王 鑫，邵桂陽(yáng)

（長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130032）

1 研究背景

蔓越莓作為水果市場(chǎng)上一種新興水果，營(yíng)養(yǎng)含量高，存在大量二次加工的產(chǎn)品，包括但不限于食品產(chǎn)業(yè)、化妝品產(chǎn)、保健藥品產(chǎn)業(yè)，潛力巨大。但是在對(duì)于蔓越莓的采集一直是一個(gè)有待攻克的難題。

水收是相對(duì)節(jié)約人力的辦法，蔓越莓果實(shí)本身是有空氣的，因此它有極佳的浮力，水收就是利用蔓越莓此一特性來采收[1]。通常使用機(jī)器將蔓越莓從蔓藤上打下，使蔓越莓漂在水面上進(jìn)行收集，而水面收集的問題目前仍然有待解決。國(guó)內(nèi)蔓越莓的知名度并不高，我國(guó)對(duì)于蔓越莓的專業(yè)研究起步相較于國(guó)外晚。并且由于其特殊生長(zhǎng)環(huán)境與采收方式以及地理位置，蔓越莓的專業(yè)研究人員較少，同國(guó)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)交流合作更少，蔓越莓領(lǐng)域的研究技術(shù)不夠成熟[2]。

2 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及方案

蔓越莓采集車的三維模型如圖1 所示。蔓越莓采集車裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含三部分，分別為滾輪前進(jìn)部分、轉(zhuǎn)動(dòng)盤過篩部分、滾子爪收集部分。滾輪前進(jìn)部分是由車尾的兩個(gè)大車輪和車前的一個(gè)滾筒組成。大車輪安裝在車體后置的發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)，滾筒直接連接在車體下方前置的軸上。通過后置的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)大車輪，滾筒跟隨車體前進(jìn)滾動(dòng)。滾爪收集部分由滾爪，V 型帶，滾輪和連接件組成。滾爪安裝在車體上方前置的軸上，車體前置的部分內(nèi)側(cè)存在槽，兩側(cè)的滾輪通過3 個(gè)連接件組裝在車體和滾抓之間。連接件可以在槽內(nèi)滑動(dòng)，使?jié)L爪能夠自由旋轉(zhuǎn)。滾輪與后置發(fā)動(dòng)機(jī)通過V 型帶連接，其驅(qū)動(dòng)采用帶傳動(dòng)，實(shí)際上固定在軸上的6 個(gè)板都具有一定的弧度，防止采集時(shí)相對(duì)滑動(dòng)、脫落的現(xiàn)象，上部電機(jī)通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)軸及6 個(gè)板進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以此達(dá)到采集蔓越莓的目的；采集后的蔓越莓會(huì)掉落在收集轉(zhuǎn)盤上，然后進(jìn)行分類收集。轉(zhuǎn)動(dòng)盤過篩部分是由齒輪、漿、車體篩盤、收集盒組成，齒輪安裝在車體之間，由后置步進(jìn)電機(jī)按一定功率驅(qū)動(dòng)。篩盤上存在不同的通孔，來分類不同大小的果實(shí)。漿穿過車體篩盤與齒輪連接，進(jìn)一步輔助果實(shí)的過篩。

圖1 蔓越莓采集車三維模型

3 設(shè)計(jì)原理

由人為導(dǎo)入計(jì)算機(jī)收集區(qū)域的大小，對(duì)收集區(qū)域進(jìn)行裝置行駛路線進(jìn)行模擬，之后收集裝置對(duì)收集區(qū)域開始收集，按照規(guī)劃好的路線進(jìn)行行駛，在行駛過程中由裝置后置電機(jī)通過滾輪與傳送帶帶動(dòng)滾子收集機(jī)構(gòu)，同時(shí)滾子收集機(jī)構(gòu)上存在復(fù)數(shù)個(gè)過水孔，在滾子收集機(jī)構(gòu)拾取到果實(shí)后，過水口將多余的水篩出，實(shí)現(xiàn)第一步收集。

滾子收集機(jī)構(gòu)上存在一定角度，在一定轉(zhuǎn)速下可以暫時(shí)存儲(chǔ)果實(shí)。當(dāng)滾子收集機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角度不足以支撐果實(shí)時(shí)，則將果實(shí)拋擲到過篩盤上。過篩盤上存在槳，由后置電機(jī)通過內(nèi)置齒輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。過篩盤表面存在篩孔，電機(jī)通過帶動(dòng)機(jī)架底部齒輪傳動(dòng)來帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤收集裝置中的槳進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。其后通過托盤上附帶的漿的轉(zhuǎn)動(dòng)來推動(dòng)托盤中蔓越莓的滾動(dòng)，蔓越莓經(jīng)過托盤上不同直徑的孔時(shí)下落進(jìn)入機(jī)架底部收集槽，再過濾掉雜草的同時(shí)保證不同大小的蔓越莓分類并收集。果實(shí)進(jìn)入收集槽，完成收集儲(chǔ)存。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 滾子爪收集部分

滾子爪收集部分由滾爪、滾輪、連接銷、機(jī)架、V帶、減速器、BMM 馬達(dá)組成，對(duì)于機(jī)構(gòu)整體起到主要的收集工作。

4.1.1 滾爪設(shè)計(jì)

滾爪的設(shè)計(jì)參考類似采收機(jī)[3]的結(jié)構(gòu)，其主要特征如圖2 所示。在其基礎(chǔ)上中心部分為鏤空的筒狀設(shè)計(jì)以減輕滾爪的質(zhì)量，使其減小對(duì)機(jī)架與軸的載荷。滾筒外連接6 個(gè)板，每個(gè)板都存在135°的角度，用于初步收集蔓越莓果實(shí)。同時(shí)板上存在濾水孔，濾水孔略大于蔓越莓果實(shí)的平均直徑。板每次需要在水收后收集大量蔓越莓果實(shí)，濾水孔略大于蔓越莓果實(shí)的平均直徑存在防止濾水孔被堵塞無法過濾的好處。滾爪兩側(cè)存在3 個(gè)孔，用于與其他結(jié)構(gòu)的連接。

4.1.2 機(jī)架連接設(shè)計(jì)與V 帶連接設(shè)計(jì)

滾爪兩側(cè)存在3 個(gè)孔，通過連接銷與滾輪與機(jī)架連接?？椎奈恢萌鐖D所示，滾爪與滾輪為固定連接，而機(jī)架內(nèi)的槽可以支持連接銷在其內(nèi)滑動(dòng)。上述結(jié)構(gòu)能夠配合V 帶通過滾輪連接后置電機(jī)使?jié)L爪轉(zhuǎn)動(dòng)。

V 帶的橫截面呈等腰梯形，帶輪上也做出相應(yīng)的輪槽。嚙合型帶傳動(dòng)時(shí)，V 帶的兩個(gè)側(cè)面和輪槽掛接觸。槽面摩擦可以提供更大的摩擦力。另外，V 帶傳動(dòng)允許的傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，大多數(shù)V 帶已標(biāo)準(zhǔn)化。V帶傳動(dòng)的上述特點(diǎn)使它獲得了廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)傳遞功率P 和帶的工作條件可得到計(jì)算功率Pca。

根據(jù)工作環(huán)境，選用工況系數(shù)KA為1.3。

確定好帶形后，由基準(zhǔn)直徑dd2、dd1和基準(zhǔn)中心距a0計(jì)算相應(yīng)的帶長(zhǎng)Ld0公式：

通過計(jì)算帶長(zhǎng)并選定帶型確定帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld。

采用基準(zhǔn)帶長(zhǎng)，得到中心距a 公式：

考慮存在誤差，常給出的中心距a 變動(dòng)范圍如下：

由計(jì)算功率Pca和額定功率Pr確定帶的根數(shù)z：

由中心距a 和基準(zhǔn)直徑dd2、dd1確定帶輪上的包角α1，其公式為：

最后結(jié)合傳動(dòng)帶單位質(zhì)量q 和線速度v 與上述量確定帶的初始拉力F0，公式為：

綜上，根據(jù)工作環(huán)境、條件等參數(shù)得帶長(zhǎng)Ld，中心距a，包角α1，根數(shù)z，帶的初始拉力F0分別為L(zhǎng)d=2880 mm、a=1365 mm、α1=150°、z=2、F0=450 N。

4.1.3 伺服電機(jī)

伺服BMM馬達(dá)減速機(jī)廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中，能將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的機(jī)械輸出量，拖動(dòng)被控制元件，從而達(dá)到控制目的。其設(shè)定參數(shù)如表1 所示。

4.2 轉(zhuǎn)動(dòng)盤過篩部分

轉(zhuǎn)動(dòng)盤過篩部分由漿、篩盤、齒輪、收納盒、BMM馬達(dá)組成。通過BMM馬達(dá)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)給篩盤上的漿，再由漿將蔓越莓果實(shí)在篩盤上過篩，最后把蔓越莓果實(shí)置入收納盒完成收納。

4.2.1 篩盤設(shè)計(jì)

篩盤置與機(jī)架上，同時(shí)與機(jī)架嵌合，有著固定，防止松動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。其模型圖如圖3 所示。從圖3 可發(fā)現(xiàn)，篩盤上的通孔大小略大于蔓越莓果實(shí)的平均大小，在過篩蔓越莓果實(shí)的同時(shí)起到將多余的水過濾出去的作用。

圖3 篩盤模型俯視圖

4.2.2 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)

齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)類似減速器，由一個(gè)大齒輪和兩個(gè)小齒輪組成，齒輪安裝在機(jī)架與篩盤直接，兩個(gè)小齒輪分別連接漿與電機(jī)，以達(dá)到傳動(dòng)的作用。

4.3 滾輪前進(jìn)部分

滾輪前進(jìn)部分由車輪、滾筒、發(fā)動(dòng)機(jī)馬達(dá)組成，主要負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)整體在淺水中移動(dòng)。

4.3.1 車輪與滾筒設(shè)計(jì)

車輪采用能夠易于在水中前進(jìn)的類型[4]，蔓越莓植株屬于1 年生灌木，故車輪與滾筒表面存在凸條，可以碾過蔓越莓植株前進(jìn)并不受影響。車輪與滾筒側(cè)邊緊貼機(jī)架，起防止蔓越莓植株纏繞車軸的作用。

4.3.2 馬達(dá)選用

發(fā)動(dòng)機(jī)馬達(dá)選用BM5 系列馬達(dá)是一種盤配流馬達(dá)。主要用于注塑機(jī)調(diào)模馬達(dá)、農(nóng)用機(jī)械、工程機(jī)械、食品機(jī)械、機(jī)床等。其特點(diǎn)：先進(jìn)的盤配流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，低速性能好。容積效率，并具有磨損自動(dòng)補(bǔ)償功能。雙列圓錐滾針軸承能夠承受大的徑向力，應(yīng)用于重載荷驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合，主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 技術(shù)參數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

蔓越莓采集車一定程度上解決了蔓越莓果實(shí)在水收后收集難，人工采集勞動(dòng)強(qiáng)度大，采集效率低的問題。該機(jī)構(gòu)立足于農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用，最大限度地減少農(nóng)業(yè)能耗和成本、農(nóng)業(yè)生態(tài)破壞，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)系統(tǒng)整體最優(yōu)。打造智慧農(nóng)業(yè)，不僅是時(shí)代的需求，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。