程　堯，胡　旭，張流丹

(重慶文理學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 重慶　永川　402160)

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GWZD-S01型山區(qū)果樹高位振動(dòng)收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)

程堯，胡旭，張流丹

(重慶文理學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 重慶永川402160)

本文設(shè)計(jì)了一種適合山區(qū)的果樹收獲機(jī)械.該機(jī)械利用內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力，拖拉機(jī)牽引，采用復(fù)合平行四桿機(jī)構(gòu)升降，可裝拆偏心輪激勵(lì)振動(dòng)，氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)夾持頸部樹干進(jìn)行高位振動(dòng)收獲果實(shí).該機(jī)械主要包含升降機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)、振動(dòng)和氣動(dòng)夾緊等機(jī)構(gòu).

山區(qū)；果樹；高位振動(dòng)；收獲機(jī)械

我國(guó)山區(qū)、丘陵地帶往往種植經(jīng)濟(jì)作物較多.其中，經(jīng)濟(jì)效益比較顯著的當(dāng)屬堅(jiān)果類果樹.堅(jiān)果類作物果實(shí)小，產(chǎn)量高，季節(jié)性強(qiáng).堅(jiān)果采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大，需要大量人力采摘.山區(qū)堅(jiān)果類樹木比較高大，人工采摘難度大.受限于地形，目前國(guó)內(nèi)基本沒有合適的采摘機(jī)械[1].山區(qū)機(jī)械采摘作業(yè)危險(xiǎn)性與難度問題也比平地采摘機(jī)械更突出.以往開展的果實(shí)收獲機(jī)械研究多是對(duì)平原地區(qū)矮小果樹進(jìn)行的[2-3].開展山區(qū)、丘陵地帶高大果樹果實(shí)高位收獲機(jī)械裝備研究很有必要.

1　工作對(duì)象特性分析

經(jīng)調(diào)查研究，堅(jiān)果樹多為中型常綠喬木， 樹形直立或開張，樹高達(dá)3～9 m ，莖直立，樹皮灰白色、粗糙，木質(zhì)堅(jiān)硬.果實(shí)多有堅(jiān)硬外殼，適合振動(dòng)脫落于地面收獲.堅(jiān)果樹多生長(zhǎng)在溫帶山區(qū)丘陵地區(qū)內(nèi)，在適宜的氣溫和生長(zhǎng)條件下，嫁接樹在定植后3～5年結(jié)果，壽命在100年以上，經(jīng)濟(jì)壽命40～60年.堅(jiān)果樹大多呈淺根性，在開曠地的成年樹主根不發(fā)達(dá)而側(cè)根發(fā)達(dá)，簇狀分布于70 cm以上的土層中，主要分布于0～30 cm 的土層中，扎根淺，抗風(fēng)性差[4].由于堅(jiān)果樹的這些特點(diǎn)，采用振動(dòng)收獲果實(shí)要考慮木質(zhì)堅(jiān)硬、主干直徑大、扎根淺等因素，振動(dòng)不能傷及根部.

2　總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1工作機(jī)理

本研究的振動(dòng)式果實(shí)收獲機(jī)械的工作原理是基于機(jī)械振動(dòng)果實(shí)脫落.主要是通過牽引拖拉機(jī)的內(nèi)燃機(jī)輸出動(dòng)力，經(jīng)過減速器，由皮帶傳動(dòng)給主軸，主軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)裝在主軸上的偏心輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而將振動(dòng)傳遞給氣動(dòng)夾頭，氣動(dòng)夾頭的振動(dòng)傳遞給果樹.果樹在接受了外加的強(qiáng)迫振動(dòng)后，也以一定的頻率和振幅振動(dòng)，使果枝上的果實(shí)以某種形式振動(dòng).由于加速運(yùn)動(dòng)的物體要受到慣性力的作用，當(dāng)慣性力大于果實(shí)與果枝的結(jié)合力時(shí)，果實(shí)就會(huì)掉落.

振動(dòng)式果實(shí)收獲機(jī)械的作業(yè)流程：

(1)接果準(zhǔn)備.在果樹下鋪設(shè)收集網(wǎng)或?qū)Ｓ眉占b置，準(zhǔn)備接收果實(shí).

(2)驅(qū)動(dòng)裝置.采用利于山地行走的履帶式拖拉機(jī)作為牽引力，靠?jī)?nèi)燃機(jī)通過減速器皮帶輪減速提供振動(dòng)裝置動(dòng)力.

(3)夾持樹干.調(diào)整拖拉機(jī)前后位置，使收獲機(jī)氣動(dòng)夾頭正對(duì)樹干，調(diào)整升降平臺(tái)，選擇合適的夾持高度(一般夾持位置離地面應(yīng)不少于80 cm，以免振動(dòng)損傷樹根)，啟動(dòng)氣動(dòng)夾頭，壓縮空氣由氣缸流經(jīng)夾頭的壓縮空氣入口，進(jìn)入夾頭內(nèi)，推動(dòng)活塞，張開振動(dòng)夾頭夾持臂，慢慢將夾頭移向樹干，當(dāng)樹干處于夾頭中間位置時(shí)停止移動(dòng)，打開排氣口，壓縮空氣由此處流走，由于壓縮彈簧的作用，活塞再次回到原來位置，帶動(dòng)夾持臂，使氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)緊緊夾住樹干.

(4)激振.皮帶輪的動(dòng)力傳遞給振動(dòng)主軸，再通過主軸上的偏心輪組的轉(zhuǎn)動(dòng)，形成振動(dòng)頻率和振幅，傳遞給夾緊機(jī)構(gòu).

(5)振搖果樹.加大或減小牽引拖拉機(jī)油門，改變拖拉機(jī)動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)振動(dòng)頭振動(dòng)果樹，不損傷樹根部，讓果實(shí)以一定速率脫落.

(6)縮回振動(dòng)夾頭.張開夾持臂，使氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)脫離樹干，調(diào)整升降平臺(tái)，縮回振動(dòng)夾頭.

(7)收集果實(shí).利用果實(shí)的重力掉落在地面或收集裝置進(jìn)行收集.

2.2結(jié)構(gòu)形式

該機(jī)構(gòu)由牽引機(jī)車的內(nèi)燃機(jī)輸出動(dòng)力，經(jīng)過變速箱適當(dāng)調(diào)整輸出轉(zhuǎn)速，經(jīng)皮帶傳給主軸，主軸轉(zhuǎn)動(dòng).由于主軸上裝有偏心塊，迫使主軸在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)也有一定的往復(fù)擺動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng).由于氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)與振動(dòng)主軸相連，所以主軸將振動(dòng)傳給氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)，夾緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，從而驅(qū)使樹干搖擺振動(dòng).如圖1所示.

圖1　高位振動(dòng)收獲機(jī)械機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該機(jī)構(gòu)由牽引機(jī)車的內(nèi)燃機(jī)輸出動(dòng)力，經(jīng)過變速箱適當(dāng)調(diào)整輸出轉(zhuǎn)速，經(jīng)皮帶傳給主軸，主軸轉(zhuǎn)動(dòng).由于主軸上裝有偏心塊，迫使主軸在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)也有一定的往復(fù)擺動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生振動(dòng).由于氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)與振動(dòng)主軸相連，所以主軸將振動(dòng)傳給氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu).夾緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，驅(qū)使樹干搖擺振動(dòng).

3　主要機(jī)構(gòu)

3.1升降機(jī)構(gòu)

選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)二平行四桿機(jī)構(gòu)與支撐臺(tái)面作為升降裝置.升降平臺(tái)的升降動(dòng)作主要靠4個(gè)支撐桿的擺動(dòng).支撐桿與平臺(tái)通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈連接，支撐桿轉(zhuǎn)到不同角度，升降臺(tái)就有相應(yīng)的升降高度.當(dāng)支撐桿與升降臺(tái)垂直時(shí)，升降臺(tái)處于最高位置.支撐桿的擺動(dòng)主要依靠鉸接處的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng).與液壓機(jī)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)不是很緊湊，但從成本方面來說，四桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低.

當(dāng)需要調(diào)整夾持高度時(shí)，點(diǎn)動(dòng)升降平臺(tái)電動(dòng)機(jī)上升按鈕，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)支承桿逆時(shí)針擺動(dòng)，平臺(tái)緩慢上升，升到合適位置，點(diǎn)動(dòng)按鈕關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī).當(dāng)需要支撐桿回復(fù)與升降臺(tái)平行的位置時(shí)，點(diǎn)動(dòng)下降按鈕.升降平臺(tái)主要用于支撐振動(dòng)機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)，所選材料應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度和剛度.這里選擇優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼.優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼材料表面硬而耐磨，又具有較高的韌性和足夠的強(qiáng)度，滿足在沖擊和磨損條件下工作的機(jī)器零件要求.

由于高度的變化性，帶傳動(dòng)的中心距是在一定范圍內(nèi)變化的，需要適時(shí)張緊皮帶保證傳遞可靠.本機(jī)考慮工況的復(fù)雜性、帶傳動(dòng)的皮帶與帶輪的可靠接車和足夠的摩擦力，選用V帶傳動(dòng)，利用擺動(dòng)架調(diào)節(jié)主動(dòng)輪位置和在升降臺(tái)上加可調(diào)式張緊輪進(jìn)行組合式張緊，保證可靠的傳遞動(dòng)力.

3.2振動(dòng)機(jī)構(gòu)

振動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由主軸、偏心輪組、支承主軸的支架、振動(dòng)臂組成.對(duì)振動(dòng)機(jī)構(gòu)，除了考慮樹體接受振動(dòng)以外，還要考慮樹根需要吸收一部分能量，這與樹根的質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)分布和作用力位置有關(guān).這部分能量會(huì)抵消來自內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力部分的能量，但這個(gè)值不是很大.由于振動(dòng)式采摘對(duì)果樹產(chǎn)生的振動(dòng)是接觸和持續(xù)的，所以近似認(rèn)為采摘過程中果樹的振動(dòng)頻率即為振動(dòng)器的振動(dòng)頻率.果樹的激振頻率與振動(dòng)機(jī)構(gòu)的頻率近似一致.對(duì)果樹施加激振力的激振機(jī)構(gòu)通常是采用回轉(zhuǎn)偏心塊，轉(zhuǎn)向相同或者相反的滑塊組合激振，本機(jī)型轉(zhuǎn)向相同.

3.3夾緊機(jī)構(gòu)

夾緊機(jī)構(gòu)主要用來夾緊樹干.夾緊過程中既要確保不傷果樹，又能夾緊可靠，而且要節(jié)能環(huán)保.本課題選用氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)，由壓縮氣缸中的氣體提供動(dòng)力控制夾緊手爪.如圖2所示.

圖2　氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)

氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)工作過程：

(1)張開手爪：點(diǎn)動(dòng)張開手爪控制按鈕，氣缸中的壓縮空氣經(jīng)壓縮空氣入口進(jìn)入活塞缸，推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng)，支承活塞的彈簧被壓縮，活塞運(yùn)動(dòng)推動(dòng)手爪，使手爪張開.

(2)合攏手爪：點(diǎn)動(dòng)合攏手爪按鈕，排氣口打開，壓縮空氣流走，彈簧的恢復(fù)力作用，拉動(dòng)活塞，活塞向左運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)手爪，手爪合攏.

4　主要技術(shù)參數(shù)及尺寸參數(shù)

內(nèi)燃機(jī)功率：12 kW，馬力：18.

皮帶傳動(dòng)比：2～4.

偏心輪轉(zhuǎn)矩：根據(jù)樹干直徑估算，全振幅為20 mm的偏心輪轉(zhuǎn)矩為1 kgm.

樹干頻率與振幅：根據(jù)果樹與果實(shí)的結(jié)合力及果實(shí)重力等計(jì)算分析得出.

升降高度范圍： 1.5 ～8 m.

裝備總體尺寸：不工作時(shí)總體尺寸范圍在長(zhǎng)5 m，寬1.5 m，高為2 m，工作時(shí)抓緊處高度達(dá)到8 m.

5　結(jié)語

根據(jù)不同果樹特征及尺寸參數(shù)，利用改變內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速和可裝拆偏心輪的組合疊加增強(qiáng)和降低頻率和振幅，保證了有效的激振力使果實(shí)脫落.裝置靈活性強(qiáng)，果實(shí)脫落率高，且不損傷作物根系.履帶式拖拉機(jī)滿足山區(qū)地形特點(diǎn)，在山區(qū)丘陵地帶行走靈活方便.本機(jī)采用復(fù)合平行四邊形機(jī)構(gòu)的升降保證了高位振動(dòng)采摘果實(shí)，尺寸不如液壓升降機(jī)構(gòu)緊湊，但造價(jià)低很多，可用于山區(qū)經(jīng)濟(jì)果樹的高位采摘收獲，適用于農(nóng)村果樹養(yǎng)殖戶.該機(jī)屬于新機(jī)型，對(duì)推動(dòng)山區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)林木種植業(yè)發(fā)展有現(xiàn)實(shí)意義.

[1]蔡殿遠(yuǎn).陡坡地果園的機(jī)械化[J]. 熱帶作物機(jī)械化，1992(3)：41-43.

[2]藍(lán)峰，蘇子吳，黎子明，等.果園采摘機(jī)械的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2010,32(11):249-252.

[3]陳度，杜小強(qiáng)，王書茂，等． 振動(dòng)式果品收獲技術(shù)機(jī)理分析及研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2011， 27(8) : 195-200．

[4]束懷瑞，陳學(xué)森. 果樹學(xué)研究論文集[G].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2009：12-28.

(責(zé)任編輯穆剛)

Design of GWZD - S01 high vibration harvesting machinery of mountainous fruit trees

CHENG Yao, HU Xu, ZHANG Liudan

(College of Mechanical Electric Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160, China)

This author designed a kind of fruit tree harvesting machine. The equipment was used by combustion engine as driving force, parallel four-bar mechanism as rising and falling, wobbler as excitation vibration, pnuema lock mechanism to clamp the trunk.

mountainous area; fruit tree; high -position vibration; harvesting machinery

2016-03-01

重慶文理學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目(R2012CH11)；重慶文理學(xué)院學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(Y2013021).

程堯(1974—)，女，貴州人，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造方面的研究.

S816.34

A

1673-8004(2016)05-0057-03