自動(dòng)化櫻桃采摘收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種小型的自動(dòng)化水果農(nóng)用機(jī)械，能夠自動(dòng)夾持并振動(dòng)長(zhǎng)滿成熟櫻桃的果枝，并通過(guò)一種類(lèi)似雨傘的可收放機(jī)械收集機(jī)構(gòu)，收集振動(dòng)掉落的櫻桃熟果。

關(guān)鍵詞：櫻桃采摘;振動(dòng)果枝;傘狀收集器;自動(dòng)化農(nóng)業(yè)機(jī)械

中圖分類(lèi)號(hào)：TH69? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）05-0037-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.010

引言

包含車(chē)?yán)遄拥仍趦?nèi)的廣義的櫻桃類(lèi)漿果，是世界各國(guó)常見(jiàn)的一種備受歡迎的水果。櫻桃的采摘所耗費(fèi)的成本可達(dá)到總生產(chǎn)成本的40%左右，傳統(tǒng)的人工采摘費(fèi)時(shí)費(fèi)力，人工費(fèi)用很高。而自動(dòng)化的采摘機(jī)械可提高櫻桃果樹(shù)的采摘效率，還有利于林果類(lèi)公司向智能化轉(zhuǎn)型[1]。

櫻桃的自動(dòng)化采摘機(jī)械，在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用最廣泛的是德國(guó)。目前有據(jù)可查的德國(guó)最先進(jìn)的櫻桃采摘機(jī)，是一種由拖拉機(jī)或其他小型內(nèi)燃機(jī)農(nóng)用運(yùn)輸設(shè)備拖動(dòng)的分解動(dòng)力機(jī)械。農(nóng)用車(chē)輛在停車(chē)掛空擋后，內(nèi)燃機(jī)可以通過(guò)機(jī)械換擋，先后分解動(dòng)力到兩個(gè)獨(dú)立的部分：收集器和振動(dòng)臂。德國(guó)櫻桃采摘機(jī)收集器比較簡(jiǎn)單，類(lèi)似于中國(guó)古代書(shū)生的折紙扇，收集器由若干可旋轉(zhuǎn)的扇骨覆以可拉伸和收卷的尼龍布組成。內(nèi)燃機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)扇形收集器圍繞櫻桃樹(shù)主樹(shù)干展開(kāi)，內(nèi)燃機(jī)反轉(zhuǎn)可以收回扇骨及承接尼龍布。德國(guó)櫻桃采摘機(jī)收集器展開(kāi)后，內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力切換至振動(dòng)大臂。振動(dòng)臂采用人手工操作剛性機(jī)械大臂夾持櫻桃樹(shù)主干，車(chē)輛馬達(dá)產(chǎn)生動(dòng)力振動(dòng)樹(shù)干，樹(shù)干的高頻振動(dòng)可使成熟的櫻桃掉落至承接收集器。但研究發(fā)現(xiàn)，這種收集器的設(shè)計(jì)不適用于較高的櫻桃樹(shù)，而且振動(dòng)樹(shù)干會(huì)對(duì)櫻桃樹(shù)的壽命產(chǎn)生影響。

1? ? 振動(dòng)式采摘機(jī)械的研究現(xiàn)狀

目前，林果業(yè)廣泛采用振動(dòng)式機(jī)械進(jìn)行果實(shí)采摘，采摘效率大約是人工采摘的10倍[2]。

振動(dòng)式機(jī)械采摘的基本原理：振動(dòng)裝置夾持果樹(shù)樹(shù)干，樹(shù)干在外力作用下做加速運(yùn)動(dòng)，果樹(shù)受到慣性力開(kāi)始做振搖運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將力傳遞到果實(shí)和枝干的連接處，當(dāng)連接處斷裂時(shí)，果實(shí)就從果樹(shù)脫落。

根據(jù)振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)的不同，采摘機(jī)械主要有以下3種類(lèi)型[3]：氣力式、撞擊式和振搖式。不同類(lèi)型采摘機(jī)械的特點(diǎn)如表1所示。

2? ? 一種新的櫻桃采摘機(jī)設(shè)計(jì)原理分析

櫻桃樹(shù)結(jié)果特點(diǎn)如下：

（1）櫻桃果距離地面高度一般在1.5～3 m，如果有合適的承接機(jī)構(gòu)，下落高度也就是1 m左右。

（2）櫻桃果成熟時(shí)很容易自動(dòng)掉落，因此收集時(shí)只需低頻振動(dòng)樹(shù)干即可采摘大部分熟果，而且振動(dòng)力量不用太大，不會(huì)傷及樹(shù)干。

（3）剛采摘的櫻桃有一定的防撞性，輕微的碰撞一般不會(huì)對(duì)水果質(zhì)量產(chǎn)生損害。

因此，本設(shè)計(jì)仍分為收集器和振動(dòng)器兩部分，但改善了機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

3? ? 櫻桃枝采摘機(jī)的收集器設(shè)計(jì)

櫻桃收集器可以參照一個(gè)反狀雨傘設(shè)計(jì)，但分為左右兩部分，更方便受果、卸果。圖2所示為櫻桃滑塊連桿擺桿式收集器完全打開(kāi)的狀態(tài)，原理同一般的雨傘結(jié)構(gòu)，但是修改建模了新的滑塊—連桿—擺桿機(jī)構(gòu)，使收集器張開(kāi)時(shí)更像一把反向張開(kāi)的雨傘。

圖2中，收集器由左、右升降液壓缸5和6分別帶動(dòng)左、右升降液壓臂7和8，推動(dòng)左半圓滑塊和右半圓滑塊10上下運(yùn)動(dòng)。如圖2、圖3所示，左、右滑塊呈半圓環(huán)狀態(tài)，抱在收集器的主梁11上，在液壓動(dòng)力下做上下運(yùn)動(dòng)。每個(gè)滑塊各有三組推力桿12，通過(guò)三組滑塊固定絞支鏈13與左、右半圓滑塊相連。同時(shí)推力桿12又通過(guò)移動(dòng)絞支鏈15與收集支桿16相連。收集支桿16又通過(guò)主梁固定絞支鏈17連在主梁11上來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)。主梁11上端和收集支桿16上覆蓋一層與雨傘布構(gòu)造類(lèi)似的塑料或減振尼龍布18。

4? ? 櫻桃枝采摘機(jī)的振動(dòng)器設(shè)計(jì)

果枝振動(dòng)器采用車(chē)輛操作員手動(dòng)調(diào)整的方式對(duì)準(zhǔn)采摘位置，手動(dòng)調(diào)節(jié)振動(dòng)臂的高度后車(chē)輛馬達(dá)產(chǎn)生振動(dòng)力。不同于德國(guó)設(shè)計(jì)，本文振動(dòng)器振動(dòng)的對(duì)象是櫻桃樹(shù)的主枝，而不是樹(shù)木的主干。振動(dòng)器由圖4中卡爪高度調(diào)節(jié)器1（可調(diào)節(jié)振動(dòng)臂的伸出高度）、低頻振動(dòng)氣缸2（馬達(dá)驅(qū)動(dòng)其左右伸縮振動(dòng)5次/s）、上下振動(dòng)臂3（剛性軸桿）、三爪樹(shù)枝夾持裝置4組成，可自選夾持櫻桃枝結(jié)構(gòu)。

當(dāng)農(nóng)用車(chē)開(kāi)到櫻桃樹(shù)下合適位置時(shí)，操作者手動(dòng)操作卡爪高度調(diào)節(jié)器1將三爪樹(shù)枝夾持裝置4對(duì)準(zhǔn)要夾持的櫻桃樹(shù)主枝高度。首先操作收集器至完全張開(kāi)，以便承接收集;然后車(chē)輛馬達(dá)掛空擋可以轉(zhuǎn)接動(dòng)力至低頻振動(dòng)氣缸2，通過(guò)上下振動(dòng)臂3帶動(dòng)三爪樹(shù)枝夾持裝置4夾持櫻桃樹(shù)主枝上下振動(dòng)，以達(dá)到脫果的效果。

5? ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能分析

如圖2至圖4所示，本系統(tǒng)有兩組三個(gè)氣壓驅(qū)動(dòng)裝置，可以采用一個(gè)動(dòng)力源，如農(nóng)用車(chē)馬達(dá)。原理如下：農(nóng)用車(chē)停車(chē)后，首先操作者手動(dòng)操作氣動(dòng)缸升降器將三爪樹(shù)枝夾持裝置對(duì)準(zhǔn)要夾持的櫻桃樹(shù)主枝，然后利用農(nóng)用車(chē)空擋馬達(dá)帶動(dòng)左、右兩個(gè)升降液壓缸，同時(shí)推動(dòng)左半圓滑塊和右半圓滑塊向上運(yùn)動(dòng);當(dāng)左右滑塊到達(dá)滑塊上限位開(kāi)關(guān)21時(shí)，液壓缸停止工作，此時(shí)推力桿上推支桿帶動(dòng)雨傘狀減振尼龍布完全打開(kāi)呈收集狀態(tài);此后操作者切換農(nóng)用車(chē)馬達(dá)帶動(dòng)振動(dòng)器氣缸做上下活塞運(yùn)動(dòng)，開(kāi)始振動(dòng)櫻桃果枝，采摘收集熟果。

當(dāng)櫻桃果振動(dòng)收集完成后，農(nóng)用車(chē)馬達(dá)換擋振動(dòng)器氣缸至帶動(dòng)左升降液壓缸向下首先回收，如圖4所示，收集器左氣缸處于回收狀態(tài)，右氣缸處于伸張狀態(tài)。左滑塊下降到行程下限開(kāi)關(guān)20，右滑塊上升到行程上限開(kāi)關(guān)21。當(dāng)左升降液壓缸下降至滑塊下限位開(kāi)關(guān)20時(shí)，左邊三組減振布收集器折疊回收完成，而收集器右邊部分繼續(xù)在上限開(kāi)關(guān)處，呈收集張開(kāi)狀態(tài)。在左半部分回收時(shí)，大部分櫻桃自動(dòng)從收集器滑落。此處需要用戶自行安排收集裝箱設(shè)備，也可以采用人力或其他自動(dòng)化設(shè)備，將收集器內(nèi)收集的櫻桃倒出。同理，左半部分收集器整理完成后，右半部分氣缸回收，將所有收集器內(nèi)的櫻桃倒出。

6? ? 結(jié)語(yǔ)

櫻桃引進(jìn)中國(guó)后已久經(jīng)栽培，改革開(kāi)放后，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制下，國(guó)內(nèi)引進(jìn)的品種頗多且不斷變化，但果實(shí)的大小區(qū)別不大。除了供食用外，櫻桃果也可釀櫻桃酒，枝、葉、根、花還可供藥用[7]，還可將收集過(guò)程中有破損的櫻桃加工制作成櫻桃醬、櫻桃汁和果脯。在很多地方，櫻桃是高檔菜肴配料。僅僅在山東煙臺(tái)，自2011年開(kāi)始，就在連續(xù)的4年內(nèi)打造了16個(gè)市級(jí)大櫻桃示范基地，建設(shè)了2個(gè)農(nóng)業(yè)部“菜籃子”標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)示范基地。2016年，煙臺(tái)大櫻桃栽培面積達(dá)205 km2（30.8萬(wàn)畝），居中國(guó)第二位，產(chǎn)量17.6萬(wàn)t，居中國(guó)第一位，因此櫻桃的農(nóng)用機(jī)械有著較高的開(kāi)發(fā)價(jià)值。

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[7] 李振銘.煙臺(tái)櫻桃品牌化策略研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2018.

收稿日期：2021-12-27

作者簡(jiǎn)介：張愛(ài)云（1980—），女，山東東阿人，工學(xué)碩士，研究方向：機(jī)電設(shè)備技術(shù)。