金针菇自动采收机械设计_施火结.pdf

FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索金针菇自动采收机械设计*施火结1、2苏庆列1谢俊淋1黄学烟1李西兵2*高育森2（1.福建船政交通职业学院，福建 福州 350007；2.福建农林大学，福建 福州 350002）摘要：我国食用菌行业在采收等后端环节急需自动化升级改造。文章开发一种金针菇自动采收机，在对金针菇物性和采收特性研究的基础上，通过对采收机械手爪结构及材料的创新研究，采用硅胶材料做成一种自适应金针菇瓶身的结构，避免了采收时对金针菇捏伤挤烂的现象。该机工作流程与现有生产工艺相结合，无须改变旧工艺，具有结构简单、自动化程度高、运行可靠和成本低的特点。关键词：金针菇；自动化机械；采收机械手中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1004-3969（2022）04-001-05Mechanical Design of Automatic Harvesting of Enoki MushroomsSHI Huojie1，2，SU Qinglie1，XIE Junlin1，HUANG Xueyan1，LI Xibing2*，GAO Yusen2（1.Fujian Chuanzheng Communications College，Fuzhou，Fujian，350007，China；2.Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian，350002，China）Abstract：Our countrys edible mushroom industry is in urgent need of automation upgrade in the subsequent process such asharvesting.An automatic harvester of Enoki mushroom was developed，based on the research on the physical properties and harvestingcharacteristics of mushrooms.Through the innovative research on the structure and material of the claw of the harvesting machine，anadaptive Enoki mushroom bottle structure made of silica gel material was adopted to avoid pinching and crushing of Enoki mushroomduring harvesting.The work flow of the machine is combined with the existing production process without changing the old process.Ithas the characteristics of simple structure，high degree of automation，reliable operation and low cost.Key words：Enoki mushroom；Automatic machine；Harvesting manipulator*福建省科技厅引导性项目（2020N0006）作者简介：施火结（1981），男，博士，讲师，主要从事机械产品开发；通讯作者：李西兵（1973），男，博士，教授，主要从事非传统加工工艺与装备。近年来，食用菌行业快速发展，成为继菜、粮、果、油、药之后的第六大产值的农产品行业1。据中国食用菌协会统计2，2020 年全国食用菌总产量达4061.42万t（鲜重），年产值约3，465亿元，年出口创汇达到 40亿美元，占我国农产品出口总额的 5%以上。目前，我国每天生产各种新鲜食用菌6万t，其中60%是以鲜品形式供应市场，在各地批发市场和超市上流通的常见食用菌多达40-50种，是群众“菜篮子”中不可或缺的农产品3。食用菌富含各种人体必需的氨基酸和矿物质，以及特有的多糖和三萜类化合物，可增强人们身体免疫力，深受老百姓的青睐4。食用菌是我国农产品中为数不多的能工业化、智能化、规模化生产的品种5。现代食用菌产业已呈现向机械化、自动化、集约化、标准化方向发展的趋势。但目前在菌菇采收、切制、分选、称重和包装等后端环节，基本是采用大量人工借助简易工具作业。随着劳动力日益短缺，尤其受疫情影响，企业招不到工人，导致生产难以开展，已经严重制约了菌菇企业的发展。菌菇企业急需机械化、自动化升级改造。本文所开发的金针菇自动化采收机械，对于推动这一进程、推动行业技术革新具有重要意义。1FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索1金针菇自动采收机械研究现状1.1文献检索情况在知网上，以“金针菇 and 采收 and 机”作为检索词未能检索到金针菇自动采收机械的相关文献，以“菌菇 and 采收 and 机”，甚至“食用菌 and 采收 and机”作为检索词得到同样结果。以“食用菌 and 机”作为检索词，删除不相关关键词（即图中灰色部分），检索结果主要集中在接种机、套袋机、搅拌机和烘干机方面，见图1。这些研究论文较均匀分布在近30年中，见图2。图图1 1食用菌机械方面检索结果分布图食用菌机械方面检索结果分布图Fig.1 Distribution of search results of edible fungi machinery图图2 2食用菌机械方面研究论文年份分布图食用菌机械方面研究论文年份分布图Fig.2 Year distribution of research papers on edible fungi machinery由此可见，该领域研究较少，另据行业内人员介绍，目前市面上也尚未有金针菇自动采收的机械。1.2相关知识产权情况如图3、图4所示，为SooPAT专利检索平台综合分析检索到的国内有关食用菌智能采收机械专利申请量及食用菌智能采收机械专利领域分布数据，具有如下特点：1）关于食用菌智能采收机械，此类专利2006年之前几乎没有人申请，但是近5年的申请量在逐步攀升；2）其中食用菌智能采收机械涉及农业领域最多，在化学和运输方面也有些涉及，近几年的数据说明该类机械有其开发的必要性和紧迫性。图图3 3食用菌智能采收机械专利申请量食用菌智能采收机械专利申请量Fig.3 Number of patent applications for intelligent harvesting machineryof edible fungi图图4 4食用菌智能采收机械专利领域分布食用菌智能采收机械专利领域分布Fig.4 Distribution of patent fields of intelligent harvesting machineryfor edible fungi3）通过与查询到的一些金针菇采收装置的专利对比，本文开发的金针菇自动采收机械在原理和主要结构上与现有专利完全不同。1.3金针菇采收机械现状金针菇是我国食用菌行业中实现工厂化生产、主要生产环节机械化和自动化程度较高的品种，但金针菇采收机械以及相关种植机械的研究报道较少，其原因主要是这些机械设备大都引进自欧美、日本、韩国和台湾。瓶栽金针菇的种植过程涉及混料、装瓶、接种、搔菌、挖瓶和搬运等环节的设备开发较早，目前较为完善、成熟，但在个别工艺环节上如养护、采收等，以及新工艺如液体接种等方面的技术设备需进行开发或优化改进，以及整套生产线进行提升6。1.4技术难点和发展趋势开发金针菇自动采收机械，其技术难点在于金针菇不像工业品，产品一致性差，难以进行可靠的自动 2FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索定位、固定。另一方面原因在于金针菇通常物性较脆、嫩，容易捏伤挤烂，导致采收效果差。鉴于上述原因，此类机械产品开发的失败率较高，因此金针菇采收机械较为缺乏。但这与生产实际需求相矛盾，金针菇采收等后端环节具体包括采收、切制、分选、称重和包装，目前基本是人工作业，耗工量大，而且工人在冷库环境下长年累月工作，对身体的危害较大。随着中国人口的老龄化，特别是低端劳动力人口的减少，金针菇生产企业普遍存在着招工困难的困境。因此，开发金针菇自动采收机械势在必行。2金针菇自动采收机械主要设计内容2.1工艺流程设计及节拍分析1）工艺流程目前金针菇的采收工艺，其工序流程包含撕挡菇片、采菇、切根、装框搬运、称重和包装，采用本文所开发的机械后，将自动完成采菇，省去装框搬运工序，可节约不少劳动力，并且便于结合其余3道工序：切根、称重和包装，实现完全自动化。2）生产节拍计算本设计采用流水线节拍的计算方法。计算公式如下：r=TN（1）式中，r为生产节拍；T为计划期有效工作时间，s；N为计划期有效工作时间产量，瓶。以每天生产10万瓶的中等规模企业为例，农业生产通常作业时间较长，每天生产10 h，设计方案为4瓶/组进行加工，则r=TN=3600 10100000 4=1.44(s)2.2总体方案及整机结构总体方案的设计按照简单、经济、宜人的原则，充分考虑食品生鲜行业的特殊性，如残余垃圾清洁、机械油污隔绝问题。同时，要求结构尽量紧凑、便于制造与装配调节、便于操作与维修使用等。按照生产实际的调研、分析，设计了整机结构，如图5所示，主要由进料传送带、固定叉架、采收机械手和出料传送带组成。图图5 5整机结构整机结构Fig.5 Complete machine structure1.纵向导轨；2.横向导轨；3.机械手臂；4.机械手体；5.机械手爪；6.金针菇；7.固定叉；8.进料传送带；9.出料传送带；10.进料传送带该方案的主要工作过程如下：金针菇每16瓶按44放置于定制的塑料筐中，由进料传送带输送至固定叉架处，位置传感器检测到该信息后，控制系统控制进料传送带停止运行，同时固定叉将塑料筐固定住。紧接着，机械手在检测与控制程序作用下，沿着横向和纵向导轨将张开状态下的4对机械手爪送达金针菇根部靠近瓶口位置，执行采收动作，具体工作过程在2.3说明。机械手爪握住金针菇后，在横向前后快速移动2次，目的是将金针菇根部松动，然后机械手沿纵向运动将金针菇向上提取，实现金针菇采摘。最后，机械手将金针菇放至出料传送带上输送至下一道工序，即包装或切根后包装。在整个采摘过程中，另一边的采摘机械手同时运作，工作原理相同，从而使得整机的采摘效率更高。2.3关键机械结构设计采收机械部分包括机械手臂、机械手体和机械手爪3部分。机械手臂较为简单，只有伸缩动作。机械手体和机械手爪的作用是抓握住金针菇，设计重点在抓握结构及材料，目的是尽可能避免采收时发生对金针菇捏伤挤烂的现象。该部分也是设计的关键点，下文统称为采收机械手。1）采收机械手设计如图6所示，采收机械手主要由驱动气缸、动力 3FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索连接块、手爪支架、手爪柔性结构、压力传感器和手爪连接块组成，压力传感器卡在手爪柔性结构中，为硅胶材料做成的一种自适应金针菇瓶身的结构。采收机械手设计有4对手爪，工作时，机械手靠近要收获的金针菇，当手爪到达金针菇底部两侧时，两端的驱动气缸使活塞杆相向移动，驱动上部和下部动力连接块移动，通过与其连接的手爪连接块，左右2组手爪分别被驱动相对移动，从而在手爪柔性结构的作用下，金针菇瓶身被完全包裹，并利用金针菇表面组织与硅胶材料之间的摩擦力夹住 4株金针菇的底部。当压力传感器达到预设值范围时，驱动气缸停止移动，完成夹紧动作。采后收集时，朝相反方向移动的气缸活塞杆通过动力连接块和手爪连接块驱动2组手爪向外移动。最终，在传送带上松开采下的4株金针菇。1 2 345图图6 6采收机械手结构图采收机械手结构图Fig