基于平衡振动原理的樱桃采摘设备研究

王晓东 王文韬 张嘉程 王高杰 王春旭

摘要： 樱桃是一种深受大众喜爱的水果，但是当前樱桃采摘的机械化程度较低，导致整个采摘过程需要耗费大量的时间，这就增加了采摘的劳动强度，并且还会在一定程度上提高樱桃的价格。因此，为了提高樱桃的采摘效率，本文通过将平衡振动原理运用于樱桃采摘设备的设计过程中，进而能够设计出结构简单、操作便利以及使用安全的樱桃采摘设备，从而能够提高樱桃的采摘效率，对于从事相关设计工作的技术人员具有一定的借鉴意义。

关键词： 平衡振动;樱桃;采摘

项目名称：利用局部振动原理的轻量化樱桃采摘收集实验系统

2018年天津市“大学生创新创业训练计划”项目（项目编号：201810066029）

前言

樱桃采摘是一个非常耗时费力的过程，需要果农付出大量的时间与精力，当前国内的樱桃采摘尚没有实现机械化，究其原因主要包括以下两方面：首先是樱桃树的枝干结构非常复杂，并且千差万别，进行机械化采摘的难度非常大;其次是为了能够更好的保存樱桃，通常需要将果柄与樱桃一同摘下，这就对采摘的机械设备提出了非常高的要求。因此，为了改善当前樱桃采摘效率较低的不利局面，就需要设计出一种结构简单、操作简便的采摘设备，进而降低果农的采摘劳动强度，提高采摘效率，从而促进樱桃种植业的不断发展壮大。

采摘设备的结构组成

本文所设计的采摘设备具有结构简单、操作便利以及制造成本低等优点，能够在较大的范围内进行推广使用。其主要包括：传送带、震动臂、反弹弹簧、执行机构架、手柄架、工作爪以及收集框等部分，其中的收集框的支撑杆采用三角形支架固定，保证了收集框的稳定性，并且框口与工作杆有一定的夹角，保证摘取的樱桃恰好落入框内。当果农驱动操作手柄的时候，通过给主动摇杆施加动力，可驱使工作爪抓取樱桃，之后用力拉杆，将樱桃摘下，最后放开手柄，通过反弹弹簧的作用将工作爪展开，使樱桃落入收集框，并顺着用氨纶布料制成的樱桃袋掉进樱桃筐里面。

总体结构设计

夹具部分

夹具部分主要是由液压夹紧装置与压力传感器按照一定的结构形式组合而成，通过压力传感器能够对夹紧力进行实时的监测，并根据监测结果，对液压夹紧装置进行有针对性的控制调整，进而确保夹具能够实现夹紧固定树木的目的，同时，还能避免夹紧力过大导致树木的损伤。传感器对夹紧装置的控制是通过继电器实现的，当夹具所提供的夹紧力超过规定的范围后，传感器就会发出信号，继电器就会断电，进而对树木起到保护作用。在实际的使用过程中，需要结合不同的树木，对夹紧力进行有针对性的调节，在确保夹紧的同時，避免对树木造成损伤。

力臂部分

采摘设备的力臂与夹具之间通过刚性方式进行牢固的连接，进而确保力量的有效传递，为樱桃的顺利采摘提供可靠保障。当夹具夹紧樱桃树后，就对其进行了可靠固定，确保了力量的稳定传输。设置在力臂后部的可调频振动电机（频率视树木尺寸而定）通电后，就会按照预先设计的频率进行振动，进而能够带动力臂以相同的频率振动，通过力臂就能将振动进一步传输至樱桃树，从而实现振落樱桃果实的目的。此外，由于力臂工作过程中会产生不同程度的振动，这就对力臂与夹具之间的连接提出了较高的要求，在实际的连接过程中，要对其进行系统全面的检测，确保其能够承受相应的振动。

支撑部分

采摘设备的支撑部分主要是由钢材和钢缆组成的，其中钢材主要负责力的传输和固定的作用，而钢缆则负担着柔性约束的目的，进而能够最大限度的减轻结构重量，方便操作人员的使用。通过钢材的有效支撑，能够将力臂高度固定在设置好的位置处，为樱桃的顺利采摘建立良好的基础。通过钢缆的柔性束缚，能够实现力臂的自由转动，进而提高力臂的灵活性，让采摘设备的操作更加便捷。在实际的设计过程中，需要结合刚性钢材的具体尺寸，优选适宜的钢缆长度，避免钢缆太长伤人和太短影响力臂的转动。

收集部分

采摘设备的收集部分主要是由收集布和传送带两部分组成的，通过两者的密切配合能够快速将振落的樱桃进行收集汇聚，大大减轻采摘工人的劳动强度。其中，传送带主要是由传送带本体和鼓风装置两部分按照一定的结构形式组合而成，鼓风机能够将掉落的樱桃汇集在一起，并且还能有效去除其中的落叶，传统带则主要负担着樱桃果实的传输，将汇集成堆的果实输送至指定的位置处。在实际的工作过程中，鼓风机的风力大小，需要结合樱桃果实的重量进行有针对性的调节，进而确保风力能够满足吹动樱桃果实的目的。

实际应用

为了验证该设备的可靠性，在理论分析与计算的基础上，设计制作了樱桃采摘设备实物，并对所制作的实物样机进行现场实验。为验证该采摘设备的使用效果，使用本设备在樱桃园中与采摘人员同时采摘，对采摘效果进行比较。为了简化对比分析，只对单棵樱桃树的采摘进行对比分析，两组的采摘结果如下所示。

根据上表能够看出，该装置的平均采摘速率为54个/min，而人工仅为46个/min，并且人工效率还会随着时间的延长而逐渐降低。该采摘装置具有较高的采摘效率，并且其效率不会随着时间的延长而降低。

结语

总而言之，为了降低樱桃采摘过程中的劳动强度，提高采摘效率，通过将平衡振动原理运用于樱桃采摘设备的设计过程中，能够提高设备的设计质量，并且在实际的应用过程中也具有较高的采摘效率，有助于促进樱桃采摘效率的提高。

参考文献

林潘忠.基于凸轮传动的便携式樱桃采摘器设计[J].时代农机，2019（02）：91–92.

金云龙，沈红芳，张震，等.便携式地面樱桃采摘机设计[J].南方农机，2018（02）：115–121.