一種林果自動清收裝置的設計

趙樹萍，賈 君，馮 琦

（西安交通工程學院，陜西 西安 710300）

目前我國果農(nóng)采摘林果還是以人工采摘為主，常用竹竿將果實打落在地，再撿拾收集，效率低、勞動量大，采摘作業(yè)所用勞動力占整個生產(chǎn)過程所用勞動力的33%～50%[1]，如果不能及時采摘，還會導致經(jīng)濟上的損失。因此，林果自動清收裝置的研究對提高清收效率、節(jié)省人工和提高果農(nóng)的經(jīng)濟效益具有重要意義。

采摘機械主要有振搖式、撞擊式和切割式3 種類型。其中，振搖式采摘機械多依靠偏心回轉機構或往復式運動機構對果樹樹干或樹枝進行振動[2]，最終實現(xiàn)果實的采摘。本文擬利用氣缸的往復直線運動實現(xiàn)對果樹樹干或樹枝的振動，并設計了相應的果實收集裝置。

振搖式機械采摘裝置主要是利用果樹樹干或樹枝受到激振力的作用，使果實產(chǎn)生較大的慣性力而脫落。通過對果實振動力學的分析可知，在不損傷果樹的前提下，振幅一定的情況下，選擇合適的激振頻率才能保證果實產(chǎn)生足夠大的脫落慣性力，達到較好的采摘效果[3]。

本文所設計的振搖式清收裝置主要針對高度在2.5～7 m，行距3 m 以上，樹枝直徑范圍為50～100 mm 的果樹。研究表明振幅為40 mm，氣缸振動頻率為10～15 Hz時采摘率較高，按照樹枝直徑比例計算得到所需激振力為5 100～5 490 N[4]。清收裝置由清理裝置和收集裝置組成，清理裝置使果實脫落，通過收集裝置進行收集。

1 清理裝置

清理裝置整體結構如圖1 所示，主要由振動機構與伸縮機構組成。工作時，首先通過支撐氣缸的伸縮來調(diào)節(jié)機械伸縮桿的角度，直至合適位置，然后通過機械伸縮桿帶動振動氣缸以及振動勾具進行伸縮，直至勾住樹枝，在振動氣缸的作用下產(chǎn)生激振力從而使果實與樹枝分離。

圖1 清理裝置整體結構Fig.1 The overall structure of cleaning device

1.1 振動機構的設計

振動機構是整個清收裝置的核心。本文主要設計的振動機構如圖2 所示，利用氣缸的往復直線運動產(chǎn)生的激振力振搖樹枝，從而促使果實振動掉落。根據(jù)激振力的大小計算和選用氣缸。

圖2 振動機構Fig.2 The vibration mechanism

工作時，氣缸帶動勾具在活塞導向筒內(nèi)運動，當勾具勾住樹枝后，活動夾具通過自動伸縮桿的伸出帶動鋼絲活動，在彈簧的作用下使得活動夾具張開；當自動伸縮桿收縮時，帶動鋼絲收縮，讓活動夾具合并緊緊夾住樹枝。為了減小對樹枝的損傷，在振動勾具和活動夾具上附有橡膠墊。振動氣缸氣動回路如圖3 所示。通過控制手動閥，使處于壓緊狀態(tài)下的行程閥給電磁換向閥控制信號，使無桿腔通入氣體，進而活塞桿伸出，反之活塞桿縮回，如此活塞桿進行連續(xù)的往復運動產(chǎn)生振動，通過電磁換向閥可以調(diào)節(jié)振動的頻率。

圖3 振動氣缸氣動回路Fig.3 The pneumatic circuit of vibration cylinder

1.2 伸縮機構的設計

在振動機構與果樹樹枝之間需要伸縮機構來實現(xiàn)夾持不同高度的樹枝。本文設計的伸縮機構如圖4所示。首先通過支撐伸縮缸使機械伸縮桿調(diào)整角度，直至處于合適位置，再利用機械伸縮桿的伸長帶動連接的振動機構夾持住樹枝。

圖4 伸縮機構Fig.4 The telescopic mechanism

機械伸縮桿的結構如圖5 所示。在工作時，方形內(nèi)套桿上固定有彈簧片，在彈簧片上固定銷釘，銷釘可以嵌入方形外套桿上定距的孔內(nèi)，通過內(nèi)套桿的伸縮來實現(xiàn)夾持樹枝所需要的高度，利用銷釘來固定內(nèi)外套桿的伸縮位置，以此來實現(xiàn)各節(jié)的伸縮，銷釘嵌入不同的孔可以得到不同的伸縮長度。

圖5 機械伸縮桿Fig.5 The mechanical telescopic rod

2 收集裝置

本文設計了偏心傘狀收集裝置，結構如圖6 所示。該收集裝置設計成偏心傘狀結構，由兩半組成，兩半之間通過粘扣利用樹干夾持密封帶將樹干包圍并且密封，使果實不從樹干間隙掉落，通過傘骨張開整個偏心傘，用固定架支撐整個傘，利用偏心斜坡使果實掉落到收集口，再通過連接的收集袋將果實收集起來，這樣避免了人工接觸果實，不僅收集效率高，而且可以減小對果實的損傷。

此裝置可以夾持的樹干直徑范圍在150～300 mm，偏心收集傘打開可以形成一個直徑最大為5 m 的收集面，而且收集時根據(jù)樹冠覆蓋的范圍，其打開后的傾斜角度可以在30°～60°進行調(diào)整。

圖6 偏心傘收集裝置Fig.6 The eccentric umbrella collecting device

3 結論

本文利用雙作用氣缸的往復直線運動實現(xiàn)對林果的振搖，使其脫落，并設計了相應的偏心傘收集裝置。設計的清收裝置結構小巧、靈活，實用性較強，可以大大提高果農(nóng)的采摘效率，降低清收成本。