陈 龙 何学传 祝 胜 周贤志 陈 勇 荣长霄
（1.湖北汽车工业学院科技学院，湖北 十堰 442002；
2.湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北 十堰 442002）
2021 我国共生产水果29 611 万t，水果的需求量为29 912 万t，果园面积为1 296 万hm2，水果市场的规模高达万亿元。如此庞大的水果产量，包装是重要的一环，大部分水果在包装完成后，才能从果园运输到消费者的手中。在运输过程中，如果没对水果进行包装，则极易出现损坏、磕碰等现象。无论国内市场还是国外市场，随着消费者对鲜果质量和外观的要求越来越高，使得优质高档水果的价格更高、销路更好、经济效益更高。目前，我国优质果的产量占总产量的比例不到10%，达到出口标准的优质果的产量占总产量的比例更是不足5%。而使用套膜对水果进行包装，能有效减少果蔬在运输的过程中发生磕碰，且能降低水果的呼吸，防止因CO2浓度过高而导致水果腐烂［1］。为了解决水果在包装过程中人力需求较大、耗时较长、人力资源浪费等问题，本研究设计出一款水果自动包装机械，在解放农民双手的同时，还使经济最大化得到保证。
据了解，市场上的水果包装机种类繁多，但其普遍存在体积大、机构复杂、价格昂贵等问题［2］，消费者对现有的水果包装机不是很满意。目前，消费者迫切需要一台体积小、方便运输、价格低、效率高的水果包装机。因此，本研究设计的新型水果打包套膜小车要在保持原有包装效率和网兜质量的同时，对现有的包装方式进行基础性改进。
本研究设计的新型水果打包套膜小车的外形是由钣金件构成的，在减小体积的同时，可实现生产价格的进一步降低。在对水果进行打包时，其主要模仿人的打包方式，将不锈钢轻质小球放入泡沫网兜中，从而撑开网兜。旋转支架和自动脱离勾将网兜提拉至滑入道口处，水果在经过前处理后，通过滑入道滑入网兜，并落到载物碗中，重力感应器将信号传递给熔断丝，从而将网兜切断，旋转支架带动自动脱离勾脱离，载物碗释放水果，水果滑落滑出道，从而完成包装。水果打包套膜小车的整体仿真如图1所示。
图1 打包套膜小车整体仿真图
全地形水果打包套膜小车的外形是由钣金件组成的，在保证实用性的同时，减轻整车的质量，便于其在多地形的果园中行驶。全地形水果打包套膜仿真小车的工作原理如下。通过安装三只低重心万向轮，在保证小车移动的同时，还能用于控制方向和重心。在万向轮上安装两只可调节高度的脚杯，能在不平整的地形中及时调整小车的水平，从而保证小车能正常工作。滑入道能确保水果准确落到预定的位置，自动脱离勾将网兜提拉到指定位置后，撞针撞击滑道中的撞耳弹簧，使其收缩，从而实现自动脱离。
旋转支架用于固定自动脱离勾，并带动钩子运转。电机采用低能耗的微型交流齿轴电机，电机固定支架是由两片半圆形铁片组成，固定电机采用螺栓进行固定，便于拆卸。网兜放置架采用掏空打孔式设计，可根据网兜的大小进行任意调节，不工作时可以收起。
小球限位支架是由六根支柱组成的，上下各两根、左右各一根，从而保证不锈钢轻质小球在预定轨道内运动，防回缩挡片用来防止网兜因回弹而脱离工作区，熔断丝在接收到重力传感器传来的信号后会切断网兜，气压推杆在熔断丝工作完成后，推动载物碗将水果释放，并通过滑出道将水果滑出，从而完成包装。
该小车的主体是由大量钣金件构成的，体积小、质量轻，底部装有移动轮，运输方便，且采用双入口、双出口的设计，在确保装置体积不大的同时，还能保证水果的打包效率。包装机的结构如图2所示。
图2 包装机工程流程图
3.1 网兜扩张设计
不锈钢扩张网兜是由轻质不锈钢小球、小球限位支架、挡片组成。轻质不锈钢小球用于扩张网兜，挡片位于小球限位支架的前端，使不锈钢小球在扩张网兜的同时，避免水果滚落出工作范围。在挡片中还增加了防回缩钩，防止网兜因自身张力回缩而脱离工作区。本研究参考张心人境等［3］的自动打包机控制系统设计，设计出的轻质不锈钢扩张网兜如图3所示。
图3 轻质不锈钢扩张网兜
3.2 自动脱离钩设计
自动脱离钩是由撞针、弹簧、钩子、板簧组成。当钩子将网兜提拉到指定位置后，撞针会撞击滑道中的撞耳弹簧，从而使其收缩，撞针推动勾子末端来压迫板簧，并推动钩子回缩，以达到自动脱离的目的。用简单的机械机构来完成相关操作，在减少能耗的同时，提高可靠性。脱离钩的示意图如图4所示。
图4 脱离钩
3.3 清洗装置
清洗装置是由一个小型水泵和不锈钢圆管传送带组成，如图5 所示。将其设计成可拆卸式的，能有效满足中层果农的需求。使用水泵清洗果蔬有两个优点，一是能给予更大的压力，更有利于冲掉果蔬上的泥土；
二是能有效节约水资源，从而实现水资源的循环利用。
图5 加装清洗槽
3.4 烘干装置
烘干装置由护罩、传动带、风扇、紫外线灯组成。在清洗完水果后，如果不进行烘干的话，水果上将残留有水珠，导致水果腐烂过程加快，紫外线灯能有效消杀一些残留的农药。烘干装置的示意图如图6所示。
图6 加装烘干机
在完成整体结构设计后，对模拟样机的关键部件进行力学验证，采用有限元分析对其结构进行仿真分析。本研究参考贾慧娜［4］基于ANSYS 的金属板材拉伸模拟分析，对样机的关键部件进行仿真分析，结果如图7所示。
图7 有限元分析
为防止滑入道在使用过程中出现损坏，并降低生产成本，本研究采用铝合金钣金，其力学性能见表1。
表1 铝合金钣金的力学性能
普通果蔬的重力在10 N 左右，可将10 N 的力直接施加在滑入道上，计算其形变以及在接受压力过程中每一处产生的应力、最大应力处的变形量。其强度极限的计算公式见式（1）。
式中：σ为强度极限，MPa；
Fb为承受的最大力，N；
SO为原横截面积，mm2。
材料的屈服强度σs为345 MPa。板材在工作过程中不发生破坏的条件是其所受到的最大应力值σmax不超过许用应力［σ］，即σmax≤［σ］，而许用应力［σ］=σs/s。当安全系数s取1.3 时，得到［σ］=256.38 MPa。经过有限元分析计算，得到其等效应力为3.146 2×108～1.260 6×109 Pa，满足设计要求［5］。
本研究设计的小车采用的是可拆卸模块，根据需要来添加或减少功能，可满足用户在不同情况下的使用需求，能一次完成适用各种包装材料的输送、料理、封口切断、包装等。直接接触水果的部分采用软性材料进行铺垫，能更好地保护水果表面，避免出现碰伤。该小车的整机结构紧凑、牢固、设计合理、简洁。本研究的设计参考郑志伟等［6］的球形水果气柱袋全自动包装机的设计方案。
本研究设计的装置通过移动模块在不同地形中进行移动，相较于传统的流水线，其能适应多种工作场景。网袋提拉装置巧妙地解决了泡沫网袋易损的问题，能有效弥补此类包装领域的空白。本研究设计的装置参考徐勤超等［7］的球形水果塑料发泡网套包装机设计与试验。
本研究设计的装置采用双进双出的设计，在保证包装质量的同时，能最大程度地利用车内空间，提高包装效率。该小车采用电池续航与外接电源的两种方式，包装机构采用简单的机械结构电器元件，能满足小车在外工作一天的续航要求。
本研究设计出一款操作便捷、效率高、体积小、价格低的全地形水果打包套膜小车。该项目在投入市场后，能加快市场经济的运转，易于在各地区的果园进行推广使用，未来存在着巨大的社会效益和经济价值。本研究通过自主创新，设计出一款全地形水果打包套膜小车，用于解决水果套膜包装过程中泡沫网兜的包装问题，能有效提高包装效率。通过有限元分析法对该装置在使用过程的等效应力和最大主弹性应变量进行分析，计算结果与校核计算值误差率小于6%，表明该有限元模型具有较高的准确性。
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