矮化小型林果采收装置

姚思琦，唐德莲，朱太龙

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

1 项目背景

根据“十三五”林果业发展规划，为调整种植比例，优化产业结构，将积极引导标准化商业矮化果园种植模式的推广和实现果园管理机械化，而果类采摘工作在整个果园产业中占有重要地位，目前绝大多数还采用人工作业。

此劳动方式不仅劳动量大、劳动成本高，而且效率低、容易损伤果品，影响销售。总体上林果采摘机构的研究及使用情况仍不完善，以下几种收采方式能够完成采收过程，但仍有许多不足之处：①人工采摘过程劳动强度大，工作量大，劳动力的缺乏导致大量成熟的果实不能及时进行采摘，收获效率低。②现有的大型林果采收装置适用于树冠较大、树干直径较粗且操作空间较大的稀疏果园，不适用于我国如枣类、苹果等林果低矮密植的种植方式，且价格昂贵，后期维护成本高，一般果农无法接受。③现有收集装置体积过大，对树体行间距要求较大，折展比较小，不适用于现有矮化密植果园；在连续作业中操作不便，且不易托运；装置结构复杂，缺乏对树体围拢的适应性。

为了解决以上问题，笔者设计了一种适用于矮化果园的矮化林果采收装置及林果类采摘方法，结构简单合理且容易实现，采摘人员只需简单的几步操作即可轻松、方便地高效采摘，收集果类，同时能有效解决在盛果期果农劳动强度大、人工成本高、果实采收不及时易腐烂等难题，对提高农业生产效率，促进林果产业的发展有重要意义。

2 系统设计

2.1 系统整体方案设计

本设计是适用于在商业矮化果园辅助人工进行果类采收作业的简单机械装置，经过多种方案对比，最终采用环柱形折展收集装置，其有良好的折展性，能满足树体间行间距的要求，符合现有矮化果园密植的种植特点，且展开后覆盖面积较大，能够快速有效地进行果实的收集作业，提高工作效率。综上所述，笔者选择的方案为手持式、摇外杈、进行往复运动。本作品主要利用变比例剪叉连杆组实现空间折展，在较小体积及较短的施力行程条件下，灵活地使收集装置由折叠收纳状态转换为漏斗状伞面以包围树干；利用鲍登线的柔性可变距离传动原理结合空间机构的力学特性，使本采收机械适应于不同果树间的个体化差异和不同种类矮化果园，满足了不同果园的采收需求。

2.2 机械部分设计

2.2.1 曲柄导杆机构

手轮输入旋转运动，经同步带增速后输入到曲柄，带动曲柄旋转，曲柄带动导杆使与导杆连接的滑块作往复运动。可折叠曲柄摇杆主要的功能是为整体摇振模块提供动力输入，固定好绑带后，人打开折叠杆并退到伞面外，通过摆动折叠杆作为摇杆，利用飞轮的惯性克服死点，实现人的不完全旋转到完整圆周运动的转化，并由链轮输入到下一级。

曲柄导杆机构主要的功能是为整体摇振模块提供动力输入，利用差动式离合器实现两对称布置曲柄导杆机构的不同时域往复运动，操作方便、快捷。链轮将上一级旋转输入后，动力传递到对称布置的曲柄导杆机构，利用曲柄导杆的急回特性来快速拉树，同时，由人工拉树实验结果，将行程速比设定为2时可以获得最好拉树效果。初始状态处于最高点的曲柄导杆机构由于差动式离合器的存在，保持着120°的角度差，保证始终只有一个曲柄导杆处于力作用段，也就是急回段，可有效避免整体机构应力过大、应力集中的问题。

2.2.2 鲍登双向制动机构

机构主要利用鲍登线原理，一条钢丝绳两端通过螺纹分别与曲柄导杆装置滑块和定位用采摘杆内管连接，钢丝绳外的管套两端则分别与采摘装置前板面以及定位用采摘杆外管连接。当连杆开始往复运动，钢丝绳将与管套发生相对运动，钢丝绳带动采摘杆内套往复运动振拉树枝。综上，通过同步带和曲柄导杆运动特性，我们实现了装置的两级增速，通过鲍登双向致动机构将振动力传递至树枝。当人转速为30 r/min，每分钟树枝可以被振摇60次，拉行程瞬时速度最快可以达到0.45 m/s，可以保证成熟果实的掉落。

2.2.3 伞形收集模块

空间折展机构具有良好的折展性能，易于携带，其在小型林果收集方面的应用能够解决收集装置在移动过程中所占空间较大的问题，降低树体间行间距的要求，符合现有果园矮化密植的种植特点，展开后覆盖面积较大，能够快速有效地进行林果的收集作业，提高工作效率。最终决定采用机械式折展机构与小型林果收集平台相结合的方式。根据对矮化果园种植环境参数的分析，设计了收集装置整体方案。装置整体为倒伞式结构，采用两端支撑，扇形围拢的方式，分为左右对称两个部分，剩余伞面连接驱动主机的连杆，人在退出伞面范围时将连杆拉出，同时剩余伞面完成撑开。

环柱型折展收集模块主要由环柱型变比例剪叉机构、外翼折展装置、四杆驱动机构组成。其通过空间连杆组的伞形展开，包围果树树干，同时向外伸展出收集伞面，收集在此范围内掉落的果实。本收集装置采用两端支撑，左右伞形围拢形成伞面的方式。收集模块展开后收集半径可达1.4 m，高度为0.83 m，折叠后半径仅为0.4 m，高度约为0.65 m。

2.2.4 外翼折展装置

因涉及成本及作业环境情况，折展机构的设计不宜采用过于复杂结构，最常用的两种折展机构为平行四杆结构和剪叉结构。在折展机构中，这两种机构存在有较为显著的优势：机构简便、性能稳定。最终确定小型林果收集装置的折展性选择为外翼折展机构。外翼折展机构折展的设计源于平行四杆结构及剪叉臂结构的结合性设计，配合空间直角三角形的稳定传递性，将两种结构进行结合性变换。

外翼折展装置如图1所示，当驱动内侧连杆下压张开时，折展装置外撑形成伞面，而内侧连杆上拉时合拢时，折展装置收缩折叠，减小空间体积。装置内侧连杆连接环柱型折展剪叉机构中竖直开合剪叉机构中的剪叉，随着空间变比例机构的环形伸展，外翼伞骨向外伸展，伞面张开，形成收集伞面，收集掉落的果实。外翼折展伞面展开前半径为0.12 m，展开后达1.2 m。

2.2.5 收集面设计

伞面整体成内凹形，利于果实向底部的收集槽内滚动，收集槽下方为收集用的收纳箱，当收纳箱装满后，可更换袋子继续收集。当人通过向后拉动主机后，滚珠丝杠运动，水平剪叉机构环形伸展，竖直剪叉机构变矮，带动侧翼折展装置外撑，拉开伞面。收集装置左右合拢，形成完整伞面，然后采摘模块开始工作，收集装置开始进行果实收集。收集完毕后，人再次通过推回主机至初始位置，伞面分左右环形收缩并向内折叠。装置收集面积大，收缩后体积较小，轻便稳定，操作简单，适用性广。

图1 外翼折展装置

2.2.6 收集箱

收集箱主要功能是收集果实，并在运输果实的过程中充当临时容器，满足换树采收的容量要求，使果实的采摘效率更高，更符合了规模化矮化果园的实际需求。

参照市场中常见的收集箱，结合车体空间尺寸进行设计，在不影响车辆美观等情况下，尽可能地扩大收集箱的容量，最终设计其尺寸为：640 mm×80 mm×80mm。收集箱的安装是利用左右两侧的导向管与车架上的槽相互配合，类似于抽屉的抽拉式安装，使用方便快捷。收集箱内壁粘附毛毡，保护从收集面经柔性通道下落的果实，同时，收集箱底部做了引流处理，设计为两侧向中间倾斜的方式，使两侧下落的果实在收集箱中自动向中间聚拢，防止果实在两侧堆积，更高效地利用容量空间。

2.3 装置工作过程

以枣树为例，将装置推至树下，手动绑枝，使鲍登线固定摇枝，人工驱动使收集伞面张开收集果实，展开伸缩驱动杆，上下摇动，使树枝摇动来摘枣，采摘完毕后，收起伸缩驱动杆和伞面，取下树枝上的绑带，完成采收全过程。

3 可行性分析

以大型矮化果园为应用对象，这种新型的多功能矮化小型林果采收装置通过机构组合创新实现把林果从树枝上摇落并对果实进行收集的功能。装置主要由采摘模块和收集模块两部分组成。采摘模块中，利用曲柄导杆机构的传动特性将圆周运动转化为带有急回的直线往复运动，并由鲍登双向致动机构将动力传导至树枝，摇落果实；环柱形折展收集模块利用环柱形折展收集模块和变比例剪叉连杆组的相互衔接配合实现灵活折叠和展开。本装置经过适应性尺寸设计，可适应大多数矮化果树。装置操作流程简单，省略了现有小型林果采摘、收集中手工操作的步骤，大大提高了果实的采获效率。装置在遵守国家标准前提下，性能优越、功能齐全、成本低廉、推广性和使用价值高，有很高的市场价值。

4 总结

目前市场上少有针对矮化小型林果的采收机械，且现有采收机械都是大型机械设备，并不适应我国矮化果园矮化密植的种植模式。而本作品既能够满足高产矮化果园对不同植株大小果树的快速采收的需求，同时本作品成本低、操作简单、维护方便，既适用于大规模产业化种植枣园，也可用于小型采摘园。