GWZD-S01型山区果树高位振动收获机械的设计

程　尧，胡　旭，张流丹

(重庆文理学院机电工程学院， 重庆　永川　402160)



GWZD-S01型山区果树高位振动收获机械的设计

程尧，胡旭，张流丹

(重庆文理学院机电工程学院， 重庆永川402160)

本文设计了一种适合山区的果树收获机械.该机械利用内燃机动力，拖拉机牵引，采用复合平行四杆机构升降，可装拆偏心轮激励振动，气动夹紧机构夹持颈部树干进行高位振动收获果实.该机械主要包含升降机构、带传动、振动和气动夹紧等机构.

山区；果树；高位振动；收获机械

我国山区、丘陵地带往往种植经济作物较多.其中，经济效益比较显著的当属坚果类果树.坚果类作物果实小，产量高，季节性强.坚果采摘劳动强度大，需要大量人力采摘.山区坚果类树木比较高大，人工采摘难度大.受限于地形，目前国内基本没有合适的采摘机械[1].山区机械采摘作业危险性与难度问题也比平地采摘机械更突出.以往开展的果实收获机械研究多是对平原地区矮小果树进行的[2-3].开展山区、丘陵地带高大果树果实高位收获机械装备研究很有必要.

1　工作对象特性分析

经调查研究，坚果树多为中型常绿乔木， 树形直立或开张，树高达3～9 m ，茎直立，树皮灰白色、粗糙，木质坚硬.果实多有坚硬外壳，适合振动脱落于地面收获.坚果树多生长在温带山区丘陵地区内，在适宜的气温和生长条件下，嫁接树在定植后3～5年结果，寿命在100年以上，经济寿命40～60年.坚果树大多呈浅根性，在开旷地的成年树主根不发达而侧根发达，簇状分布于70 cm以上的土层中，主要分布于0～30 cm 的土层中，扎根浅，抗风性差[4].由于坚果树的这些特点，采用振动收获果实要考虑木质坚硬、主干直径大、扎根浅等因素，振动不能伤及根部.

2　总体结构设计

2.1工作机理

本研究的振动式果实收获机械的工作原理是基于机械振动果实脱落.主要是通过牵引拖拉机的内燃机输出动力，经过减速器，由皮带传动给主轴，主轴旋转，带动装在主轴上的偏心轮一起转动，产生振动，进而将振动传递给气动夹头，气动夹头的振动传递给果树.果树在接受了外加的强迫振动后，也以一定的频率和振幅振动，使果枝上的果实以某种形式振动.由于加速运动的物体要受到惯性力的作用，当惯性力大于果实与果枝的结合力时，果实就会掉落.

振动式果实收获机械的作业流程：

(1)接果准备.在果树下铺设收集网或专用集果收集装置，准备接收果实.

(2)驱动装置.采用利于山地行走的履带式拖拉机作为牵引力，靠内燃机通过减速器皮带轮减速提供振动装置动力.

(3)夹持树干.调整拖拉机前后位置，使收获机气动夹头正对树干，调整升降平台，选择合适的夹持高度(一般夹持位置离地面应不少于80 cm，以免振动损伤树根)，启动气动夹头，压缩空气由气缸流经夹头的压缩空气入口，进入夹头内，推动活塞，张开振动夹头夹持臂，慢慢将夹头移向树干，当树干处于夹头中间位置时停止移动，打开排气口，压缩空气由此处流走，由于压缩弹簧的作用，活塞再次回到原来位置，带动夹持臂，使气动夹紧机构紧紧夹住树干.

(4)激振.皮带轮的动力传递给振动主轴，再通过主轴上的偏心轮组的转动，形成振动频率和振幅，传递给夹紧机构.

(5)振摇果树.加大或减小牵引拖拉机油门，改变拖拉机动力输出转速，驱动振动头振动果树，不损伤树根部，让果实以一定速率脱落.

(6)缩回振动夹头.张开夹持臂，使气动夹紧机构脱离树干，调整升降平台，缩回振动夹头.

(7)收集果实.利用果实的重力掉落在地面或收集装置进行收集.

2.2结构形式

该机构由牵引机车的内燃机输出动力，经过变速箱适当调整输出转速，经皮带传给主轴，主轴转动.由于主轴上装有偏心块，迫使主轴在转动的同时也有一定的往复摆动，进而产生振动.由于气动夹紧机构与振动主轴相连，所以主轴将振动传给气动夹紧机构，夹紧机构产生振动，从而驱使树干摇摆振动.如图1所示.

图1　高位振动收获机械机构结构简图

该机构由牵引机车的内燃机输出动力，经过变速箱适当调整输出转速，经皮带传给主轴，主轴转动.由于主轴上装有偏心块，迫使主轴在转动的同时也有一定的往复摆动，进而产生振动.由于气动夹紧机构与振动主轴相连，所以主轴将振动传给气动夹紧机构.夹紧机构产生振动，驱使树干摇摆振动.

3　主要机构

3.1升降机构

选用步进电机驱动二平行四杆机构与支撑台面作为升降装置.升降平台的升降动作主要靠4个支撑杆的摆动.支撑杆与平台通过转动铰链连接，支撑杆转到不同角度，升降台就有相应的升降高度.当支撑杆与升降台垂直时，升降台处于最高位置.支撑杆的摆动主要依靠铰接处的步进电动机驱动.与液压机构相比，结构不是很紧凑，但从成本方面来说，四杆机构结构简单，造价低.

当需要调整夹持高度时，点动升降平台电动机上升按钮，电动机带动支承杆逆时针摆动，平台缓慢上升，升到合适位置，点动按钮关闭驱动电动机.当需要支撑杆回复与升降台平行的位置时，点动下降按钮.升降平台主要用于支撑振动机构和夹持机构，所选材料应该具有足够的强度和刚度.这里选择优质结构钢.优质结构钢材料表面硬而耐磨，又具有较高的韧性和足够的强度，满足在冲击和磨损条件下工作的机器零件要求.

由于高度的变化性，带传动的中心距是在一定范围内变化的，需要适时张紧皮带保证传递可靠.本机考虑工况的复杂性、带传动的皮带与带轮的可靠接车和足够的摩擦力，选用V带传动，利用摆动架调节主动轮位置和在升降台上加可调式张紧轮进行组合式张紧，保证可靠的传递动力.

3.2振动机构

振动机构主要由主轴、偏心轮组、支承主轴的支架、振动臂组成.对振动机构，除了考虑树体接受振动以外，还要考虑树根需要吸收一部分能量，这与树根的质量分布、结构分布和作用力位置有关.这部分能量会抵消来自内燃机动力部分的能量，但这个值不是很大.由于振动式采摘对果树产生的振动是接触和持续的，所以近似认为采摘过程中果树的振动频率即为振动器的振动频率.果树的激振频率与振动机构的频率近似一致.对果树施加激振力的激振机构通常是采用回转偏心块，转向相同或者相反的滑块组合激振，本机型转向相同.

3.3夹紧机构

夹紧机构主要用来夹紧树干.夹紧过程中既要确保不伤果树，又能夹紧可靠，而且要节能环保.本课题选用气动夹紧机构，由压缩气缸中的气体提供动力控制夹紧手爪.如图2所示.

图2　气动夹紧机构

气动夹紧机构工作过程：

(1)张开手爪：点动张开手爪控制按钮，气缸中的压缩空气经压缩空气入口进入活塞缸，推动活塞向右运动，支承活塞的弹簧被压缩，活塞运动推动手爪，使手爪张开.

(2)合拢手爪：点动合拢手爪按钮，排气口打开，压缩空气流走，弹簧的恢复力作用，拉动活塞，活塞向左运动，拉动手爪，手爪合拢.

4　主要技术参数及尺寸参数

内燃机功率：12 kW，马力：18.

皮带传动比：2～4.

偏心轮转矩：根据树干直径估算，全振幅为20 mm的偏心轮转矩为1 kgm.

树干频率与振幅：根据果树与果实的结合力及果实重力等计算分析得出.

升降高度范围： 1.5 ～8 m.

装备总体尺寸：不工作时总体尺寸范围在长5 m，宽1.5 m，高为2 m，工作时抓紧处高度达到8 m.

5　结语

根据不同果树特征及尺寸参数，利用改变内燃机转速和可装拆偏心轮的组合叠加增强和降低频率和振幅，保证了有效的激振力使果实脱落.装置灵活性强，果实脱落率高，且不损伤作物根系.履带式拖拉机满足山区地形特点，在山区丘陵地带行走灵活方便.本机采用复合平行四边形机构的升降保证了高位振动采摘果实，尺寸不如液压升降机构紧凑，但造价低很多，可用于山区经济果树的高位采摘收获，适用于农村果树养殖户.该机属于新机型，对推动山区农业机械化、促进经济林木种植业发展有现实意义.

[1]蔡殿远.陡坡地果园的机械化[J]. 热带作物机械化，1992(3)：41-43.

[2]蓝峰，苏子吴，黎子明，等.果园采摘机械的现状及发展趋势[J]. 农机化研究，2010,32(11):249-252.

[3]陈度，杜小强，王书茂，等． 振动式果品收获技术机理分析及研究进展[J]. 农业工程学报， 2011， 27(8) : 195-200．

[4]束怀瑞，陈学森. 果树学研究论文集[G].北京：中国农业出版社，2009：12-28.

(责任编辑穆刚)

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

重庆文理学院校级项目(R2012CH11)；重庆文理学院学生创新项目(Y2013021).

程尧(1974—)，女，贵州人，副教授，主要从事机械设计与制造方面的研究.

S816.34

A

1673-8004(2016)05-0057-03