郭艷玲,聶宏宇,李志鵬,李 健,王海濱

(東北林業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院;b.交通學(xué)院;c.工程技術(shù)學(xué)院,哈爾濱 150040)

0 引言

近年來,隨著農(nóng)林業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,藍(lán)莓種植和生產(chǎn)已成為農(nóng)民增收致富的新途徑。藍(lán)莓的營養(yǎng)價值很高,在國內(nèi)外的銷量一直很可觀。目前,藍(lán)莓果園的規(guī)?；l(fā)展要求越來越高,藍(lán)莓采摘機(jī)械化的重要性日益顯著[1]。

藍(lán)莓采摘作業(yè)具有勞動強(qiáng)度大、季節(jié)性較強(qiáng)的特點(diǎn),目前很多國家采摘技術(shù)還停留在人工采摘、撿拾作業(yè)水平[2]。國內(nèi)的藍(lán)莓采摘機(jī)主要是靠仿照國外現(xiàn)有采摘機(jī)制作的,一方面國外的技術(shù)直接引進(jìn)國內(nèi),制作使用的效果不是很理想;另一方面國外的采摘機(jī)一般都不適合用于現(xiàn)在國內(nèi)的種植果園。為了能制作出高效合理的采摘機(jī),需要反復(fù)進(jìn)行大量的采摘試驗(yàn),確定合適的采摘機(jī)理和采摘參數(shù),同時要對采摘效率、采摘質(zhì)量和制作成本等因素綜合考慮。為了降低成本,獲得更完整、有效的數(shù)據(jù),進(jìn)行實(shí)物采摘機(jī)試驗(yàn)前,需在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建采摘實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行模擬采摘試驗(yàn)。因此,設(shè)計了藍(lán)莓采摘實(shí)驗(yàn)臺,旨在為藍(lán)莓采摘機(jī)的設(shè)計及藍(lán)莓的振動特性研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計方案與工作原理

1.1 采摘作業(yè)工作原理

藍(lán)莓采收作業(yè)時,采摘機(jī)跨過藍(lán)莓樹叢向前行駛,藍(lán)莓植株進(jìn)入龍門框架內(nèi),發(fā)動機(jī)帶動采摘系統(tǒng);采摘系統(tǒng)末端執(zhí)行裝置指排往復(fù)擺動,拍打采摘機(jī)內(nèi)經(jīng)過的藍(lán)莓植株,通過樹枝振動震落藍(lán)莓果實(shí),再由傳送帶進(jìn)行收集,實(shí)現(xiàn)藍(lán)莓果實(shí)機(jī)械采摘。其工作原理如圖1所示。

1.2 采摘振動機(jī)理

采摘系統(tǒng)帶動指排往復(fù)拍擊形成多激勵振動采摘力作用于藍(lán)莓植株,使藍(lán)莓植株振動形成振動輸出響應(yīng),對生長在樹枝上的藍(lán)莓果實(shí)形成果、枝分離作用力,振落藍(lán)莓果實(shí)[3]。因此,為達(dá)到藍(lán)莓采摘過程中盡可能地采收熟果、留下生果且不傷害樹枝的目的,需控制指排作用下的果、枝分離作用力,使藍(lán)莓果實(shí)采摘力大于熟果結(jié)合力而小于生果結(jié)合力,保證采摘果實(shí)質(zhì)量。

1.3 采摘實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計要求

依據(jù)藍(lán)莓采摘作業(yè)形式,得到采摘實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計要求如下:

1)實(shí)驗(yàn)平臺要能夠模擬實(shí)際藍(lán)莓采摘情況,采摘對象保持靜止不動,由實(shí)驗(yàn)臺靠近采摘對象進(jìn)行采摘;

2)實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)該能夠進(jìn)行一定方向的、速度可控的移動;

3)用于采摘的機(jī)構(gòu),在完成采摘功能的基礎(chǔ)上,結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量簡單,方便制作加工,并且在一定程度上可以低成本的更換,從而滿足反復(fù)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)需要;

4)采摘末端執(zhí)行元件的擺動頻率應(yīng)保證植株振動,振落藍(lán)莓果實(shí);

5)采摘機(jī)構(gòu)的運(yùn)動要能平滑調(diào)速,振動的頻率、振幅都應(yīng)該是可以調(diào)節(jié)的;

6)機(jī)架負(fù)責(zé)連接采摘機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)臺移動裝置,支撐整個實(shí)驗(yàn)臺。

1.4 采摘實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計方案

采摘機(jī)構(gòu)能夠?qū)麡涫┘涌烧{(diào)節(jié)的作用力,達(dá)到果實(shí)和果樹分離的目的。常用的振動方式分為沖擊式、振搖式和機(jī)械振動式:沖擊式通過瞬間沖擊樹干,產(chǎn)生慣性力,利用慣性力將果實(shí)分離;振搖式通過振動機(jī),使樹干進(jìn)行受迫振動,搖晃樹枝,使果樹獲得慣性力,果實(shí)在慣性力的作用下和果樹分離;機(jī)械振動式利用機(jī)構(gòu)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成簡單可控的往復(fù)運(yùn)動,從而產(chǎn)生慣性力施加到樹枝上,果樹做受迫振動,當(dāng)振動特性達(dá)到一定值時使果實(shí)分離,達(dá)到采摘的目的。

采摘機(jī)構(gòu)是實(shí)驗(yàn)臺中的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。采摘機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠直接影響到實(shí)驗(yàn)臺的采摘效果,進(jìn)而對實(shí)驗(yàn)效果產(chǎn)生影響[4]。采摘機(jī)構(gòu)需要能夠進(jìn)行平滑的調(diào)速控制,且實(shí)驗(yàn)室環(huán)境不能使用功率過大的動力源。綜合考慮實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)條件和采摘實(shí)驗(yàn)臺的功能要求,使用機(jī)械振動式作為藍(lán)莓采摘振動實(shí)驗(yàn)平臺的采摘原理最為合適。

機(jī)械振動式采摘機(jī)構(gòu)產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動,根據(jù)運(yùn)動的種類還可以分為旋轉(zhuǎn)式和擺動式。相比于旋轉(zhuǎn)式采摘機(jī),擺動式采摘機(jī)在工作過程中振動更平穩(wěn),也更容易停止,在一定程度上能夠避免事故的發(fā)生。

2 實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對藍(lán)莓果樹的測量得知,植株高度約為0.6～1m,寬度約為0.5～0.8m。綜合設(shè)計要求,得到采摘實(shí)驗(yàn)臺龍門框架尺寸:長×寬×高=1.5m×1m×1.2m。

2.1 實(shí)驗(yàn)臺移動裝置

為了模擬實(shí)際采摘機(jī)在藍(lán)莓果園的采摘情況,試驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)對象藍(lán)莓果樹應(yīng)該保持靜止不動,由采摘機(jī)構(gòu)靠近果樹進(jìn)行采摘工作。實(shí)驗(yàn)臺接近果樹的速度應(yīng)該平穩(wěn),且可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速?？紤]到實(shí)驗(yàn)室條件和制作難度,采用交流調(diào)速電機(jī)作為實(shí)驗(yàn)臺移動的驅(qū)動元件。該電機(jī)具有噪聲小、振動輕及可正反轉(zhuǎn)調(diào)速等特點(diǎn),完全滿足實(shí)驗(yàn)需求。

為了減小實(shí)驗(yàn)臺移動時的阻力,將采摘裝置放置在導(dǎo)軌上,并利用電機(jī)帶動同步帶,拉動采摘裝置在導(dǎo)軌上進(jìn)行滑動。圖2為傳送裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。通過連接塊固定基架、導(dǎo)軌滑塊與同步帶,同步帶由調(diào)速電機(jī)通過帶輪帶動,能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)臺移動有效地提供動力,成功模擬實(shí)際采摘情況。

2.2 曲柄連桿傳動裝置

為使采摘傳動裝置各元件按預(yù)定軌跡運(yùn)動,采用曲柄連桿傳動裝置作為采摘系統(tǒng)傳動裝置,原理如圖3所示。

圖3 曲柄連桿傳動裝置原理圖

圖3中,a為曲柄AB長度(mm);b為連桿BC長度(mm);c為搖桿CD長度(mm);d為機(jī)架AD的長度(mm);θ為極位夾角(°);ψ為搖桿擺角(°);γmin為最小許用傳動角(°)。

曲柄搖桿設(shè)計步驟如下[5-6]:

1)根據(jù)采摘對象尺寸,初步確定機(jī)架長度。藍(lán)莓植株花盆直徑300mm、高240mm,藍(lán)莓果樹離地面高約0.7～0.9m,樹冠最大直徑約400mm?？紤]到實(shí)驗(yàn)臺的整體大小,確定曲柄搖桿機(jī)構(gòu)機(jī)架長度為400mm。

2)曲柄搖桿計算。由△C1C2D和△C1C2A內(nèi)部關(guān)系整理得

a2cos2(θ/2)+b2sin2(θ/2)=c2sin2(ψ/2)

(1)

cosγmin=b2+c2-(d-a)2/2bc

(2)

綜合計算得

d2=a2(1+sinθ/tan(ψ/2))+b2(1-

sinθ/tan(ψ/2))+c2cosψ

(3)

式(3)中有7個參數(shù),即a、b、c、d、γmin,ψ、θ。其中,確定的已知量可以通過求解方程組得到其他未知量,從而完成曲柄搖桿的設(shè)計計算,結(jié)果如表1所示。

表1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計結(jié)果

2.2.1 曲柄搖桿動力學(xué)分析

按照a=70mm、b=406.3mm、c=100mm、d=400mm,建立曲柄搖桿模型,利用UG軟件對其進(jìn)行動力學(xué)仿真。曲柄a作為主動件,轉(zhuǎn)速為60r/min。忽略重力影響,進(jìn)行動力學(xué)仿真,搖桿的速度與加速度曲線如圖4所示。搖桿是采摘機(jī)構(gòu)的工作部件,搖桿的運(yùn)動情況就是采摘機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀況。由圖4可看出:搖桿速度、加速度曲線呈周期變化,在運(yùn)行過程中能夠按照預(yù)定設(shè)計規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn),符合采摘設(shè)計要求。

圖4 速度與加速度曲線

2.2.2 曲柄搖桿動力學(xué)分析

曲柄連桿傳動裝置如圖5所示。裝置由固定在橫梁上的交流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動,帶動曲柄搖桿末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)指排往復(fù)擺動,且各桿長度可調(diào),以便更改指排的擺動幅度。表2為該裝置關(guān)鍵尺寸及運(yùn)動參數(shù)范圍。

1.角件 2.橫梁 3.立柱 4.連接片 5.連接軸 6.軸承座 7.指排 8.轉(zhuǎn)軸 9.搖桿 10.連桿 11.曲柄 12.電機(jī)

表2 關(guān)鍵尺寸及運(yùn)動參數(shù)范圍

3 藍(lán)莓采摘實(shí)驗(yàn)研究

3.1 條件與方法

試驗(yàn)采用自行搭建的藍(lán)莓采摘實(shí)驗(yàn)臺搭配傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),以自行種植的藍(lán)莓樹為實(shí)驗(yàn)對象,傳感器位置為與指排直接接觸的外部分枝距根部50mm處,如圖6、圖7所示。試驗(yàn)過程中,改變實(shí)驗(yàn)臺的各種參數(shù),得到加速度數(shù)值反饋,找到滿足落果條件最適宜的參數(shù)。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.2.1 振動響應(yīng)分析

保持其他參數(shù)不變,將曲柄搖桿機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)拍打頻率分別調(diào)至1、2r/s,加速度反饋曲線如圖8與圖9所示。對比分析可知:隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高,指排擺動頻率增大,單位時間內(nèi)藍(lán)莓植株受到的拍擊次數(shù)增多,藍(lán)莓植株的振動輸出響應(yīng)也逐漸增大。

保持其他參數(shù)不變,改變控制實(shí)驗(yàn)臺采摘裝置移動的同步帶電機(jī)轉(zhuǎn)速,通過計算將采摘裝置移動速度分別調(diào)至0.5、1.5m/s,加速度反饋曲線如圖10與圖11所示。對比分析可知:隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高,采摘裝置移動加快,單位時間內(nèi)藍(lán)莓植株受到的拍擊次數(shù)減少,藍(lán)莓植株的振動輸出響應(yīng)逐漸減小。

保持其他參數(shù)不變,改變曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù),將指排擺動幅度分別調(diào)至45°、60°,加速度反饋曲線如圖12與圖13所示。對比分析可知:隨著指排拍打幅度的提高,指排與樹枝的接觸范圍變大,藍(lán)莓植株的振動輸出響應(yīng)也逐漸增大。

圖6 傳感器數(shù)據(jù)采集儀照片

圖10 移動速度為0.5m/s時的加速度反饋曲線

圖11 移動速度為1.5m/s時的加速度反饋曲線

圖12 擺動幅度為45°時的加速度反饋曲線

圖13 擺動幅度為60°時的加速度反饋曲線

3.2.2 采摘力響應(yīng)分析

選擇長勢良好的藍(lán)莓樹進(jìn)行三水平三因素交叉實(shí)驗(yàn),改變實(shí)驗(yàn)臺框架行走速度、指排拍打速度及指排拍打幅度,得到不同的加速度反饋值,反饋值通過分別位于兩個試驗(yàn)點(diǎn)上的加速度傳感器采集,結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集表

續(xù)表3

4 結(jié)論

1)設(shè)計了一種藍(lán)莓采摘實(shí)驗(yàn)臺,主要由曲柄連桿傳動裝置、移動裝置、龍門框架、導(dǎo)軌及機(jī)架等組成。

2)試驗(yàn)分析表明:①當(dāng)指排作用于藍(lán)莓樹枝的不同位置時,得到的振動輸出響應(yīng)不同,從根部至末梢輸出響應(yīng)逐漸增大。②隨著采摘裝置電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高,帶動指排擺動頻率增大,藍(lán)莓植株的振動輸出響應(yīng)也逐漸增大。③隨著指排擺動幅度的增大,指排的作用面積也增大,藍(lán)莓植株的振動輸出響應(yīng)也逐漸增大;但擺動幅度如果過大,會出現(xiàn)指排插入樹枝內(nèi)部的現(xiàn)象,強(qiáng)行拉出指排會損傷樹枝,因此擺動幅度控制在60°以內(nèi)比較合理。④隨著實(shí)驗(yàn)臺采摘裝置行走速度的提高,指排拍打藍(lán)莓植株的時間變少,從而藍(lán)莓植株的振動輸出響應(yīng)也逐漸減小。

3)利用所設(shè)計的藍(lán)莓采摘實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明:當(dāng)采摘機(jī)指排拍打頻率為2r/s、拍打幅度為60°、行走速度為1m/s時,藍(lán)莓果實(shí)采摘力大于熟果與樹枝的結(jié)合力而小于生果與樹枝的結(jié)合力,滿足采摘條件,為最佳設(shè)計參數(shù)。