胡迎春 ，閆　鑫，莊錦芳，牟向偉，廖　偉

(1.廣西師范大學 職業(yè)技術(shù)師范學院，廣西 桂林 541004；2.廣西科技大學 機械工程學院 ，廣西 柳州　545006)

?

往復式桑葉采摘機設計及采摘效益分析

胡迎春1，閆鑫2，莊錦芳2，牟向偉1，廖偉2

(1.廣西師范大學 職業(yè)技術(shù)師范學院，廣西 桂林 541004；2.廣西科技大學 機械工程學院 ，廣西 柳州545006)

摘要：以實現(xiàn)機械采摘桑葉為目的，設計一款能自動實現(xiàn)桑葉采摘的往復式桑葉采摘機。桑葉采摘機包括往復式桑葉采摘裝置、桑枝定位裝置和行走裝置。為了使桑葉采摘機能夠準確地完成桑枝定位、順利地進行桑葉采摘，桑枝定位裝置對桑枝進行定位，行走裝置帶動桑葉采摘機運動至工作位置，之后由往復式桑葉采摘裝置進行桑葉采摘。通過查閱文獻和調(diào)查，確定桑樹的生長情況，結(jié)合往復式桑葉采摘機的運動進行機械采摘桑葉的效益分析，得到機械采桑效率為422.4kg/h，采摘6.67hm2桑園所需費用為2 093元。

關(guān)鍵詞：桑葉采摘機；效益分析；往復式

0引言

長期以來，種桑養(yǎng)蠶一直在我國占據(jù)著重要的經(jīng)濟地位?，F(xiàn)階段，我國的桑蠶生產(chǎn)模式已經(jīng)開始轉(zhuǎn)為集中化生產(chǎn)[1-2]。然而，桑葉采摘的機械化程度依然不高，桑農(nóng)勞動強度很大[3-4]。近年來，我國陸續(xù)設計了幾款桑葉采摘機[5-9]，提高了桑葉采摘效率；但這些采摘機普遍自動化程度不高，沒有減輕桑農(nóng)采摘桑葉的勞動強度。為此，筆者設計了一款利用機械運動完成桑葉采摘的機械產(chǎn)品[10-11]，主要由行走裝置、定位裝置和桑葉采摘裝置等組成。

1往復式桑葉采摘裝置設計

1.1結(jié)構(gòu)設計

往復式桑葉采摘裝置由基架、皮帶傳動機構(gòu)、長圓柱銷、上下運動塊、左右運動塊和刀具組成，如圖1所示。皮帶傳動機構(gòu)固定在機架上，長圓柱銷和皮帶固接，隨著皮帶的運動而運動。上下運動塊與機架上設置的豎直導軌組成滑動副相對于基架上下運動，中間開有長度大于皮帶輪直徑的矩形缺口，長圓柱銷從該缺口中穿過，使上下運動塊隨著長圓柱銷的運動做上下運動。上下運動塊表面設有橫向?qū)к墸笥疫\動塊通過橫向?qū)к壓蜕舷逻\動塊套接，相對于上下運動塊做左右運動。左右運動塊中間開有長度小于皮帶輪直徑的矩形缺口，長圓柱銷從該缺口中穿過，當長圓柱銷隨著皮帶運動至兩個皮帶輪上方或下方時，將逆時針向左或者順時針向右運動，左右運動塊會隨著長圓柱銷也向左或者向右運動，如圖2所示。兩個基架并排放置，安裝有皮帶輪機構(gòu)的一面朝向同一側(cè)。圖1中，采摘桑葉時，左方皮帶做逆時針轉(zhuǎn)動，右方皮帶做順時針轉(zhuǎn)動。

圖1　桑葉采摘裝置

圖2　上下運動塊與左右運動塊

1.2桑枝定位裝置設計

桑枝定位裝置由間歇運動機構(gòu)、改向機構(gòu)、定位齒輪和定位桿組成，如圖3所示。桑枝定位裝置的間歇運動由槽輪機構(gòu)提供，槽輪機構(gòu)由撥輪和槽輪組成。其中，撥輪上設有2個撥針，槽輪上開有4個槽，發(fā)動機動力經(jīng)由皮帶輪傳動、齒輪傳動傳遞至撥輪后，槽輪在撥輪的帶動下做間歇運動，且槽輪和撥輪旋轉(zhuǎn)1周所用的時間比率為2:1。槽輪帶動改向機構(gòu)運動，運動的改向由渦輪蝸桿機構(gòu)完成。在采摘裝置下方配有定位裝置，定位裝置由2個齒輪、定位桿和定位抓組成。4個齒輪側(cè)面分別伸出1根短軸，定位桿上開有孔與4根短軸配合。定位抓在定位桿的帶動下隨著齒輪做圓周運動，其運動方式為平動，行程與桑樹行距相等為40cm。定位抓處于初始位置時與刀具處于同一豎直面。

圖3　定位裝置

1.3行走裝置設計

行走機構(gòu)的動力由采摘裝置通過錐齒輪傳動提供，錐齒輪帶動槽輪機構(gòu)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)行走輪的間歇運動。槽輪機構(gòu)的撥輪上設有1個撥針，槽輪上開有4個槽，槽輪在撥輪的帶動下做間歇運動，且槽輪和撥輪旋轉(zhuǎn)1周所用時間比率為4:1。槽輪帶動1個大齒輪轉(zhuǎn)動，大齒輪又同時帶動2個小齒輪轉(zhuǎn)動；T型桿隨著2個小齒輪做圓周運動，且運動方式為平動，另一端與行走輪套接，帶動主動輪做圓周運動。行走裝置如圖4所示。

1.4采摘過程分析

桑葉非均勻分布在桑枝四周，往復式桑葉摘裝置采用2個半圓環(huán)閉合式刀具包攏桑枝、自下而上運動的方式實現(xiàn)對桑葉的采摘。刀具處于初始位置A點時呈完全分開狀態(tài)。桑葉采摘裝置開始運動后，左右兩邊的皮帶連接的長圓柱銷在隨皮帶運動時，先帶動左右運動塊向中心方向運動使兩個刀具閉合，然后向上運動至頂端B點時完成桑葉采摘；此時定位機構(gòu)開始運動，定位抓在定位齒輪的帶動下順時針做圓周運動，同時長圓柱銷再帶動兩邊的左右運動塊分別向左、向右運動，使兩個刀具分開，之后帶動上下運動塊向下運動；當?shù)毒哌\動至C點時，行走機構(gòu)開始運動，行走輪在T型桿的驅(qū)動下帶動采摘機向前運動，刀具繼續(xù)向下運動直至回到初始位置。采摘桑葉過程如圖5所示。

圖4　行走裝置

圖5　運動階段示意

2采摘效益分析

2.1采摘效率分析

有資料表明[12-16]，割刀切斷禾桿的最小刀速為0.6m/s。由于桑葉葉柄比禾稈更容易切斷，此處選取桑葉采摘刀具的最小速度v1=0.6m/s。皮帶輪直徑為d=0.4m，兩個皮帶輪中心距為a=1.2m。

記往復式桑葉采摘機采摘1棵桑樹的時間為t1，則有

采摘完1棵桑樹后，刀具分開，往復式桑葉采摘機會在行走輪的帶動下向前運動至下一棵桑樹的收割位置，此時刀具回到初始位置。往復式桑葉采摘機的1個工作周期包括采摘完1棵桑樹并行走至下一棵桑樹的采摘位置，也就是一棵桑樹從定位到采摘完成所需時間為6s。

記桑葉收割機每小時可收割的桑樹的數(shù)量為k棵，則

許動[17]在《圓筒形片葉采桑器的研究》一文中曾經(jīng)對桑園中桑枝上芽的數(shù)量進行過調(diào)查，結(jié)果如表1所示。

表1　桑條上芽數(shù)調(diào)查

桑條上每片葉子有且僅有1個嫩芽，桑條上芽的數(shù)量可以認為是桑條上桑葉的數(shù)量。記所有桑條上桑葉數(shù)量的均值為b片，則

據(jù)調(diào)查，每500g桑葉大約為146片。記每片桑葉的質(zhì)量為w克，則

w=500÷146=3.4(g)

取每棵桑樹可以生長5棵桑枝，記每棵桑樹上面桑葉的重量為W，則

W=5wb=704g

記桑葉收割機每小時收割桑葉的質(zhì)量為G，則

G=Wk=422.4kg

根據(jù)調(diào)查，熟練桑農(nóng)每小時采桑質(zhì)量為15～30kg，以k1表示，取k1=30kg。記與手工采桑相比自動采桑效率提高量為ε1，則

2.2經(jīng)濟效益分析

以一塊占地66.7hm2的桑園為例，該桑園大約為66 000m2，假設該桑園的長寬分別為300m和22m。記桑園種下的桑樹為z棵，桑樹種植行距為0.8m，株距為0.4m，則

即一桑園種植的桑樹有20 625棵。記每0.67hm2桑園桑葉產(chǎn)量為W總，則

W總=20 625×W=14 520kg

1個熟練桑農(nóng)每小時可以采摘30kg桑葉[18],如果同時雇傭5個工人在桑園采摘桑葉，則5個工人每小時可以采摘150kg桑葉。

機器與工人均每天工作8h，記人工與機械將桑園的桑樹采摘完所用的時間分別為t人與t機，則

自動收割機收割動作功率為453W，持續(xù)34h。

整機的運動過程為：由靜止加速至0.3m/s，向前運動0.4m后停止，以此循環(huán)，則收割0.67hm2地的桑樹該動作共循環(huán)20 625次。查詢資料可得：輪胎與土地之間的滾動摩擦因數(shù)為f=2～10，由于桑園地面極不平整，取f=10，整機質(zhì)量m=600kg。記收割機收割0.67hm2地的桑園需要做功為E，則

=5×108J

其中，g為重力加速度，取g=10m/s2。

汽油的燃燒值為4.3×107J/kg，汽油機的熱效率大約為0.25。記采摘0.07hm2地需要xkg汽油,則

據(jù)調(diào)查，汽油現(xiàn)階段價格為7.31元/L，即10.44元/kg。記耗費汽油的總價為m汽，則

m汽=46.7×10.44=487元

自動桑葉收割機總造價估價11 802元，同類農(nóng)業(yè)機械第1年的折舊一般定位總造價的8/36。記自動桑葉收割機收割桑園的折舊費用為m折舊，則

大型桑園請桑農(nóng)采摘桑葉需要支付的工資大約為150元/天，記人工采摘66.7hm2桑園的費用為m1，自動采摘66.7hm2桑園的費用為m2，則

m1=5×t人×150=18 000(元)

m2=t機×150+m汽+m折舊=2 093(元)

記自動采摘比手工采摘節(jié)省費用百分比為ε2，則

根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制表2，并對人工采桑和自動采桑做比較。

表2　人工采桑與自動采桑的比較

3結(jié)語

設計了一種往復式桑葉采摘機，包括桑葉采摘裝置、桑葉定位裝置和行走裝置。其中，由桑枝定位裝置對桑枝進行定位，再由行走裝置將桑葉采摘機帶動至工作位置，最后由桑葉采摘裝置完成桑葉采摘。通過查閱文獻和調(diào)查，對桑葉采摘機的采摘效率和費用進行分析，并與人工采摘進行比較，桑葉采摘機的采摘效率提高1 308%，每6.67hm2桑園節(jié)省采摘費用88.3%。該機具有良好的應用價值，可以為桑葉采摘機的后續(xù)研究提供一定的理論和應用依據(jù)。

參考文獻：

[1]黃先智.我國桑蠶產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型問題研究[D].重慶:西南大學,2013.

[2]張社梅.我國桑蠶生產(chǎn)率變動分析[J].湖南經(jīng)濟問題,2011(1): 14-19.

[3]張會玲.蠶業(yè)生產(chǎn)機械化縱橫談[J].安徽農(nóng)學通報,2007,13(10): 106-107.

[4]王代剛,黎歡吉.蠶農(nóng)桑葉采運作業(yè)勞動強度的表觀矢量體研究[J].湖南農(nóng)業(yè)科學,2011(7):160-162.

[5]覃河龍 .一種桑葉采摘組合裝置:中國, 201938085U [P].2011-08-24.

[6]黃煒 .一種采摘器:中國,202210964U[P]. 2012-05-09.

[7]韋信敏 .一種高效桑葉采摘器:中國,202799686U [P].2013-03-20.

[8]韋信敏 .一種圓刀桑葉采摘器:中國,202799687U [P].2013-03-20.

[9]方孫典,李天明 .桑葉采摘器:中國,201084926[P].2008-07-16.

[10]廣西科技大學.一種皮帶往復式桑葉收割機:中國, 201320814472.1[P].2014-07-09.

[11]廣西科技大學.一種皮帶往復式桑葉收割機的剪葉裝置:中國,20132 0814413.4[P].2014-07-09.

[12]夏萍,陳黎卿,朱德泉,等.往復式切割器參數(shù)的數(shù)值模擬及優(yōu)化[J].機械工程師,2006(5):82-83.

[13]陳翠英,王新忠,何增富.谷物聯(lián)合收獲機油菜收獲割臺的設計[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2003,34(5):54-56.

[14]恩鑄,胡建平.蓮藕切片機推料裝置的設計[J].農(nóng)機化研究,2008(11):104-105.

[15]李杰,閻楚良,楊方飛. 基于虛擬樣機技術(shù)的聯(lián)合收獲機切割機構(gòu)的仿真[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2006,37(10):74-76.

[16]劉源,李浙坤,吳海濤.往復式切割器速度參數(shù)優(yōu)化設計與分析[J].農(nóng)機化研究,2011,33(8):42-45.

[17]許動,葛景賢,韓忠祿,等.圓筒形片葉采桑器的研究[J].蠶業(yè)科學,1965,33(2):101-108.

[18]李健,韋靈南,鄧敏和.桑葉采摘機的設計[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2004(1)：101-102.

Design of Reciprocating Machine of Picking Mulberry Leaves and Analysis of its Efficiency and Benefit

Hu Yingchun1, Yan Xin2, Zhuang Jinfang2,Mu Xiangwei1, Liao Wei2

(1.Teachers College for Vocational and Technical Education, Guangxi Normal University, Guilin 541004, China；2.College of Mechanical Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China)

Abstract：With the purpose of picking mulberry leaves mechanically, a reciprocating picking machine which can pick mulberry leaves automatically was designed. In order to locate ramulus moris’ positioning accurately and pick mulberry leaves smoothly, the reciprocating picking device, the ramulus mori locating device and the walking device formed a reciprocating picking machine. The ramulus mori locating device located ramulus moris, the walking device drove the mulberry leaf picking machine movement to work position, and then mulberry leaves were picked by the reciprocating picking device. The growth of mulberry was understood by literature and investigation, analyzed the efficiency and benefit of picking mulberry leaves by machine. The efficiency of picking mulberry leaves by machine was 422.4kg/h, the cost of picking 100 mu of mulberry field was 2093 Yuan. It has been provide the theoretical reference for picking mulberry leaves mechanically.

Key words：machine of picking mulberry leaves; analysis of efficiency and benefit; reciprocating

文章編號：1003-188X(2016)04-0076-04

中圖分類號：S223.92；S225.53

文獻標識碼：A

作者簡介：胡迎春(1971-)，女，廣西柳州人，教授，博士，(E-mail)hyc_leeds@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51205071)

收稿日期：2015-03-18