程　堯，胡　旭，張流丹

(重慶文理學院機電工程學院， 重慶　永川　402160)

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GWZD-S01型山區(qū)果樹高位振動收獲機械的設計

程堯，胡旭，張流丹

(重慶文理學院機電工程學院， 重慶永川402160)

本文設計了一種適合山區(qū)的果樹收獲機械.該機械利用內(nèi)燃機動力，拖拉機牽引，采用復合平行四桿機構(gòu)升降，可裝拆偏心輪激勵振動，氣動夾緊機構(gòu)夾持頸部樹干進行高位振動收獲果實.該機械主要包含升降機構(gòu)、帶傳動、振動和氣動夾緊等機構(gòu).

山區(qū)；果樹；高位振動；收獲機械

我國山區(qū)、丘陵地帶往往種植經(jīng)濟作物較多.其中，經(jīng)濟效益比較顯著的當屬堅果類果樹.堅果類作物果實小，產(chǎn)量高，季節(jié)性強.堅果采摘勞動強度大，需要大量人力采摘.山區(qū)堅果類樹木比較高大，人工采摘難度大.受限于地形，目前國內(nèi)基本沒有合適的采摘機械[1].山區(qū)機械采摘作業(yè)危險性與難度問題也比平地采摘機械更突出.以往開展的果實收獲機械研究多是對平原地區(qū)矮小果樹進行的[2-3].開展山區(qū)、丘陵地帶高大果樹果實高位收獲機械裝備研究很有必要.

1　工作對象特性分析

經(jīng)調(diào)查研究，堅果樹多為中型常綠喬木， 樹形直立或開張，樹高達3～9 m ，莖直立，樹皮灰白色、粗糙，木質(zhì)堅硬.果實多有堅硬外殼，適合振動脫落于地面收獲.堅果樹多生長在溫帶山區(qū)丘陵地區(qū)內(nèi)，在適宜的氣溫和生長條件下，嫁接樹在定植后3～5年結(jié)果，壽命在100年以上，經(jīng)濟壽命40～60年.堅果樹大多呈淺根性，在開曠地的成年樹主根不發(fā)達而側(cè)根發(fā)達，簇狀分布于70 cm以上的土層中，主要分布于0～30 cm 的土層中，扎根淺，抗風性差[4].由于堅果樹的這些特點，采用振動收獲果實要考慮木質(zhì)堅硬、主干直徑大、扎根淺等因素，振動不能傷及根部.

2　總體結(jié)構(gòu)設計

2.1工作機理

本研究的振動式果實收獲機械的工作原理是基于機械振動果實脫落.主要是通過牽引拖拉機的內(nèi)燃機輸出動力，經(jīng)過減速器，由皮帶傳動給主軸，主軸旋轉(zhuǎn)，帶動裝在主軸上的偏心輪一起轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生振動，進而將振動傳遞給氣動夾頭，氣動夾頭的振動傳遞給果樹.果樹在接受了外加的強迫振動后，也以一定的頻率和振幅振動，使果枝上的果實以某種形式振動.由于加速運動的物體要受到慣性力的作用，當慣性力大于果實與果枝的結(jié)合力時，果實就會掉落.

振動式果實收獲機械的作業(yè)流程：

(1)接果準備.在果樹下鋪設收集網(wǎng)或?qū)Ｓ眉占b置，準備接收果實.

(2)驅(qū)動裝置.采用利于山地行走的履帶式拖拉機作為牽引力，靠內(nèi)燃機通過減速器皮帶輪減速提供振動裝置動力.

(3)夾持樹干.調(diào)整拖拉機前后位置，使收獲機氣動夾頭正對樹干，調(diào)整升降平臺，選擇合適的夾持高度(一般夾持位置離地面應不少于80 cm，以免振動損傷樹根)，啟動氣動夾頭，壓縮空氣由氣缸流經(jīng)夾頭的壓縮空氣入口，進入夾頭內(nèi)，推動活塞，張開振動夾頭夾持臂，慢慢將夾頭移向樹干，當樹干處于夾頭中間位置時停止移動，打開排氣口，壓縮空氣由此處流走，由于壓縮彈簧的作用，活塞再次回到原來位置，帶動夾持臂，使氣動夾緊機構(gòu)緊緊夾住樹干.

(4)激振.皮帶輪的動力傳遞給振動主軸，再通過主軸上的偏心輪組的轉(zhuǎn)動，形成振動頻率和振幅，傳遞給夾緊機構(gòu).

(5)振搖果樹.加大或減小牽引拖拉機油門，改變拖拉機動力輸出轉(zhuǎn)速，驅(qū)動振動頭振動果樹，不損傷樹根部，讓果實以一定速率脫落.

(6)縮回振動夾頭.張開夾持臂，使氣動夾緊機構(gòu)脫離樹干，調(diào)整升降平臺，縮回振動夾頭.

(7)收集果實.利用果實的重力掉落在地面或收集裝置進行收集.

2.2結(jié)構(gòu)形式

該機構(gòu)由牽引機車的內(nèi)燃機輸出動力，經(jīng)過變速箱適當調(diào)整輸出轉(zhuǎn)速，經(jīng)皮帶傳給主軸，主軸轉(zhuǎn)動.由于主軸上裝有偏心塊，迫使主軸在轉(zhuǎn)動的同時也有一定的往復擺動，進而產(chǎn)生振動.由于氣動夾緊機構(gòu)與振動主軸相連，所以主軸將振動傳給氣動夾緊機構(gòu)，夾緊機構(gòu)產(chǎn)生振動，從而驅(qū)使樹干搖擺振動.如圖1所示.

圖1　高位振動收獲機械機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

該機構(gòu)由牽引機車的內(nèi)燃機輸出動力，經(jīng)過變速箱適當調(diào)整輸出轉(zhuǎn)速，經(jīng)皮帶傳給主軸，主軸轉(zhuǎn)動.由于主軸上裝有偏心塊，迫使主軸在轉(zhuǎn)動的同時也有一定的往復擺動，進而產(chǎn)生振動.由于氣動夾緊機構(gòu)與振動主軸相連，所以主軸將振動傳給氣動夾緊機構(gòu).夾緊機構(gòu)產(chǎn)生振動，驅(qū)使樹干搖擺振動.

3　主要機構(gòu)

3.1升降機構(gòu)

選用步進電機驅(qū)動二平行四桿機構(gòu)與支撐臺面作為升降裝置.升降平臺的升降動作主要靠4個支撐桿的擺動.支撐桿與平臺通過轉(zhuǎn)動鉸鏈連接，支撐桿轉(zhuǎn)到不同角度，升降臺就有相應的升降高度.當支撐桿與升降臺垂直時，升降臺處于最高位置.支撐桿的擺動主要依靠鉸接處的步進電動機驅(qū)動.與液壓機構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)不是很緊湊，但從成本方面來說，四桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，造價低.

當需要調(diào)整夾持高度時，點動升降平臺電動機上升按鈕，電動機帶動支承桿逆時針擺動，平臺緩慢上升，升到合適位置，點動按鈕關閉驅(qū)動電動機.當需要支撐桿回復與升降臺平行的位置時，點動下降按鈕.升降平臺主要用于支撐振動機構(gòu)和夾持機構(gòu)，所選材料應該具有足夠的強度和剛度.這里選擇優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼.優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼材料表面硬而耐磨，又具有較高的韌性和足夠的強度，滿足在沖擊和磨損條件下工作的機器零件要求.

由于高度的變化性，帶傳動的中心距是在一定范圍內(nèi)變化的，需要適時張緊皮帶保證傳遞可靠.本機考慮工況的復雜性、帶傳動的皮帶與帶輪的可靠接車和足夠的摩擦力，選用V帶傳動，利用擺動架調(diào)節(jié)主動輪位置和在升降臺上加可調(diào)式張緊輪進行組合式張緊，保證可靠的傳遞動力.

3.2振動機構(gòu)

振動機構(gòu)主要由主軸、偏心輪組、支承主軸的支架、振動臂組成.對振動機構(gòu)，除了考慮樹體接受振動以外，還要考慮樹根需要吸收一部分能量，這與樹根的質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)分布和作用力位置有關.這部分能量會抵消來自內(nèi)燃機動力部分的能量，但這個值不是很大.由于振動式采摘對果樹產(chǎn)生的振動是接觸和持續(xù)的，所以近似認為采摘過程中果樹的振動頻率即為振動器的振動頻率.果樹的激振頻率與振動機構(gòu)的頻率近似一致.對果樹施加激振力的激振機構(gòu)通常是采用回轉(zhuǎn)偏心塊，轉(zhuǎn)向相同或者相反的滑塊組合激振，本機型轉(zhuǎn)向相同.

3.3夾緊機構(gòu)

夾緊機構(gòu)主要用來夾緊樹干.夾緊過程中既要確保不傷果樹，又能夾緊可靠，而且要節(jié)能環(huán)保.本課題選用氣動夾緊機構(gòu)，由壓縮氣缸中的氣體提供動力控制夾緊手爪.如圖2所示.

圖2　氣動夾緊機構(gòu)

氣動夾緊機構(gòu)工作過程：

(1)張開手爪：點動張開手爪控制按鈕，氣缸中的壓縮空氣經(jīng)壓縮空氣入口進入活塞缸，推動活塞向右運動，支承活塞的彈簧被壓縮，活塞運動推動手爪，使手爪張開.

(2)合攏手爪：點動合攏手爪按鈕，排氣口打開，壓縮空氣流走，彈簧的恢復力作用，拉動活塞，活塞向左運動，拉動手爪，手爪合攏.

4　主要技術(shù)參數(shù)及尺寸參數(shù)

內(nèi)燃機功率：12 kW，馬力：18.

皮帶傳動比：2～4.

偏心輪轉(zhuǎn)矩：根據(jù)樹干直徑估算，全振幅為20 mm的偏心輪轉(zhuǎn)矩為1 kgm.

樹干頻率與振幅：根據(jù)果樹與果實的結(jié)合力及果實重力等計算分析得出.

升降高度范圍： 1.5 ～8 m.

裝備總體尺寸：不工作時總體尺寸范圍在長5 m，寬1.5 m，高為2 m，工作時抓緊處高度達到8 m.

5　結(jié)語

根據(jù)不同果樹特征及尺寸參數(shù)，利用改變內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速和可裝拆偏心輪的組合疊加增強和降低頻率和振幅，保證了有效的激振力使果實脫落.裝置靈活性強，果實脫落率高，且不損傷作物根系.履帶式拖拉機滿足山區(qū)地形特點，在山區(qū)丘陵地帶行走靈活方便.本機采用復合平行四邊形機構(gòu)的升降保證了高位振動采摘果實，尺寸不如液壓升降機構(gòu)緊湊，但造價低很多，可用于山區(qū)經(jīng)濟果樹的高位采摘收獲，適用于農(nóng)村果樹養(yǎng)殖戶.該機屬于新機型，對推動山區(qū)農(nóng)業(yè)機械化、促進經(jīng)濟林木種植業(yè)發(fā)展有現(xiàn)實意義.

[1]蔡殿遠.陡坡地果園的機械化[J]. 熱帶作物機械化，1992(3)：41-43.

[2]藍峰，蘇子吳，黎子明，等.果園采摘機械的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 農(nóng)機化研究，2010,32(11):249-252.

[3]陳度，杜小強，王書茂，等． 振動式果品收獲技術(shù)機理分析及研究進展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2011， 27(8) : 195-200．

[4]束懷瑞，陳學森. 果樹學研究論文集[G].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2009：12-28.

(責任編輯穆剛)

Design of GWZD - S01 high vibration harvesting machinery of mountainous fruit trees

CHENG Yao, HU Xu, ZHANG Liudan

(College of Mechanical Electric Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Yongchuan Chongqing 402160, China)

This author designed a kind of fruit tree harvesting machine. The equipment was used by combustion engine as driving force, parallel four-bar mechanism as rising and falling, wobbler as excitation vibration, pnuema lock mechanism to clamp the trunk.

mountainous area; fruit tree; high -position vibration; harvesting machinery

2016-03-01

重慶文理學院校級項目(R2012CH11)；重慶文理學院學生創(chuàng)新項目(Y2013021).

程堯(1974—)，女，貴州人，副教授，主要從事機械設計與制造方面的研究.

S816.34

A

1673-8004(2016)05-0057-03