完成蔬菜根部的對齊工作，然后繼續隨著振蕩的方向前進，移動到篩板出料的一側被收集打包。

3 三維建模

本機構作為智能葉菜類收割機的重要部分之一，決定了收割后的葉菜類蔬菜的梳理、整理質量，也是收集和打捆的重要前提和保障。為了更好地完成后續樣機制造，運用CATIA軟件，對機構進行了三維仿真建模[7]。參數化設計是現代CAD軟件的核心技術，目前已經得到廣泛應用[8]。利用參數化設計手段可使設計人員從大量煩瑣的設計、計算、繪圖工作中解脫出來，提高設計效率，縮短產品開發周期，降低成本，增強市場競爭力[9]。在研究中，利用CATIA軟件完成了本機構的參數化設計。

柔性起伏振蕩梳理機構的三維建模包括所有零部件的建模、虛擬機構整體的裝配。柔性起伏振蕩梳理機構的建模采用自底向上的方式進行，即依據相關零部件的結構和尺寸建立起三維模型，然后完成的裝配體建模，按照各零部件之間的裝配及約束關系進行組裝，最后建立虛擬樣機，如圖2所示。在裝配階段可以根據干涉結果分析干涉原因，同時在虛擬樣機中進一步完成振蕩梳理機構的運動學分析，在產品的試驗階段，可以減少對物理原型的依賴，縮短產品的設計周期，提高設計質量，減少設計成本[10]。

1.電機齒輪 2.網格板 3.支架 4.穿布套簧片 5.轉動軸桿 6.振蕩盤 7.振蕩底板 8.轉動齒輪 9.介齒輪 10.減速電機 11.振蕩電機 12.振蕩橡膠彈簧 13.底板總成 14.轉動軸桿 15.彈簧片 16.布套圖2 柔性起伏振蕩梳理機構模型Fig.2 Model of flexible undulating vibration carding mechanism

為了能夠更清楚地表達柔性起伏振蕩梳理機構的工作原理，將其安裝在收割機模型上，如圖3所示。

圖3 柔性振蕩梳理機構在收割機上的位置Fig.3 Position of flexible undulating vibration carding mechanism on harvester

4 結束語

針對蔬菜收割后的處理即振蕩和梳理工作設計了柔性起伏振蕩梳理機構，完成了以下工作。

(1)完成了葉菜類蔬菜柔性起伏振蕩梳理機構的設計。

(2)闡述了振蕩機構、梳理機構的工作原理。

(3)對機構的零部件進行了參數化設計及虛擬樣機裝配。

以上工作為后續機器加工和制造奠定了基礎，同時也為類似機構的設計提供了理論和實踐依據。