淄博職業(yè)學(xué)院 國際學(xué)院 山東淄博 255314

1 設(shè)計背景

藍(lán)莓果樹是21世紀(jì)具有發(fā)展?jié)摿Φ姆N植樹種,目前我國具有大面積的藍(lán)莓果樹種植基地。大小興安嶺地區(qū)藍(lán)莓果樹種植面積約1 633 km2,產(chǎn)量達(dá)270 000 t,占全國藍(lán)莓總產(chǎn)量的90%[1-2]。在藍(lán)莓果樹的種植產(chǎn)業(yè)鏈中,藍(lán)莓采摘是最耗時、最費力的環(huán)節(jié)。由于藍(lán)莓具有果實小、產(chǎn)量高、季節(jié)性強等特點,采摘屬于勞動密集型工作,需要投入大量的人力和物力。

發(fā)達(dá)國家對藍(lán)莓的采收作業(yè)基本實現(xiàn)機械化,收獲效率高，成本低。機械化采收效率比人工采收效率提高約60倍,并減少約85%的采收成本[3]。我國藍(lán)莓的采收主要為人工采收,勞動強度大，采收效率低，采收成本高，破損率高。由于藍(lán)莓等小漿果成熟期較短,人工采收的低效率會造成小漿果實浪費,經(jīng)濟損失嚴(yán)重[4]。

國內(nèi)關(guān)于藍(lán)莓采摘機械方面的研究相對較少,現(xiàn)有的藍(lán)莓采摘機分為牽引式藍(lán)莓采收機、氣吸式藍(lán)莓采收機[5]。牽引式采收的缺點是穩(wěn)定性不高,容易出現(xiàn)果樹劃傷、果實破損現(xiàn)象,且對操作者的操作水平依賴性強[6]。氣吸式采收的缺點是采收效率低，對果實損傷較大[7]。因此，國內(nèi)市場迫切需要一款高效快捷的藍(lán)莓采摘機械來滿足藍(lán)莓的現(xiàn)場采收作業(yè)要求。

對此,筆者研制了一種新型自動化藍(lán)莓采摘機,以旋轉(zhuǎn)、振動的塑膠棒作為采摘系統(tǒng)核心部件,由可編程序控制器(PLC)控制行走路線,以改善采摘系統(tǒng)工作性能,為藍(lán)莓采摘機械設(shè)計提供參考。

2 整機結(jié)構(gòu)

自動化藍(lán)莓采摘機整機結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由收攏板、框架、行走機構(gòu)、控制系統(tǒng)、傳動機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)與振動塑膠棒、輸送裝置等部件組成。

▲圖1 自動化藍(lán)莓采摘機整機結(jié)構(gòu)

3 工作原理

在藍(lán)莓采收作業(yè)時,自動化藍(lán)莓采摘機騎壟作業(yè)向前行駛，藍(lán)莓植株經(jīng)過收攏板進入框架內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)驅(qū)動行走機構(gòu)、輸送裝置運行，根據(jù)采摘作業(yè)要求單獨驅(qū)動采摘機構(gòu)的工作部件塑膠棒旋轉(zhuǎn)、振動,拍打經(jīng)過的藍(lán)莓植株,從而實現(xiàn)藍(lán)莓果實的自動化采摘。自動化藍(lán)莓采摘機行走路徑如圖2所示，采摘原理如圖3所示。

▲圖2 自動化藍(lán)莓采摘機行走路徑▲圖3 自動化藍(lán)莓采摘機采摘原理

4 設(shè)計方案

為有效降低藍(lán)莓采摘成本，提高采摘率，減小對植株和果實的損傷，需要在設(shè)計時考慮以下因素。

(1) 在采摘時需要對采摘路徑進行規(guī)劃,需要考慮采摘機整體尺寸與藍(lán)莓植株尺寸、植株間距離、壟距間安全距離等因素，以免采摘機刮傷植株。

(2) 采摘機采摘機構(gòu)的主要部件塑膠棒、收集板，盡量都選用彈性較好的材料,最大程度減小機械沖擊影響,以減小對果實和果樹的損傷。

綜合以上采摘因素,在保證采摘效率的同時,還要保證果實采摘質(zhì)量,主要包括未成熟果實采摘率、果實采摘破損率和成熟果實未采摘率。對比國內(nèi)外藍(lán)莓采摘機械,筆者設(shè)計的自動化藍(lán)莓采摘機主要采摘技術(shù)指標(biāo)為采凈率不低于85%，損傷率不高于5%[8-10]。

PLC作為采摘機控制系統(tǒng)核心,控制電機分別驅(qū)動輸送裝置、行走機構(gòu)、塑膠棒等。輸送裝置由皮帶、滾軸、電機組成。行走機構(gòu)采用前驅(qū)設(shè)計,由橡膠輪、十字軸、電機等組成。塑膠棒采用直徑為3 mm的軟質(zhì)尼龍棒制作,轉(zhuǎn)動由電機控制,采用間歇機構(gòu)驅(qū)動塑膠棒上下振動，頻率范圍為1～4 Hz。為保證藍(lán)莓植株向采摘機行走的反方向傾斜,采用風(fēng)力加載。應(yīng)用Unigraphics軟件進行數(shù)字化樣機制作,如圖4所示。

▲圖4 自動化藍(lán)莓采摘機數(shù)字化樣機

5 控制方案

采摘機的控制系統(tǒng)包括PLC、繼電器、按鈕開關(guān)、固定控制器、電位器、變壓器、毛刷調(diào)速器、開關(guān)電源等,可以實現(xiàn)控制行走、轉(zhuǎn)向、輸送等驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)。為方便控制采摘機,設(shè)計電機調(diào)速電路,通過外部旋鈕開關(guān)調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩,實現(xiàn)行走、輸送，以及塑膠棒旋轉(zhuǎn)速度和力度的調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)電路如圖5所示，控制系統(tǒng)線路如圖6所示。

▲圖5 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)電路▲圖6 控制系統(tǒng)線路

6 樣機制作

筆者在研究分析藍(lán)莓植株形態(tài)結(jié)構(gòu)、振動能耗的基礎(chǔ)上,根據(jù)國內(nèi)引進種植藍(lán)莓植株生長形態(tài)和種植規(guī)范,設(shè)計了新型自動化藍(lán)莓采摘機。對采摘裝置控制系統(tǒng)進行設(shè)計、調(diào)試,對旋轉(zhuǎn)與振動塑膠棒、采摘機行走機構(gòu)和框架等進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,并對動力元件、調(diào)速器等進行選型,制作藍(lán)莓采摘機樣機。 圖7所示為自行研制開發(fā)的新型自動化藍(lán)莓采摘樣機。

▲圖7 自動化藍(lán)莓采摘機樣機

通過彈性塑膠棒的旋轉(zhuǎn)、整體上下振動，使藍(lán)莓脫落,并由收集板收集到輸送裝置,如圖8所示。風(fēng)力加載裝置將輸送帶上的藍(lán)莓與樹葉分離，并將藍(lán)莓輸送到收集器中。動力采用綠色能源鋰電池供電，并裝有多組備用電池來保證續(xù)航能力。

▲圖8 采集示意圖

7 試驗結(jié)果分析

采摘機主要應(yīng)用機械系統(tǒng)產(chǎn)生的振動與風(fēng)力將果實與枝條分離,對其進行現(xiàn)場采摘試驗。在試驗過程中,收集箱中可見非成熟果實、成熟果實和樹葉。按照采摘的技術(shù)指標(biāo),對比不同采摘方式，效果如圖9所示。由圖9可知，人工采摘單人效率為3.5 kg/h,新型采摘機效率為40 kg/h;人工每采摘40 kg需要12 h，新型采摘機只需要1 h；傳統(tǒng)采摘機采摘的破損率為50%,新型采摘機采摘的破損率僅為5%。

(a) 采摘效率(b) 每40 kg采摘時間(c) 采摘破損率▲圖9 不同采摘方式效果對比

8 結(jié)束語

根據(jù)自動化藍(lán)莓采摘機自身特點和試驗結(jié)果分析,所設(shè)計的新型自動化藍(lán)莓采摘機有效降低了藍(lán)莓采摘成本，提高了采摘率，并減小了對植株的劃傷和對果實的損傷。

在進行藍(lán)莓采摘作業(yè)時,采摘機的行走路線以直線為主,大角度轉(zhuǎn)向情況較少,可以應(yīng)用電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

采摘機的工作部件塑膠棒、框架、收攏板等盡量選用彈性較好的材料,最大程度減小機械沖擊影響,以減小對果實和果樹的損傷。

盡量減小果實跌落高度或改善收集板、輸送裝置的表面材料，避免對藍(lán)莓果實造成損傷。