基于全地形的水果打包套膜小车设计_陈龙.pdf

机械与动力工程河南科技Henan Science and Technology总第799期第5期2023年3月基于全地形的水果打包套膜小车设计陈龙1何学传1祝胜1周贤志1陈勇2荣长霄1（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）摘要：【目的目的】为了保证农民种植的果蔬质量，防止果蔬在运输过程中因磕碰而使CO2浓度过高，导致水果腐烂。【方法方法】本研究通过使用旋转网袋装置、压力感应装置、球形扩展装置、双出入口以及选装清洗、烘干设计来对套膜打包进行仿真设计，并使用Ansys Workbench软件对该装置的关键部件进行有限元分析。【结果结果】在运输路面状况不良时，接触力会传递到果实的深处，果实内部的组织细胞会吸收该能量，对果实造成损伤，从而造成果实品质的下降。因此，合理巧妙地利用包装，能减少水果在运输过程中所受到的机械损伤，避免产品价值的流失。【结论结论】仿真结果表明，本研究所设计的水果打包套膜小车结构合理。关键词：多地形打包车；双输出；有限元分析中图分类号：TG333文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）05-0047-04DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.05.009Simulation Study on Fruit Packing and Film Cart Based on All TerrainCHEN Long1HE Xuechuan1ZHU Sheng1ZHOU Xianzhi1CHEN Yong2RONG Changxiao1（1.School of Science and Technology,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China;2.School of Mechanical Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）Abstract:PurposesIn order to ensure the quality of fruits and vegetables planted by farmers and prevent the high concentration of CO2caused by the collision of fruits and vegetables during transportation,resulting in fruit decay.MethodsIn this study,the simulation design of film packaging was carried outby using rotating mesh bag device,pressure sensing device,spherical expansion device,double inlet andoutlet,optional cleaning and drying design,and the key components of the device were analyzed by Ansys Workbench software.FindingsWhen the transportation road condition was poor,the contact forcewould be transmitted to the deep part of the fruit,and the tissue cells inside the fruit would absorb the energy and cause damage to the fruit,resulting in a decline in fruit quality.Therefore,reasonable and ingenious use of packaging can reduce the mechanical damage of fruit during transportation and avoid theloss of product value.ConclusionsThe simulation results show that the structure of the fruit packagingfilm car designed in this study is reasonable.Keywords:Multi-terrain chartering;Double output;Full automation of simulation;Finite element analysis0引言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，才能从收稿日期：2022-10-26基金项目：湖北省2022年大学生创新训练项目“全地形水果套膜打包小车”（202213248005）。作者简介：陈龙（2001），男，本科生，研究方向：机械设计制造及其自动化。通信作者：陈勇（1972），男，本科，实验室主任，高级实验师，研究方向：数字化设计与制造。48第5期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。1小车设计方案据了解，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。2工作原理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。3水果打包套膜小车的主要结构设计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1打包套膜小车整体仿真图1.万向轮；2.脚杯；3.滑出道；4.滑入道；5.自动脱离勾；6.旋转支架；7.电机；8.电机固定支架；9.网兜放置架；10.防回缩挡片；11.小球限位支架；12.不锈钢轻质小球；13.熔断丝；14.载物碗；15.气压推杆；16.载物碗。图2包装机工程流程图陈龙，等.基于全地形的水果打包套膜小车设计87654321910111213141516电机固定支架气压推杆挡片旋转支架自动脱离钩子第5期493.1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。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。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。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。4关键部件的强度分析及计算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。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。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）。=Fb/So（1）式中：为强度极限，MPa；Fb为承受的最大力，N；SO为原横截面积，mm2。图3轻质不锈钢扩张网兜图4脱离钩钩子板簧弹簧撞针图5加装清洗槽表1铝合金钣金的力学性能参数数值密度/（g/mm3）0.002 72弹性模量/GPa206泊松比0.25屈服强度/MPa345抗拉强度/MPa518陈龙，等.基于全地形的水果打包套膜小车设计图6加装烘干机图7有限元分析挡片小球限位支架不锈钢小球水槽导管喷头传送带风扇紫外线灯传送带护罩0.0750.2250.0000.1500.300（m）A：Static Structural等效应力类型：等效（VonMises）应力单位：Pa时间：12022/10/22 16:223.432 5e6最大3.051 2e62.669 8e62.288 5e61.907 2e61.525 9e61.144 5e67.632e53.818 7e5537.04最小50第5期材料的屈服强度 s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max