叶菜类蔬菜柔性起伏振荡梳理机构设计

高玉芝，王君玲，高 欣，张卫国，赵学军

(1.河北省智能装备数字化设计及过程仿真重点实验室，唐山学院，河北 唐山 063000；2.唐山兰坨机械设备有限公司，河北 唐山 063000)

0 引言

我国是蔬菜生产大国，近年来蔬菜的产量和产值均超过粮食[1]。蔬菜的产销量中叶菜类蔬菜占30%～40%[2]。在蔬菜生产作业中，收获作业约占整个作业量的40%，而收获后的清理、收集和打捆等工作量巨大[3]。实际生产过程中，由于收获后的蔬菜处理不当，导致蔬菜品质下降、腐烂，不但导致浪费，而且影响到农民收益。

根据我国北方设施农业生产实际，研究和设计了一款结构紧凑、易于操作和控制的叶菜类收割机。本研究是课题研究系列成果之一，柔性起伏振荡梳理机构是智能叶菜类收割机的重要部分之一，决定着收割后的叶菜类蔬菜的梳理、整理质量，同时，该机构也是收集和打捆的重要前提和保障。

1 设计背景

在蔬菜生鲜流通行业，出货前需要对蔬菜生鲜按照客户的要求对不同品种的菜品按照质量标准进行筛选，尤其是叶菜类蔬菜，菜叶比较脆弱，很难实现机械筛选[4]。传统的生产方式是需要大量的工作人员同时进行人工操作，将刚采摘的新鲜蔬菜摘除废叶，抖落根部的泥土杂质，同时完成对蔬菜的梳理，以便进行后续的装箱或打捆，然后进行分装出售。如此一来工作量巨大，需要劳动力较多，效率低下，并且筛选品质难以统一进行衡量。因此急需一种能够自动筛选整理蔬菜的机械装置，在不损坏蔬菜的情况下来提升筛选整理的工作效率。

为了解决叶菜类蔬菜收获、清理、整理过程中的问题，提高工作效率，降低劳动力成本，在智能叶菜类收割机设计中专门设计了柔性起伏振荡梳理机构，用以克服叶菜类嫩脆易损、机械梳理难度大的技术难题。本研究通过低频振荡机构上下前后运动与旋转偏置簧片柔性接触叶菜上下前后运动的机构结合，实现对蔬菜根部戳齐叶片舒展的无损整理功能。

2 总体设计

柔性起伏振荡梳理机构是智能叶菜类收割机中的一个重要组成部分。工作中，收割机通过前端的收割刀将切割下来的叶菜类蔬菜通过传输装置运输到起伏振荡梳理机构，通过本机构抖落蔬菜根部的泥土杂质，同时通过柔体戳放整理机构完成对蔬菜的梳理，以便进行后续的装箱或打捆[5-6]。

柔性起伏振荡梳理机构由起伏振荡和柔体戳放整理两个机构组成，实现两种功能，机构的结构原理如图1所示。

2.1 起伏振荡机构结构设计

起伏振荡机构主要包括振荡电机、振荡底板、振荡盘和筛板(包括网格板和支架)，网格板的两侧通过支架固定安装在所述振荡盘上表面。

筛板的两侧间隔均匀设置有若干转动(筛选)拢放升降机构，相邻的两个转动(筛选)拢放升降机构之间设有介齿轮，筛板的两侧均设有减速电机，减速电机与控制器连接。转动(筛选)拢放升降机构垂直安装于振荡盘上，每一个转动(筛选)拢放升降机构均包括转动轴杆和转动齿轮，减速电机的转轴上设有电机齿轮，转动齿轮与电机齿轮啮合，相邻的两个转动(筛选)拢放升降机构的转动齿轮分别与介齿轮啮合。

转动齿轮固定套装于转动轴杆的下端，转动轴杆上设有轴承，转动轴杆通过轴承垂直安装于振荡盘上。

振荡机构还包括与振荡盘倾斜5°～20°角设置的振荡底盘，振荡底盘和振荡盘之间由振荡电机和振荡橡胶弹簧支撑，振荡电机横向固定安装于振荡底盘上。筛板安装于振荡盘上。

振荡橡胶弹簧内部摩擦越大，减振效果好，有利于越过共区，衰减高频动和噪声；弹性模量比金属小得多，可产生较大弹性形变，没有滑动部分，易于保养，质量小，安装和拆卸方便，冲击刚度高于静刚度和动刚度，有利于冲击变形。

减速电机固定安装在振荡底盘和振荡盘之间，更加节省空间，减速电机的转轴贯穿所述振荡盘与电机齿轮固定连接。

2.2 柔体戳放整理机构结构设计

柔体戳放整理机构主要包括减速电机、电机齿轮、转动齿轮、介齿轮、转动轴杆和若干弹簧片组成。弹簧片呈发散螺旋状环绕间隔均匀安装在转动轴杆的外围，弹簧片外围装有布套或气囊，布套柔软的表面能防止弹簧片直接与蔬菜接触损伤蔬菜；转动轴杆通过轴承垂直安装在起伏振荡机构的振荡盘上。

1.轴套 2.轴套齿轮 3.介齿轮 4.穿布套簧片 5.筛板 6.振荡盘 7.固定簧片螺丝 8.减速电机 9.弹簧片 10.轴杆 11.轴承 12.电机齿轮 13.振荡电机 14.振荡底盘 15.振荡橡胶弹簧图1 柔性起伏振荡梳理机构结构Fig.1 Structure of flexible undulating vibration carding mechanism

2.3 工作原理

在实际使用中，振荡电机旋转频率设定为100～200 r/min以防止振荡对菜根端的损坏，取放蔬菜的偏置弹簧片对称布局，弹簧片的两端上下错落15～30 cm固定，整理后能保持蔬菜根部整齐，并且使得叶片舒展，同时自行适应收割量不同的变化，且在因振荡盘倾斜角度作用与拢放升降机构同步运送蔬菜进入下一工序。工作时，减速电机转动，带动电机齿轮转动，电机齿轮传动给转动齿轮，带动转动轴杆及弹簧片转动，其中介齿轮起到传动和同步同向的作用，弹簧片拨动叶类蔬菜(开始筛选整理工作)在筛板上做上下及拢紧放松运动，筛板随着振荡机构振荡，落在筛板上的蔬菜随之振动，将蔬菜的坏叶和杂质抖落，通过筛板漏下，剩下的合格蔬菜一边继续随筛板振荡，一边在偏置弹簧片的拨动下完成蔬菜根部的对齐工作，然后继续随着振荡的方向前进，移动到筛板出料的一侧被收集打包。

3 三维建模

本机构作为智能叶菜类收割机的重要部分之一，决定了收割后的叶菜类蔬菜的梳理、整理质量，也是收集和打捆的重要前提和保障。为了更好地完成后续样机制造，运用CATIA软件，对机构进行了三维仿真建模[7]。参数化设计是现代CAD软件的核心技术，目前已经得到广泛应用[8]。利用参数化设计手段可使设计人员从大量烦琐的设计、计算、绘图工作中解脱出来，提高设计效率，缩短产品开发周期，降低成本，增强市场竞争力[9]。在研究中，利用CATIA软件完成了本机构的参数化设计。

柔性起伏振荡梳理机构的三维建模包括所有零部件的建模、虚拟机构整体的装配。柔性起伏振荡梳理机构的建模采用自底向上的方式进行，即依据相关零部件的结构和尺寸建立起三维模型，然后完成的装配体建模，按照各零部件之间的装配及约束关系进行组装，最后建立虚拟样机，如图2所示。在装配阶段可以根据干涉结果分析干涉原因，同时在虚拟样机中进一步完成振荡梳理机构的运动学分析，在产品的试验阶段，可以减少对物理原型的依赖，缩短产品的设计周期，提高设计质量，减少设计成本[10]。

1.电机齿轮 2.网格板 3.支架 4.穿布套簧片 5.转动轴杆 6.振荡盘 7.振荡底板 8.转动齿轮 9.介齿轮 10.减速电机 11.振荡电机 12.振荡橡胶弹簧 13.底板总成 14.转动轴杆 15.弹簧片 16.布套图2 柔性起伏振荡梳理机构模型Fig.2 Model of flexible undulating vibration carding mechanism

为了能够更清楚地表达柔性起伏振荡梳理机构的工作原理，将其安装在收割机模型上，如图3所示。

图3 柔性振荡梳理机构在收割机上的位置Fig.3 Position of flexible undulating vibration carding mechanism on harvester

4 结束语

针对蔬菜收割后的处理即振荡和梳理工作设计了柔性起伏振荡梳理机构，完成了以下工作。

(1)完成了叶菜类蔬菜柔性起伏振荡梳理机构的设计。

(2)阐述了振荡机构、梳理机构的工作原理。

(3)对机构的零部件进行了参数化设计及虚拟样机装配。

以上工作为后续机器加工和制造奠定了基础，同时也为类似机构的设计提供了理论和实践依据。