蓝莓采摘实验台的设计与试验研究

郭艳玲,聂宏宇,李志鹏,李 健,王海滨

(东北林业大学 a.机电工程学院;b.交通学院;c.工程技术学院,哈尔滨 150040)

0 引言

近年来,随着农林业产业结构的调整,蓝莓种植和生产已成为农民增收致富的新途径。蓝莓的营养价值很高,在国内外的销量一直很可观。目前,蓝莓果园的规模化发展要求越来越高,蓝莓采摘机械化的重要性日益显著[1]。

蓝莓采摘作业具有劳动强度大、季节性较强的特点,目前很多国家采摘技术还停留在人工采摘、捡拾作业水平[2]。国内的蓝莓采摘机主要是靠仿照国外现有采摘机制作的,一方面国外的技术直接引进国内,制作使用的效果不是很理想;另一方面国外的采摘机一般都不适合用于现在国内的种植果园。为了能制作出高效合理的采摘机,需要反复进行大量的采摘试验,确定合适的采摘机理和采摘参数,同时要对采摘效率、采摘质量和制作成本等因素综合考虑。为了降低成本,获得更完整、有效的数据,进行实物采摘机试验前,需在实验室环境下搭建采摘实验平台进行模拟采摘试验。因此,设计了蓝莓采摘实验台,旨在为蓝莓采摘机的设计及蓝莓的振动特性研究提供参考。

1 实验台设计方案与工作原理

1.1 采摘作业工作原理

蓝莓采收作业时,采摘机跨过蓝莓树丛向前行驶,蓝莓植株进入龙门框架内,发动机带动采摘系统;采摘系统末端执行装置指排往复摆动,拍打采摘机内经过的蓝莓植株,通过树枝振动震落蓝莓果实,再由传送带进行收集,实现蓝莓果实机械采摘。其工作原理如图1所示。

1.2 采摘振动机理

采摘系统带动指排往复拍击形成多激励振动采摘力作用于蓝莓植株,使蓝莓植株振动形成振动输出响应,对生长在树枝上的蓝莓果实形成果、枝分离作用力,振落蓝莓果实[3]。因此,为达到蓝莓采摘过程中尽可能地采收熟果、留下生果且不伤害树枝的目的,需控制指排作用下的果、枝分离作用力,使蓝莓果实采摘力大于熟果结合力而小于生果结合力,保证采摘果实质量。

1.3 采摘实验台设计要求

依据蓝莓采摘作业形式,得到采摘实验台设计要求如下:

1)实验平台要能够模拟实际蓝莓采摘情况,采摘对象保持静止不动,由实验台靠近采摘对象进行采摘;

2)实验平台应该能够进行一定方向的、速度可控的移动;

3)用于采摘的机构,在完成采摘功能的基础上,结构应该尽量简单,方便制作加工,并且在一定程度上可以低成本的更换,从而满足反复进行大量实验需要;

4)采摘末端执行元件的摆动频率应保证植株振动,振落蓝莓果实;

5)采摘机构的运动要能平滑调速,振动的频率、振幅都应该是可以调节的;

6)机架负责连接采摘机构和实验台移动装置,支撑整个实验台。

1.4 采摘实验台设计方案

采摘机构能够对果树施加可调节的作用力,达到果实和果树分离的目的。常用的振动方式分为冲击式、振摇式和机械振动式:冲击式通过瞬间冲击树干,产生惯性力,利用惯性力将果实分离;振摇式通过振动机,使树干进行受迫振动,摇晃树枝,使果树获得惯性力,果实在惯性力的作用下和果树分离;机械振动式利用机构将回转运动转换成简单可控的往复运动,从而产生惯性力施加到树枝上,果树做受迫振动,当振动特性达到一定值时使果实分离,达到采摘的目的。

采摘机构是实验台中的主要执行机构。采摘机构的结构设计能够直接影响到实验台的采摘效果,进而对实验效果产生影响[4]。采摘机构需要能够进行平滑的调速控制,且实验室环境不能使用功率过大的动力源。综合考虑实验室实验条件和采摘实验台的功能要求,使用机械振动式作为蓝莓采摘振动实验平台的采摘原理最为合适。

机械振动式采摘机构产生往复运动,根据运动的种类还可以分为旋转式和摆动式。相比于旋转式采摘机,摆动式采摘机在工作过程中振动更平稳,也更容易停止,在一定程度上能够避免事故的发生。

2 实验台结构设计

通过对蓝莓果树的测量得知,植株高度约为0.6～1m,宽度约为0.5～0.8m。综合设计要求,得到采摘实验台龙门框架尺寸:长×宽×高=1.5m×1m×1.2m。

2.1 实验台移动装置

为了模拟实际采摘机在蓝莓果园的采摘情况,试验过程中实验对象蓝莓果树应该保持静止不动,由采摘机构靠近果树进行采摘工作。实验台接近果树的速度应该平稳,且可以在一定范围内进行调速。考虑到实验室条件和制作难度,采用交流调速电机作为实验台移动的驱动元件。该电机具有噪声小、振动轻及可正反转调速等特点,完全满足实验需求。

为了减小实验台移动时的阻力,将采摘装置放置在导轨上,并利用电机带动同步带,拉动采摘装置在导轨上进行滑动。图2为传送装置结构设计图。通过连接块固定基架、导轨滑块与同步带,同步带由调速电机通过带轮带动,能够为实验台移动有效地提供动力,成功模拟实际采摘情况。

2.2 曲柄连杆传动装置

为使采摘传动装置各元件按预定轨迹运动,采用曲柄连杆传动装置作为采摘系统传动装置,原理如图3所示。

图3 曲柄连杆传动装置原理图

图3中,a为曲柄AB长度(mm);b为连杆BC长度(mm);c为摇杆CD长度(mm);d为机架AD的长度(mm);θ为极位夹角(°);ψ为摇杆摆角(°);γmin为最小许用传动角(°)。

曲柄摇杆设计步骤如下[5-6]:

1)根据采摘对象尺寸,初步确定机架长度。蓝莓植株花盆直径300mm、高240mm,蓝莓果树离地面高约0.7～0.9m,树冠最大直径约400mm。考虑到实验台的整体大小,确定曲柄摇杆机构机架长度为400mm。

2)曲柄摇杆计算。由△C1C2D和△C1C2A内部关系整理得

a2cos2(θ/2)+b2sin2(θ/2)=c2sin2(ψ/2)

(1)

cosγmin=b2+c2-(d-a)2/2bc

(2)

综合计算得

d2=a2(1+sinθ/tan(ψ/2))+b2(1-

sinθ/tan(ψ/2))+c2cosψ

(3)

式(3)中有7个参数,即a、b、c、d、γmin,ψ、θ。其中,确定的已知量可以通过求解方程组得到其他未知量,从而完成曲柄摇杆的设计计算,结果如表1所示。

表1 曲柄摇杆机构设计结果

2.2.1 曲柄摇杆动力学分析

按照a=70mm、b=406.3mm、c=100mm、d=400mm,建立曲柄摇杆模型,利用UG软件对其进行动力学仿真。曲柄a作为主动件,转速为60r/min。忽略重力影响,进行动力学仿真,摇杆的速度与加速度曲线如图4所示。摇杆是采摘机构的工作部件,摇杆的运动情况就是采摘机构的运动状况。由图4可看出:摇杆速度、加速度曲线呈周期变化,在运行过程中能够按照预定设计规律运转,符合采摘设计要求。

图4 速度与加速度曲线

2.2.2 曲柄摇杆动力学分析

曲柄连杆传动装置如图5所示。装置由固定在横梁上的交流调速电机驱动,带动曲柄摇杆末端执行机构指排往复摆动,且各杆长度可调,以便更改指排的摆动幅度。表2为该装置关键尺寸及运动参数范围。

1.角件 2.横梁 3.立柱 4.连接片 5.连接轴 6.轴承座 7.指排 8.转轴 9.摇杆 10.连杆 11.曲柄 12.电机

表2 关键尺寸及运动参数范围

3 蓝莓采摘实验研究

3.1 条件与方法

试验采用自行搭建的蓝莓采摘实验台搭配传感器数据采集系统,以自行种植的蓝莓树为实验对象,传感器位置为与指排直接接触的外部分枝距根部50mm处,如图6、图7所示。试验过程中,改变实验台的各种参数,得到加速度数值反馈,找到满足落果条件最适宜的参数。

3.2 试验数据分析

3.2.1 振动响应分析

保持其他参数不变,将曲柄摇杆机构末端执行机构拍打频率分别调至1、2r/s,加速度反馈曲线如图8与图9所示。对比分析可知:随着电机转速的提高,指排摆动频率增大,单位时间内蓝莓植株受到的拍击次数增多,蓝莓植株的振动输出响应也逐渐增大。

保持其他参数不变,改变控制实验台采摘装置移动的同步带电机转速,通过计算将采摘装置移动速度分别调至0.5、1.5m/s,加速度反馈曲线如图10与图11所示。对比分析可知:随着电机转速的提高,采摘装置移动加快,单位时间内蓝莓植株受到的拍击次数减少,蓝莓植株的振动输出响应逐渐减小。

保持其他参数不变,改变曲柄摇杆机构的尺寸参数,将指排摆动幅度分别调至45°、60°,加速度反馈曲线如图12与图13所示。对比分析可知:随着指排拍打幅度的提高,指排与树枝的接触范围变大,蓝莓植株的振动输出响应也逐渐增大。

图6 传感器数据采集仪照片

图10 移动速度为0.5m/s时的加速度反馈曲线

图11 移动速度为1.5m/s时的加速度反馈曲线

图12 摆动幅度为45°时的加速度反馈曲线

图13 摆动幅度为60°时的加速度反馈曲线

3.2.2 采摘力响应分析

选择长势良好的蓝莓树进行三水平三因素交叉实验,改变实验台框架行走速度、指排拍打速度及指排拍打幅度,得到不同的加速度反馈值,反馈值通过分别位于两个试验点上的加速度传感器采集,结果如表3所示。

表3 实验数据采集表

续表3

4 结论

1)设计了一种蓝莓采摘实验台,主要由曲柄连杆传动装置、移动装置、龙门框架、导轨及机架等组成。

2)试验分析表明:①当指排作用于蓝莓树枝的不同位置时,得到的振动输出响应不同,从根部至末梢输出响应逐渐增大。②随着采摘装置电机转速的提高,带动指排摆动频率增大,蓝莓植株的振动输出响应也逐渐增大。③随着指排摆动幅度的增大,指排的作用面积也增大,蓝莓植株的振动输出响应也逐渐增大;但摆动幅度如果过大,会出现指排插入树枝内部的现象,强行拉出指排会损伤树枝,因此摆动幅度控制在60°以内比较合理。④随着实验台采摘装置行走速度的提高,指排拍打蓝莓植株的时间变少,从而蓝莓植株的振动输出响应也逐渐减小。

3)利用所设计的蓝莓采摘实验台进行试验,结果表明:当采摘机指排拍打频率为2r/s、拍打幅度为60°、行走速度为1m/s时,蓝莓果实采摘力大于熟果与树枝的结合力而小于生果与树枝的结合力,满足采摘条件,为最佳设计参数。