气力驱动的黄瓜梗剪切装置设计与试验*

张燕军，吴华昕，苏伟，张善文，缪宏，戈林泉

(1. 扬州大学机械工程学院，江苏扬州，225000; 2. 扬州市农业机械技术推广站，江苏扬州，225000)

0 引言

黄瓜作为一种常见果蔬，在我国种植面积广，现今温室黄瓜种植产量高、质量优，然而主要采摘方式仍为人工采摘，存在工作环境较差、人工成本高等问题。因此实现温室黄瓜机械化采摘已成为必然趋势。

国外学者从机械化采摘角度出发，对果蔬农作物茎秆的切割做了一定研究与试验，其中包括对油菜、葵花梗、大麻等农作物的剪切力和弯曲特性进行的切割试验，并且发现湿度、切割角度、切割速度与刀片形状对切割力都有显著影响[1-8]。近年，在国内针对不同果蔬农作物茎秆切割力方面的研究也有了一定进展。通过分析切割过程中不同刃口倾角、削切角、斜切角、切割速度、切割位置、刀具的不同形式等对切割力的影响，并且对向日葵、马铃薯、柑橘、玉米、油菜、苎麻的果梗茎秆进行了单因素切割试验，结果表明不同刃口倾角、削切角、斜切角、切割速度、切割位置、不同形式的刀具等对切割力都有显著影响[9-14]。切割中除了角度、速度、位置、刀具形式等要素对切割力具有影响外，张燕青等[15]在对谷子的茎秆切割力学特性研究中，对谷子茎秆进行了不同收获时间的单因素切割试验，研究了不同收获时期谷子茎秆的含水率、生长高度等对切割力的影响，表明茎秆的机械物理性质的变化对切割力也有较大影响。

目前黄瓜采摘机械装置的研究主要集中在视觉识别系统的研究与力臂的动力学分析与优化，由于采摘效率低，黄瓜梗切割速度慢，黄瓜采摘机械装置仍停留在试验机阶段[16-19]。而针对黄瓜的瓜梗切割试验研究未见报道。为此，本文设计了黄瓜梗剪切装置，并对其进行了静力学分析与动力学仿真，揭示了在剪切中刃口倾角、削切角、斜切角等参数对黄瓜梗剪切效果的影响，根据试验数据确定了气力驱动的黄瓜梗剪切装置参数，可为黄瓜智能化采摘提供重要参考。

1 气力驱动的剪切装置设计

1.1 装置结构设计

气力驱动的剪切装置主要由活塞、缸体外壳、弹簧等组成。动力源使用功率为960 W、压力为0.7 MPa、排气量为90 L/min的空气压缩机。

铰链弹簧联动式气动剪切装置结构如图1所示，活塞连杆、弹簧为驱动结构，活塞连杆、固定连接件、铰链、刀刃组成一个整体联动机构，由进气处气压推动活塞连杆，连接件驱动刀刃向外，同时铰链会与刀刃形成铰链机构控制刀刃使刀刃闭合，气力驱动的剪切装置样机如图2所示。

图1 铰链弹簧联动式气动剪切装置结构图Fig. 1 Structure diagram of hinge spring linkage pneumatic shear device1.活塞连杆 2.弹簧 3.外壳 4.固定连接件 5.铰链 6.刀刃

图2 气力驱动的剪切装置样机Fig. 2 Prototype of pneumatic driven shearing device

本气动剪切装置的设计参数如表1所示，外壳总长度为120 mm，外径为40 mm，内径为36 mm，在壳体内部设计了一个弹簧挡板，且活塞边缘与壳体内腔贴合。本装置中的刀具总长为60 mm，刃长为20 mm，刀柄部分的螺栓孔可用来连接固定连接件与铰链，且刀具可更换。弹簧材料为65Mn，可提高弹簧强度。当进气压力为0.1 MPa时，气动剪切装置刀具可完全紧闭。

弹簧圈数

(1)

式中:G——弹簧切变模量，83 000 MPa；

d——弹簧丝直径，3.3 mm；

D——弹簧中径，26 mm；

k——弹性系数，10.18 N/mm。

经计算弹簧圈数n=7。

弹簧节距

p=πDtanα

(2)

式中:α——螺旋升角。

螺旋升角一般范围为5°～9°，考虑装置长度，螺旋升角α取6°，计算得出节距p=8.6 mm。

弹簧的自由高度

H0≈pn+(1.5～2)d

(3)

经计算弹簧的自由高度H0为70 mm。

表1 装置主要参数Tab. 1 Main parameters of the device

1.2 气动控制回路设计

气动控制回路如图3所示。为提升试验的可控性，在气源直接连接处设置气源直连开关S1，实现对气源的实时开闭控制。针对气源处控制进气压力较难的问题，采用IR精密减压阀L1，对进气压力进行控制。设置流量控制开关S2，实现对减压阀与剪切装置A1的连接、控制与保护。为保证排气安全，设置排气开关S3，在非排气状态时处于常闭状态，而保护开关S4开关处于常开状态，当气体排出时通过减压阀L2控制排气流量，降低气体排出时的气压力。

图3 气动试验装置连接示意图Fig. 3 Pneumatic test device connection diagram

1.3 装置静力学分析

将图1简化为平面连杆机构简图，如图4所示。

图4 铰链弹簧联动式气动剪切装置连杆机构简图Fig. 4 Connecting rod mechanism diagram of hinge spring linkage pneumatic shear device

要实现气动剪切装置的开合，首先要使d1>d2，且当刀具闭合的时候d1理论长度可表示为

在剪切装置中，气源所给的总气动推力为F1，弹簧弹力为f。则可知对活塞的推力

F2=F1-f

(4)

其中F1=Ps

f=-kx

所以

F2=Ps+kx

(5)

式中:P——气动压力，MPa；

s——受力面积，m2；

k——弹性系数，kgf/mm；

x——弹簧形变量，mm。

活塞推动铰链机构，使刀刃闭合，由于两刀刃对称，可知单侧刀刃所具有的推力

(6)

当刀刃运动闭合时，铰链对单侧刀刃有控制回拉的力F4，与垂直方向的推力F3的关系为

(7)

F4与F5的反力形成杠杆力，由力与反作用原理，可以得出F4与F5的反力相等，以F4为正向力，可求得F5，即

(8)

剪切装置为双侧对称运动，因此在针对铰链弹簧联动式气动剪切装置的静力学理论分析中，只对装置的单侧进行分析。

1.4 装置动力学仿真

利用Adams软件对该装置进行动力学分析。通过对剪切装置的活塞杆施加恒定速度，使剪切装置的刀具闭合，设置恒定速度下驱动参数为活塞杆速度10 mm/s，仿真时间1 s，步长20。仿真过程显示弹簧力的变化如图5(a)，弹簧力达到105 N时刀具完全闭合，此时气动力大于等于弹簧力，进而求得输入气动力约为0.103 MPa，即为空载时闭合刀具所需的气动力，同时也为后续剪切试验提供了初始状态输入气动力的值；弹簧压缩量如图5(b)所示，刀具开合的1 s内，在气动力的作用下弹簧被压缩了10 mm；刀具闭合角速度与角加速度如图5(c)、图5(d)所示，刀具闭合时加速度越来越大，速度也随之提高。

(a) 弹簧力

(b) 弹簧压缩量

(c) 刀具闭合角速度

(d) 刀具闭合角加速度

2 剪切装置试验

2.1 试验材料选取

黄瓜一年内可以种植两茬，试验选取成熟初期的黄瓜(开花后一周左右)、成熟中期的黄瓜(开花后两周左右)、成熟晚期的黄瓜(开花后三周左右)，无明显缺陷，每根黄瓜梗处留40 mm左右长度便于做切割试验，不宜放置时间太久，会导致瓜梗直径与含水率发生变化，影响试验结果，在试验中由于头部的含水率与直径降低速度较快，因此在试验中选取瓜梗中部约20 mm处进行剪切试验，作为试验样本。

2.2 试验方法

对测量后的黄瓜进行剪切试验，按成熟度分组并记录试验数据，并且对数据进行分析。在黄瓜梗剪切中，使用不同的刃口倾角、斜切角、削切角对黄瓜梗进行剪切试验。将不同成熟度的黄瓜分成三个组，对每个组用同类角的不同参数进行试验，每个参数完成3次试验，记录试验数据，并取平均值。用IR减压阀控制每次的进气量，初始气动力从0.1 MPa开始依次递增，直到能一次剪断黄瓜瓜梗。如图6(a)为刃口倾角的切割方式，α角为刃口倾角；图6(b)为削切角的切割方式，β角为削切角；图6(c)为斜切角的切割方式，γ角为斜切角。

(a) 刃口倾角α

(b) 削切角β

(c) 斜切角γ

气动装置试验方法：将空气压缩机充满，打开流量开关S1，调整减压阀L1数值为0.1 MPa，打开流量开关S2，再次调整减压阀L1缓慢增大气压直到剪切装置A1完全切断瓜梗，观察记录此时减压阀L1的示数，关闭流量开关S2打开流量开关S3，打开减压阀L2控制并降低排气压力，排出多余气体，关闭流量开关S3，进行下一次试验。

2.2.1 刃口倾角试验方法

使黄瓜竖直自然下垂，刀具刃口垂直于瓜梗，使用偏角为0°的刀具对黄瓜梗进行剪切，在刀刃上进行标注如图6(a)所示，本文中刃口倾角是根据黄瓜梗在刀刃上所处的切割位置所确定的，在刀刃的不同位置标记红点，此标记做为黄瓜梗与刀刃之间的切点，手动闭合控制刀刃至临界位置时，通过万能角度仪进行测量，得出刃口倾角。从刀头尖部每隔3 mm 标注红线，可得出不同大小的刃口倾角，并且按角度从小到大编号，按照所标注的顺序进行剪切，每个编号视为一个组，记录每组数据，数据中包含剪切不同成熟度的三类黄瓜梗所需气动力，分别对每一类求平均值。在试验中，气动压力从0.1 MPa递增，削切角为0°，斜切角为0°。

2.2.2 削切角试验方法

如图6(b)所示为刀具与瓜梗形成削切角，在剪切时瓜梗与刀具的法向形成的角度为削切角。如图7所示，用数显倾角仪测量削切角，需先将黄瓜垂直放置，在黄瓜上选取数显仪90°的位置，将数显仪与黄瓜固定，以刀刃与黄瓜梗的切点为圆心，调整黄瓜位置，达到目标角度，此时数显仪上会显示削切角的余角，从而可以得出削切角的大小。选取削切角范围在0°～45°之间，调节减压阀，设置初始气压为0.1 MPa，打开流量阀开关进行剪切，然后利用调压阀调节气压慢速匀速转动调压阀逐渐增加压力。测试选取0°、15°、30°、45°四个角度下剪切瓜梗所需的气压大小，每个角度为一组，每组测试3次，记录每组数据，数据中包含剪切不同成熟度的三类黄瓜梗所需气动力，分别对每一类求平均值。在试验中，气动压力从0.1 MPa开始递增，刃口倾角为26°(即使瓜梗与图6(a)中的点4相切)，斜切角为0°。

图7 削切角测量方式Fig. 7 Cutting angle measurement method1.黄瓜瓜梗 2.刀刃 3.黄瓜 4.数显倾角仪

2.2.3 斜切角试验方法

如图6(c)所示为刀具与瓜梗形成斜切角的切割方式，所形成的切割面与瓜梗的轴线方向所形成得角度为斜切角。在试验中，为了试验的精准与高效，使用斜切角不同的四种刀刃对黄瓜梗进行剪切如图8所示，斜切角分别为0°、15°、30°、45°。调节减压阀，设置初始气压为0.1 MPa，打开流量阀开关进行剪切，然后利用调压阀调节气压匀速转动调压阀缓慢增加压力。试验中存在一定误差，因此每个角度为一组，每组切割3次，记录每组数据，数据中包含剪切不同成熟度的三类黄瓜梗所需气动力，分别对每一类求平均值。在试验中，气动压力从0.1 MPa开始递增，刃口倾角为26°(即使瓜梗与图6(a)中的点4相切)，削切角为0°。

(a) 0°斜角

(b) 15°斜角

(c) 30°斜角

(d) 45°斜角

3 试验结果与分析

不同成熟度的黄瓜梗直径平均值，如图9所示。

图9 黄瓜梗直径平均值Fig. 9 Average stem diameter of cucumber

从图9可以看出，不同成熟时期，由于黄瓜梗的直径生长会有一定的变化，成熟初期(开花一周左右)瓜梗直径均值约为6.43 mm，此时期的的黄瓜开始进入迅速生长阶段，其瓜梗饱满且含有水分，较容易剪切；进入成熟中期(开花两周左右)瓜梗直径均值约为6.98 mm，此时期黄瓜生长进入到峰值，瓜梗中的含水量达到峰值，容易剪切，所需气动力较之前基本一致稍微偏低；成熟晚期(开花三周左右)瓜梗直径均值约为4.26 mm，此时期的黄瓜瓜梗逐渐变细，含水量降低，纤维管束生长的韧性越来越强，同时所需气动剪切力也随之增大。

3.1 气动剪切中刃口倾角对剪切的影响

不同刃口倾角在剪切中的效果与结果如表2所示，当刃口倾角为8°时，成熟晚期黄瓜在剪切之后毛刺较为明显，且瓜梗剪切部位被压扁。由图10可知刃口倾角越小，所需气动力越大，成熟晚期的黄瓜在刃口倾角较小时所需气动力，远大于刃口倾角较大时所需的气动力。由于在剪切过程中会有一定的滑切作用，刃口倾角越大，刀刃对梗的滑切作用越强，增强了刀具的切割能力。不同成熟度的黄瓜梗所需气动力的差距也逐渐减小，同时可以看出，刃口倾角越来越小，滑切也逐渐减弱，因此，剪切中选择刃口倾角为26°，此时剪切效果较好。由图10可知，不同刃口倾角剪切所需气动力所产生的偏差，主要由于剪切中存在滑切角，滑切角的产生与被剪切物体和刀刃的相对运动有关。由于瓜梗的表面粗糙程度与韧性各异，对相对运动有一定影响，从而会造成不同程度的滑切，因此刀刃与瓜梗处于临界位置时瓜梗会有一定的滑移，滑移造成的刃口倾角角度偏差不超过±0.5°。在成熟晚期，由于不同生长环境所造成的各个黄瓜之间的差异性更加显著，使得滑切效果各异，因此偏差较其他时期更大，且不超过±0.015 MPa。

表2 刃口倾角试验记录表Tab. 2 Chart of blade inclination test record

图10 不同刃口倾角剪切所需气动力均值变化Fig. 10 Change of aerodynamic mean value for shear at different cutting angles

3.2 气动剪切中削切角对剪切的影响

不同削切角在剪切中的效果如表3所示，当削切角为45°时，成熟晚期黄瓜的瓜梗较难切断，且剪切部分被挤压，切面不平整。

表3 削切角试验记录表Tab. 3 Chart of cutting angle test record

由图11可知削切角越大，所需气动力越大，与成熟初期相比，成熟中期所需气动力稍小，成熟晚期较其他时期所需气动力大。黄瓜梗的维管束纤维直立排布，只有当刀刃与维管束垂直时所需压力较小。在剪切试验中当削切角较大时，刀刃与瓜梗接触面变大，压强减小，因此刀刃无法完全剪切瓜梗中的维管束，对瓜梗形成挤压。通过试验，削切角为0°时每个成熟时期所需的气动力最低，因此当削切角为0°时剪切效果较好。从图11中可以看出，随着削切角的增大，在各个成熟时期剪切所需气动力的标准偏差总体增大，当瓜梗与刀具之间存在削切角时，剪切瓜梗的截面会增大，同时，黄瓜梗具有一定的柔性，在剪切时，瓜梗与刀刃接触的部位会出现一定的弯折，从而造成削切角的偏差，偏差不超过±2°，削切角增大瓜梗的弯折程度越大，所需气动力的偏差随之增大，偏差不超过±0.008 MPa。

图11 不同削切角剪切所需气动力均值变化Fig. 11 Change of aerodynamic mean value for shear at different cutting angles

3.3 气动剪切中斜切角对剪切的影响

不同斜切角在剪切中的效果与结果如表4所示，当斜切角为45°时，成熟晚期刀刃与瓜梗接触部分被压扁，且瓜梗难被完全切断。

表4 斜切角试验记录表Tab. 4 Bevel angle test record

由于黄瓜梗表皮纤维密集，瓜梗强度主要由表皮、机械组织和维管束来承担，薄壁组织起连接和传递载荷的作用，藤蔓的机械组织越发达，表皮越厚，维管束越多，瓜藤抵抗外力的能力越强，因此剪切黄瓜梗，主要是对黄瓜梗中维管束和机械组织的切割。由图12可知，当斜切角为15°时，各成熟时期剪切瓜梗所需的气动压力均为最低，所以斜切角为15°时剪切效果较好。不同斜切角剪切所需气动力产生的偏差主要是由于维管束的分布不均所造成的，因此维管束与刀刃存在角度偏差，偏差不超过±2°，且瓜梗的维管束韧性不同，因此，斜切角增大时剪切所需气动力的偏差也相对增大，不超过±0.007 MPa。

图12 不同斜切角剪切所需气动力均值变化Fig. 12 Change of aerodynamic mean value required for shear at different bevel angles

4 结论

在已有的黄瓜采摘装置的研究中，多利用铡刀型或气旋式切割装置对黄瓜梗进行切割，完成一次切割的时间较长，且效果不佳，切面平滑度尚有欠缺。相较之下，本文针对温室黄瓜采摘设计了一种气力驱动的黄瓜梗剪切装置，并利用该装置进行了剪切试验，得出装置的最佳参数，从而解决切面不平滑与切割时间较长的问题。针对不同成熟度、不同刃口倾角、不同削切角、不同斜切角等参数对黄瓜梗剪切效果的影响进行研究得到以下结论。

1) 成熟中期(开花两周左右)的黄瓜瓜梗更易被剪切，且此时黄瓜梗生长到达峰值，经过一段时间生长，黄瓜瓜梗的含水率逐渐降低，纤维强度增强，且中心逐渐形成孔状，剪切较难。

2) 当刃口倾角为8°～26°时，由于切割黄瓜梗时存在滑切，刃口倾角越大，滑切角越大，刀具的剪切能力越强，当刃口倾角为26°时所需的气压压力较小，剪切效果较好。

3) 当削切角为0°～45°时，随着角度增大切割黄瓜梗时所需气压压力逐渐增大。当削切角为0°时所需气压压力较小，剪切效果较好。

4) 当斜切角在0°～45°时，切割黄瓜梗时所需气压压力先降低后增加，且增幅渐大。当斜切角为15°时所需的气压压力较小，剪切效果较好。