张更娥 丁源 黄晓进

摘 要：香蕉是世界东南亚地区的主要经济支柱，为了提高经济效益，提高采摘的工作效率和保证香蕉的无损伤采收和储存，减轻劳动工人的体力劳动及进一步提高采摘的效率，使其实现半自动化和全自动化采摘香蕉。文章所设计的香蕉采摘机能大幅度降低劳动程度，有效的提高工作效率。在电机带动绞盘机使得钢丝绳升降的过程中，利用双棘轮机构使得机械达到自锁、安全、便捷的目的，可以有效的提高劳动工人的安全。本作品涉及设计突破市场现有技术，具有低成本，高效率，高安全和普适性等优点。该装置原理简单易行、成本低、适用范围广，市场推广性强。

关键词：香蕉采摘机;节能;设计

中图分类号：U264.5  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）09-150-04

Design of a Banana Picking Device^*

Zhang Genge¹， Ding Yuan²， Huang Xiaojin²

（ 1. Nanning Institute， Guangxi Nanning 530200; 2.Shanghai Maritime University， Shanghai 201306 ）

Absrtact： Banana is the main economic pillar of Southeast Asia in the world. In order to improve economic efficiency， improve the working efficiency of picking and ensure the harvest and storage of banana without damage， reduce the manual labor of labor workers and further improve the efficiency of picking， make it realize semi-automatic and fully automatic picking of bananas. The banana picking machine designed in this paper can greatly reduce the degree of labor and effectively improve the working efficiency. The double ratchet mechanism is used to make the machine achieve the purpose of self-locking， safety and convenience， which can effectively improve the safety of workers. Design Breakthrough Market technology， with low cost， high efficiency， high security and universality. The device has simple principle， low cost， wide application range and strong marketing ability.

Keywords： Banana picking machine; Energy saving; Design

CLC NO.： U264.5  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）09-150-04

1 前言

香蕉是我國华南地区的主要经济支柱，正常年份我国香蕉产量约为1200万吨左右，全球香蕉产量增长至1.15亿吨。经调查，目前香蕉采收的主要方式为纯人工采摘，这种采摘方式，并不能很好的解决香蕉采收中急需解决的问题，主要为：香蕉的损伤，采摘效率低，花费时间长以及采摘人员的安全性等问题^[1]。为了解决上述问题，本文设计了一种半自动化的香蕉采摘机，可实现不同高度和不同长向香蕉的采摘，通过铰链连接来实现电动切割刀机构转动功能，方便对不同长向的香蕉进行切割，同时实现安全快速的切割功能^[2]。

设计的新型香蕉采摘机既可适用于大型的香蕉种植地，也适用中小型的香蕉采摘，功能实用，操作简单，省时又省力，本产品仅需要一人控制机械在两分钟之内就可以实现香蕉的快速安全采摘，这对大批量的香蕉采摘来说，在时间和经济效益上是非常明显的^[3]。

2 香蕉采摘机械总体设计

2.1 香蕉采摘机械设计

香蕉机械采摘机主要由小型两轴三轮式转弯半径小的底盘、正反转电机、绞盘机、双棘轮锁紧装置、钢丝绳、定滑轮、可实现360°旋转的轴承、立柱滑轨、往复式电机、香蕉切割刀片、焊接有往复电机底座的香蕉接收框、铜丝电线、蓄电池组成。在微耕机底盘（高620mm）中间焊接一块足够硬度的钢板，同时将可实现360°旋转的轴承（高度220mm）焊接在钢板上，人可以通过扶手来控制采摘机底盘的前进和后退。在可实现360°旋转的轴承上接一根规格为1700×40×40mm厚度为3mm的空心足够硬度的空心立柱，在立柱上一个面中央切割规格为1400×15mm的槽，再用俩颗螺钉链接放置在立柱槽内部500×30×6mm的钢板和香蕉接收框，在立柱顶部安装一个定滑轮，由钢丝绳链接放置在立柱槽内部的钢板和固定在立柱外侧（立柱槽对面）由直流正反转电机控制的绞盘机上，在绞盘机上安装双棘轮机构，用电线接好在框体上的24v往复式电机和固定在香蕉采摘机底盘上的蓄电池^[4]。

3 香蕉采摘机各主要参数设计

在香蕉采摘过程中，考虑到香蕉的安全采摘方式，将香蕉采摘机器分为三个部分，分别是切割部分、升降部分和底盘^[6]，其中切割部分主要切割生长在香蕉树上的香蕉;升降部分主要是运送切割好的香蕉到地面;底盘主要是带动香蕉采摘机灵活运动并在运动过程中起到稳定作用。

3.1 基本参数

3.1.1 香蕉基本数据

经过对浦北多处香蕉地实地测量，香蕉的统计尺寸：植株高度1800～2300mm，果指长190～210mm，果数130～149个，单产24～50kg。香蕉果实的生长朝向不一，果实总长度500mm。

3.1.2 设计整体参数

在香蕉生长和种植地多次测量香蕉种植间隙为2000×2000mm，因此设计车长1125mm、车宽700mm、载重量300kg、最小转弯半径700mm、割刀切割速度常规下0.059m/s。车辆使用钢筋与角钢结合焊接能够承受30000N，在香蕉地能够正常灵活运行。

3.2 切割机构

切割机构的主要功能是用来安全无伤地切断香蕉柄。主要由蓄电池、电线、24V直流电机、曲柄机构、刀片、弧形轨道切割刀座等构成。由蓄电池直接为电机转动，电机经过齿轮或链条等能量传动方式带动曲柄机构运动，由此带动刀片以一定的线速度进行往复式运动，实现香蕉切割要求，实现高效安全采摘香蕉^[8]。

香蕉切割部分设计直接影响香蕉采摘效率和果实外形完整性，往复式电机进行香蕉采摘以提高采摘效率的方法有两种。第一种是提高刀片的线速度，即增加电机电压;第二种是增加刀片活动行程（即增加电机所带动的转盘圆心到连杆机构连接处距离）及其锯齿的锋利度。

3.2.1 直流24V电机

根据香蕉种植环境及种植规律，选用24V直流电机，在电机带动曲柄机构中，曲柄机构活动位移即电机所带动的转盘圆心到连杆机构连接处距离的两倍即30mm，实现切割的同时提高采摘效率。

3.2.2 刀片

根据曲柄机构带动锯片运动为进出刀方式，需拉动50N的往复曲柄机构，选用龟背齿的锯片，该齿片能够在相应转速下提高切割速度^[10]。

3.2.3 切割底座

图1切割底座中，设计弧形滑轨固定在底座一端，另一端能在滑轨弧度中任意位置进行转动，运用绳索控制切割机构在任意位置停留并转动。

3.3 升降机构

升降机构的主要功能是对香蕉进行运输，根据表1、2、3等调查数据进行对香蕉采摘机器立柱设定为1700mm高度，根据立柱底下360°旋转轴承及香蕉升降机构可将筐体固定在能够采摘到香蕉的任意位置并进行锁止，确保底盘在环境复杂的香蕉地进行安全高效采摘，本设计中采用滑轮升降机构，主要是由运用直流24V正反转电机带动钢丝绳的上下运动实现框体的上下移动，电机峰值扭矩45n.m，额定转速0-2200r/min，设计双棘轮机构实现钢丝绳高度自锁。

1-360°旋转轴承 2-24伏正反转点机 3-有凹槽滑轨的立柱

4-香蕉接收框架 5-定滑轮 6-钢丝绳 7-双棘轮自锁装置 8-手摇绞盘机

9-正反转电机开关引线 10-带有调速器的正反转电机控制模块

3.3.1 手摇键盘机及双棘轮机构

如图3所示，在电机的带动下由小齿轮转动带动大齿轮，同时此装置是个减速装置，为保障香蕉采摘下降过程更好的保护香蕉的完整。在设计中主动轴（带小齿轮）上齿轮齿数为n₁、主动轴半径r₁（mm），从动轴（带大齿轮）上齿轮齿数为n₂、从动轴半径r₂（mm），由此可得钢丝绳最大上升、下降速度V（单位：m/s）。

3.3.2 定滑轮和钢丝绳

根据GB1102-74《钢丝绳》中钢丝绳的材料，初定钢芯的钢丝绳结构为3×37，公称直径为3mm，公称抗拉强度为1670MPa，通过钢丝绳重量及拉力表，得钢丝绳最小破断拉力为F₀=16.8KN。钢丝绳破断拉力总和N≥9185，用安全系数5理论上能吊约183Kg实际抗拉强度。

实际抗拉强度小于公称抗拉强度，钢丝绳承载破断能力应该满足F₀≥Fn=600x3.5=2.1KN。（其中F为最大工作静拉力，n为钢丝绳的安全系数），故钢丝绳的尺寸合适。

钢丝破断拉力总和=公称抗拉强度×钢丝总断面积（mm²）（4）

钢丝破断拉力=钢丝破断拉力总和×换算系数      （5）

鋼丝绳安全载重力=钢丝绳破断拉力÷安全载重系数（6）

选用GB1102-74钢丝绳，能够保障香蕉采摘过程的安全^[11]，实现安全采摘。

3.3.3 滑块钢板及香蕉接收框

香蕉接收框主要作用是承载已经切断的香蕉，主要由香蕉接收框架，网状框体组成，设计中选用直径为6mm的钢筋组合成的框架共0.96kg，（横截面半径d=3mm、圆周半径2×r250mm、l：3×400mm直钢筋）。

3.3.4 旋转推力轴承

360°旋转轴承主要作用是在香蕉采摘过程中，完成立柱任意角度转向，实现香蕉切割装置的准确采摘。根据图3-3所示根据图纸进行热处理，粗加工，精加工等步骤进行对直径为85mm长为250mm的高强度铁进行加工，高效采摘香蕉。

水平方向受力平衡：ΣF_X=0  ΣF_Y=0

竖直方向受力平衡：

由最大正应力公式得：

M₂=0.05×1100=55N.m

所以：

3.4 底盘部分

考虑到香蕉地面的特征，底盘需满足转弯半径小、转向灵活等特点，如图3-4所示运用45#角钢等材料进行焊接处理，大部件运用螺钉连接，设计出既轻便易拆装，又适应条件广泛的两轴三轮式高硬度底盘^[12]，该底盘承重300kg，转弯半径700mm，能在香蕉地里灵活转向。

4 小结

在国家经济贸易不断壮大，大量的农产品、蔬果等对产品安全、完好性要求不断提高，香蕉地的扩大，对绿色节能全自动化机械需求不断增长，本文设计的香蕉采摘机采摘省时省力操作简单，制造成本低能够满足现如今的小型香蕉地进行高效快速安全的采摘香蕉，节省经济成本投入。与此同时机械采摘效率依然有提升空间，香蕉采摘后期需要改进切割部件的切割速度（例如刀片锋利程度保持、提高曲柄机构的转动速率等），同时两轴三轮式底盘小车能够在凹凸不平的香蕉地灵活转向，在后期改进时尽可能在底盘小车增添新能源高扭矩动力，实现节能环保又高效安全。

参考文献

[1] 科技视界2013年 http：// www.cqvip.com/read/read. aspx？ id= 4584 4789第7期65-66页共2页.

[2] 吴立言，濮梁贵，陈国定.机械设计[M].高等教育出版社.2013-5（9）： 22-45+356-402.

[3] 夏勇开.香蕉生长技术的经济研究[D].海南.海南大学.2011年.

[4] 葛文杰，孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].高等教育出版社.2013- 4（8）.

[5] 常建娥，唐增宝.机械设计课程设计[M].华中科技大学出版社. 2015-1.

[6] 李海恒，香蕉采摘机设计研究[J].科技视界.2013（07）： 65-66.

[7] 王谨，刘瑞荣.工程制图与CAD[M].华中科技大学出版社.2009-2.

[8] 秦曾煌.电工学[M].高等教育出版社.2009-5.

[9] 周雪松，李坤，付时雨.香蕉茎的化学成分及其微观形态分析[J].中国造纸学报.2009（04）：11-14.

[10] 李文斌，渊小春，王蔼平.大学物理[M].同济大学出版社.2014-9（1） 10-6.

[11] 范欽珊.工程力学[M].清华大学出版社.2012-9（2）.

[12] 韩浩;汽车列车转弯过程的分析[J];江苏大学学报（自然科学版）;1984年01期.

[13] 李明宝.基于有限元理论的木材机械性能建模与仿真研究[D].东北林业大学，2007.