魯澤超， 史 勇,2*， 肉 孜·阿木提,2， 蘇浩毅， 王 旭

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學機械交通學院,新疆烏魯木齊 830052;2. 新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設計重點實驗室,新疆烏魯木齊 830052)

?

全液壓振動式紅棗采摘設備的設計和研究

魯澤超1， 史 勇1,2*， 肉 孜·阿木提1,2， 蘇浩毅1， 王 旭1

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學機械交通學院,新疆烏魯木齊 830052;2. 新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設計重點實驗室,新疆烏魯木齊 830052)

摘要紅棗采摘作業(yè)是林果業(yè)生產(chǎn)中非常重要的環(huán)節(jié)。紅棗采摘機械的使用可以解決人工采摘紅棗時所出現(xiàn)的勞動強度大、效率低、成本高等不足。將液壓技術應用到紅棗采摘機械設備中,可使設備具有傳遞功率大、結(jié)構簡單、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點。設計出一種全液壓振動式紅棗采摘設備，依靠液壓系統(tǒng)驅(qū)動偏心裝置使其產(chǎn)生振動來完成紅棗的采摘，該設備結(jié)構簡單、設計合理、操作方便，可為同類型林果類采摘設備的設計和研發(fā)提供一定的參考價值。

關鍵詞全液壓；振動；紅棗采摘；設計

紅棗是一種營養(yǎng)佳品，被譽為“百果之王”，其營養(yǎng)保健作用在遠古時期就被人們發(fā)現(xiàn)并利用。新疆是我國紅棗的主要生產(chǎn)地，紅棗種植面積大、產(chǎn)量高，但是大多數(shù)仍采用人工采摘方式，勞動強度大、效率低、成本高，在收獲期容易出現(xiàn)勞動力緊缺，使紅棗不能及時收獲，嚴重影響新疆紅棗產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[1-2]。

目前國內(nèi)外開展了各類振動式紅棗采收機械的研制工作，研究表明，通過搖振樹枝或樹干實現(xiàn)對紅棗的采收是可行的[3]。振動式采摘設備主要分為偏心振動式、曲臂連桿式、氣力振動式等，其中偏心振動式的紅棗采摘設備體積更小，工作更加平穩(wěn)，采摘效率更高。新疆大部分果園都采用矮化密植模式，機械化作業(yè)的空間較小，作業(yè)條件差，因此國外的大型采收機械都不適合新疆地區(qū)紅棗的采收[4]。國內(nèi)針對矮化密植果園采摘類機械的研制也做了大量研究。新疆農(nóng)墾科學院機械裝備研究所研制了4YS-24型紅棗收獲機，該設備采摘效率雖然較高，但是要求樹干的夾持高度在80 cm以上[5]。石河子大學的孫雨等研制了4ZZ-4型全液壓驅(qū)動自走式紅棗收獲機[6]，該設備雖然結(jié)構簡單、傳動平穩(wěn)，但是無法實現(xiàn)對機械手振動的振幅和頻率進行調(diào)節(jié)。

筆者針對新疆地區(qū)果園矮化密植模式的特點，設計了一種全液壓振動式紅棗采摘設備，利用偏心塊正反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激振力實現(xiàn)對棗樹的搖振，完成對紅棗的采摘。該裝置結(jié)構緊湊，設計合理，可以實現(xiàn)偏心塊的振幅和頻率調(diào)節(jié)，適合矮化密植式果園中紅棗的采摘。

1總體方案和設計要求

1.1總體方案全液壓振動式紅棗采摘機的設計需要充分發(fā)揮機械及液壓技術的特性，最大限度地利用機械結(jié)構和液壓裝置對紅棗進行采摘并且保證采摘的質(zhì)量和采凈率。機械化采摘是整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)里的重要部分，所以紅棗機械化采摘機技術研究是未來發(fā)展的主要趨勢。

該項目的設計要求是結(jié)合新疆紅棗采摘的實際情況，設計一種專用的液壓式紅棗采摘機，該設備既能通過激振力的方式實現(xiàn)水果的采摘收獲，同時，機械本身還具有舉升和回轉(zhuǎn)裝置，利用液壓缸和相應的機械機構，實現(xiàn)工作裝置的舉升和回轉(zhuǎn)。對采摘設備的要求是：在振動采摘過程中應減少對樹枝的折斷，能夠?qū)φ駝友b置的頻率進行調(diào)節(jié)，振動裝置與配套動力機械應能夠相互協(xié)調(diào)。

1.2設計要求具體設計要求如下：①振動液壓馬達的頻率調(diào)節(jié)范圍為0~25 Hz。②適用果樹主干直徑為90~400 mm。③夾持主干位置最低距離地面高度為0.6 m。④適用果樹行距為2.0 m以上的果園，以滿足密植果園作業(yè)空間小的要求。⑤采摘機采用帶有后置動力輸出軸的拖拉機牽引，配套牽引拖拉機動力范圍為15~35 kW。

2總體結(jié)構設計及工作原理

注：1.夾持手臂；2.振動液壓馬達；3.伸縮液壓缸；4.伸縮大臂；5.舉升液壓缸；6.回轉(zhuǎn)底座；7.液壓泵；8.液壓油箱；9.支撐架；10.操控臺；11.振動箱；12.夾持液壓缸；13.回轉(zhuǎn)液壓馬達；14.牽引架。Note: 1. Clamp arm; 2. Vibration hydraulic motor; 3. Telescopic hydraulic cylinder; 4. Telescopic boom; 5. Lifting hydraulic cylinder; 6. Rotary base; 7. Hydraulic pump; 8. Hydraulic oil tank; 9. Carriage; 10. Control console; 11. Vibrating case; 12. Clamping hydraulic cylinder; 13. Rotary hydraulic motor; 14. Traction frame.圖1　全液壓振動式紅棗采摘機總裝圖Fig.1　General assembly drawing of full hydraulic vibration type red jujube picking equipment

2.1總體結(jié)構設計采摘機總體結(jié)構如圖1所示，由激振機構、夾持機構、液壓傳動系統(tǒng)、機架組成，采摘機采用拖拉機后牽引。激振機構包括偏心輪、帶動偏心輪旋轉(zhuǎn)的振動液壓馬達和振動箱。夾持機構包括固定夾持手臂和夾持液壓缸。液壓傳動系統(tǒng)主要由伸縮液壓缸、伸縮大臂、舉升液壓缸、液壓泵、輸油管以及液壓閥等組成。總裝圖如圖1所示。2.2工作原理全液壓振動式紅棗采摘機是基于通過對果樹主干施加機械振動，使果樹產(chǎn)生受迫振動，從而帶動果實做加速運動，果實產(chǎn)生的慣性力大于果實與樹枝的結(jié)合力時，果實就會從樹上掉落[7]。

該設計的源動力為牽引拖拉機后置動力輸出軸。牽引拖拉機將動力傳輸至后置動力輸出軸，然后，動力輸出軸與萬向聯(lián)軸器相連的液壓泵連接，通過液壓泵將油壓分別傳遞到振動總成中的振動液壓馬達及各液壓元件。

工作時，通過調(diào)節(jié)舉升液壓缸的伸縮，使夾持機構調(diào)節(jié)到夾持樹干的合適高度位置。通過調(diào)節(jié)伸縮液壓缸，同時推出伸縮大臂中的加長臂帶動振動箱向外伸縮。當振動箱調(diào)節(jié)到適合夾持樹干的位置時，調(diào)節(jié)振動箱下部的調(diào)平油缸，使夾持機構保持水平。調(diào)節(jié)夾持液壓缸的伸縮，使夾持手臂水平夾持住主干，隨后啟動液壓馬達帶動偏心輪旋轉(zhuǎn)，偏心輪產(chǎn)生的激振力通過夾持機構傳遞給果樹主干，使果樹產(chǎn)生一定頻率及振幅的受迫振動(圖2)。

圖2　全液壓式紅棗采摘機工作圖Fig.2　Working drawing of full hydraulic vibration type red jujube picking equipment

2.3設計功能該紅棗采摘設備設計的主要功能如下：①控制振動液壓馬達轉(zhuǎn)動，可帶動偏心輪旋轉(zhuǎn)后振動，帶動振動箱振動樹干。②控制偏心輪的旋轉(zhuǎn)方向，可調(diào)節(jié)振動幅度和振動頻率。③控制大臂的舉升高度，可調(diào)節(jié)夾持手臂對不同高度樹木的夾持位置。④控制大臂的伸出長度，可對工作半徑內(nèi)的樹木進行采摘，減少采摘機移動次數(shù)。⑤控制回轉(zhuǎn)底座的旋轉(zhuǎn)角度，可同時實現(xiàn)對采摘機左右兩側(cè)的果樹進行采摘。

3主要零部件的設計

3.1振動機構的設計振動機構是將動力源的運動和動力進行轉(zhuǎn)換并輸出與傳遞的裝置，根據(jù)振動產(chǎn)生原理，振動機構可分為三大類，即偏心振動機構、軸向振動機構和多邊形沖擊機構。

全液壓式紅棗采摘機采用偏心振動機構，其激振力來自其內(nèi)部的偏心輪作圓周運動時的離心力。所以，偏心輪是振動機構最主要的元素之一。

該設計采用偏心振動機構，有2種工作模式：一是高頻低振幅模式(圖3)，二是低頻高振幅模式(圖4)。2種模式是通過調(diào)節(jié)振動液壓馬達(圖5)旋轉(zhuǎn)方向進行切換，2種模式的切換增加了可采摘果樹的適用范圍，同時減少了單一模式對小樹的損傷。振動箱裝配圖如圖6所示。

3.2夾持機構的設計采摘機夾持機構的設計參數(shù)主要是夾緊力，夾緊力控制的大小都會影響到樹干，進而影響采摘效果。夾緊力不足，會對樹干夾持不緊，影響激振力的傳遞；夾緊力過大，會對樹干的樹皮以及其他結(jié)構組織造成不同程度損傷。為了保護果樹，因而在能保證可靠夾緊的情況下，應使夾緊力適當[7]。

圖3　偏心輪高頻低振幅模式Fig.3　High frequency low amplitude mode of eccentric wheel

計算夾緊力時參照機器人手部夾緊力的計算公式：

F≥K1K2K3G

式中,F為夾緊力(N)；K1為安全系數(shù)；K2為工作情況系數(shù)；K3為方位系數(shù)；G為采摘頭所受的重力。

計算時取K1=1.5；由于果樹是靜態(tài)的，所以取K2=1；取K3=1.25；利用UG軟件對采摘頭進行建模，并且對其質(zhì)量屬性進行分析，得到其質(zhì)量為100 kg，采摘頭所受的重力G=100×10=1 000N，計算夾緊力為：

F≥1.5×1.25×1 000=1 875 N

圖4　偏心輪低頻高振幅模式Fig.4　 Low frequency and high amplitude mode of eccentric wheel

圖5　振動液壓馬達Fig.5　Vibration hydraulic motor

圖6　振動箱裝配Fig.6　Vibration box assembly

4液壓系統(tǒng)的設計

全液壓振動式紅棗采摘設備的液壓系統(tǒng)采用多回路控制[8]，如圖7所示。其動力元件為液壓泵(變量葉片泵)，由牽引拖拉機的后置動力輸出軸通過萬向聯(lián)軸器帶動，液壓油缸控制回路采用多路換向閥并聯(lián)的方式，利用6個換向閥控制4組液壓缸和2個液壓馬達的動作。其中，總閥是兩位兩通換向閥，做為整套液壓系統(tǒng)的開關；圖7中編號5、10、15的控制閥是三位四通O型換向閥，分別控制著大臂舉升液壓缸、大臂伸縮液壓缸、振動箱調(diào)平液壓缸；圖7中編號19、23、27的控制閥是三位四通型Y型換向閥，分別控制振動箱的2個夾持手臂動作的液壓缸，以及驅(qū)動振動液壓馬達和回轉(zhuǎn)液壓馬達轉(zhuǎn)動。溢流閥用來調(diào)整整個系統(tǒng)的壓力，使系統(tǒng)具有較為穩(wěn)定的壓力。

液壓傳動系統(tǒng)的優(yōu)點很多，與電氣傳動相比，液壓系統(tǒng)工作比較平穩(wěn)，由于重量輕、慣性小、反應快，液壓裝置易于實

注：1.油箱；2.總閥；3、8、13.減壓閥；4、6、9、11、14、16、18、20、22、24、26、28.節(jié)流閥；5.舉升控制閥；7.舉升液壓缸；10.伸縮控制閥；12.伸縮液壓缸；15.調(diào)平控制閥；17.調(diào)平液壓缸；19.夾緊控制閥；21.夾持液壓缸組合；23.回轉(zhuǎn)控制閥；25.回轉(zhuǎn)液壓馬達；27.振動控制閥；29.振動液壓馬達；30.溢流閥；31.液壓泵。Note: 1. Oil tank; 2. Master valve; 3, 8, 13. Pressure relief valve; 4, 6, 9, 11, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28. Throttling valve; 5. Lifting control valve; 7. Lifting hydraulic cylinder; 10. Telescopic control valve; 12. Telescopic hydraulic cylinder; 15. Leveling control valve; 17. Leveling hydraulic cylinder; 19. Clamping control valve; 21. Clamping hydraulic cylinder combination; 23. Rotary control valve; 25. Rotary hydraulic motor; 27. Vibration control valve; 29. Vibration hydraulic motor; 30. Overflow valve; 31. Hydraulic pump.圖7　液壓系統(tǒng)原理Fig.7　Hydraulic system principle

新構建進行研究，以期為蘇州市資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會綜合配套改革試驗與城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展戰(zhàn)略的實施服務，為蘇州市城鎮(zhèn)村體系規(guī)劃和鎮(zhèn)村布局規(guī)劃的編制提供依據(jù)，并且為蘇州市鎮(zhèn)村的產(chǎn)業(yè)發(fā)展、農(nóng)村社區(qū)建設等提供模式借鑒。

參考文獻

[1] 趙佩佩，顧浩，孫加鳳.新型城鎮(zhèn)化背景下城鄉(xiāng)規(guī)劃的轉(zhuǎn)型思考[J].規(guī)劃師，2010，30(4)：95-100.

[2] 彭震偉, 高璟.長江三角洲地區(qū)小城鎮(zhèn)村鎮(zhèn)空間布局的影響因素及其作用機制[C]//城鄉(xiāng)規(guī)劃新思維.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007：278.

[3] 楊宏杰.蘇州城鄉(xiāng)地區(qū)空間管治研究[D].蘇州:蘇州科技學院, 2008:18.

[4] 張振龍.城鄉(xiāng)一體化規(guī)劃理論與實施機制研究:以蘇州市為例[J].現(xiàn)代城市研究, 2012(4): 15-20.

[5] 萬艷華,艾志誠.三農(nóng)問題與小城鎮(zhèn)規(guī)劃革新[J]．小城鎮(zhèn)建設，2004(6)：54-56.

[6] 蘇州市規(guī)劃局，蘇州規(guī)劃設計研究院股份有限公司.蘇州市區(qū)鎮(zhèn)村布局規(guī)劃[A].2014.

[7] 楊新海,洪亙偉,趙劍鋒.城鄉(xiāng)一體化背景下蘇州村鎮(zhèn)公共服務設施配置研究[J].城市規(guī)劃學刊, 2013(3):22-27.

[8] 李強，嚴金明.武漢市城市邊緣區(qū)村鎮(zhèn)發(fā)展模式與土地利用政策研究[J].地理與地理信息科學,2012，28(2):76-79.

[9] 趙書彬.風景名勝區(qū)鎮(zhèn)村體系研究[D].上海：同濟大學，2007:25.

Design and Research of Full Hydraulic Vibration Type Red Jujube Picking Equipment

LU Ze-chao1, SHI Yong1,2*，ROUZI·Amuti1,2et al (1. College of Mechanic and Traffic, Xinjiang Agricultural University, Urumqi, Xinjiang 830052; 2. Key Laboratory for Agricultural Engineering Equipment Innovative Design of Xinjiang, Urumqi, Xinjiang 830052)

AbstractRed jujube picking is a very important link in the production of fruit industry. The use of red jujube picking machine can solve problems of artificial picking jujube, such as high labor intensity, low efficiency and high cost. The hydraulic technology is applied to the red jujube picking machine, which can make the equipment has the advantages of high transmission power, simple structure, stable transmission and so on. In this paper, a kind of full hydraulic vibration type jujube picking equipment was designed, relying on the hydraulic system to drive an eccentric device to produce vibration to complete the jujube picking. The equipment has the advantages of simple structure, reasonable design, convenient operation, which can provide a certain reference for design and development of the same type of fruit picking equipment.

Key wordsFull hydraulic; Vibration; Red jujube picking; Design

收稿日期2015-12-07

作者簡介魯澤超(1992- )，男，山東臨沂人，從事農(nóng)業(yè)機械研究。*通訊作者，講師，從事農(nóng)產(chǎn)品加工、液壓傳動與控制、數(shù)控技術等研究。

基金項目新疆維吾爾自治區(qū)大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201510758048)。

中圖分類號S 225.93

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)02-313-03