林果业小型果类采摘器机具设计与试验研究

高云华,高玉芝

(1.沈阳理工大学,沈阳 110159;2.唐山职业技术学院 机电系,河北 唐山 063004)

0 引言

坚果,是果皮和果实在成熟后呈现干燥状态的果子,分为裂果和闭果两类。坚果是闭果的一个分类,因果皮坚硬而得名。坚果是植物中最精华的部分,营养丰富,含有较多油脂和蛋白质,其矿物质及维生素等微量元素的含量也较高,能够促进人体生长发育、增强人的体质。

我国食用坚果的传统历史悠久,由于坚果具有营养保健功能,且价廉物美,深受我国人民的喜爱。国内坚果类产品的市场规模近年来一直呈现加速增长的态势,据统计,2017年国内的坚果类产品终端市场规模接近277亿元,同比增长11.5%,保持连续5年超过10%的增速。

目前,坚果的收取工具主要分为手工和机械两种,还有智能收取机器人等高端设备。由于先进国家的坚果主要依靠从发展中国家进口,对小型果树的果实收取研究并不深入,坚果收取的设备和技术等并不受重视。

在我国,坚果产业广泛使用的是高枝剪等手工设备,较低的机械化程度导致工人劳动强度很大。坚果的收取受到生长周期的强烈影响：收取过早,坚果还未成熟,果仁不够饱满,且含油量不够,品质难以达到售卖要求;收取过晚,坚果又会由于表皮开裂导致其易受到霉菌感染,引发果实的腐烂变质,影响产量。此外,不少坚果都具有“花果同期”的特点,即花蕾和果实同时存在,在对坚果进行采收时,可能对花蕾造成伤害,从而导致下一年产量下降。

本研究以夏威夷果为例,设计了收取机具并进行试验,以提高坚果的采收效率,降低坚果种植业的劳动强度。

1 总体设计

前人[3-4]针对夏威夷果及其花蕾进行了物理特性方面的测量和统计,夏威夷果及其花蕾的力学特性,如表1所示。对数据分析可知：夏威夷果与其花蕾相比直径更大,且成熟的夏威夷果与树枝的结合力小于花蕾-树枝结合力。针对这种力学特性上的差异,提出了一种间距可调橡胶套金属辊回转式收取头的夏威夷果收取方案,如图 1 所示。该方案中,上、下橡胶套金属辊组件朝着对方相反的方向做同步旋转,当夏威夷果树枝靠近橡胶套金属辊组件时,树枝将受到摩擦力的作用,被强制拉进橡胶套金属辊组件里,在橡胶套金属辊组件和果实之间的挤压下,夏威夷果将会受到接触摩擦力,从而从树枝上脱落。

表1 夏威夷果及其花蕾的力学特性Table 1 Mechanical properties of macadamia nuts and buds

装置中橡胶套金属辊的材料为尼龙塑料,具有特殊的韧性和刚性,能够减少收取过程中花蕾受到的挤压和摩擦,有效降低花蕾和树枝受到橡胶套金属辊的伤害与影响。上、下橡胶套金属辊之间的组间距可以通过螺纹升降原理进行调节,且可以固定组间距,能够根据树枝的厚度进行调节。

橡胶套金属辊回转式夏威夷果收取装置,如图2所示。夏威夷果收取机主要包括行走底盘、执行机构和果实收取头。收取头包括直流电动机、减速器、齿轮箱、链条、链轮,以及上、下橡胶套金属辊组件。

在受到减速器的减速作用后,电动机将动力传送至齿轮箱;齿轮箱上下两对齿轮被带动做异向旋转,齿轮轴将齿轮的旋转动力传递给链轮,使两组链轮发生旋转;上、下橡胶套金属辊组件分别通过链条受到链条的作用进行异向旋转,上橡胶套金属辊组件做顺时针旋转,下橡胶套金属辊组做逆时针旋转。执行机构包括立臂和动臂,分别有一个液压缸,收取头液压缸也在执行机构中,其立臂、动臂、收取头分别受到各自液压缸的伸缩运动,绕销轴旋转。装置采用了履带式挖掘机底盘,整个装置和液压辅助系统的动力都来源于这个底盘。

2 主要结构设计

橡胶套金属辊组件包括橡胶套金属辊、橡胶套金属辊架及橡胶套金属辊轴,每个部分的三维模型如图 3所示,装配好后的装配模型如图4 所示。

通过紧定螺钉,两个橡胶套金属辊架分别被安装在橡胶套金属辊轴的两端,橡胶套金属辊两侧通过菱形带座轴承安装在橡胶套金属辊架上。每组橡胶套金属辊组件上均匀对称地安装3根橡胶套金属辊,呈现等边三角形的布置形态,可以避免收取时橡胶套金属辊受到的磨损,橡胶套金属辊的工作寿命能得以提高。

2.1 橡胶套金属辊组件作用形式

收取工作中,橡胶套金属辊组件与夏威夷果直接发生作用。在回转支架的驱使下,橡胶套金属辊绕回转支架做旋转运动,在与夏威夷果接触时,产生的摩擦力也会使橡胶套金属辊发生自转。橡胶套金属辊与夏威夷果发生接触后会出现双橡胶套金属辊式、单橡胶套金属辊式和单双橡胶套金属辊式3种不同的作用形式,如图5所示。其中,图5(a)为双橡胶套金属辊式示意图,这种作用形式下,上、下两组橡胶套金属辊中均有两根橡胶套金属辊与夏威夷果树枝发生接触;图5(b)为单橡胶套金属辊式示意图,这种情况中,上、下两组橡胶套金属辊里均有一根橡胶套金属辊与夏威夷果树枝发生作用;图5(c)为单双橡胶套金属辊式示意图,即两组橡胶套金属辊中,有一组橡胶套金属辊组件的一根橡胶套金属辊与夏威夷果树枝接触,而另一组橡胶套金属辊组件中有两根橡胶套金属辊对夏威夷果树枝产生接触。通过以上3种方式,夏威夷果都能被收取下来。

2.2 回转支架组件设计

回转支架组件主要包括伸缩杆、伸缩座、回转支架和回转滚动轴,如图6所示。通过紧定螺钉,回转支架被安装在回转滚动轴的两端,伸缩杆则是沿着螺纹外旋的方向固定在伸缩座中,螺栓连接伸缩座和固定架。伸缩杆和伸缩座之间可以发生回转和直线运动,也可在这两个运动间相互转换,主要是由于伸缩杆的外螺纹和伸缩座的内螺纹之间发生的牙面旋合作用。此外,螺纹传动的优点还在于可以精准地调节行程,且能自锁。回转滚动轴外侧的链轮运动可以带动上回转支架做逆时针运动,下回转支架则在链轮的作用下做顺时针运动。图7为零件模拟装配后的装置模型,其伸缩杆在伸缩座轴方向的伸缩行程最大为6cm。

2.3 链轮链条设计

在对夏威夷果收取装置进行设计时,由于回转结构和齿轮箱的位置相对较远,且尺寸比较大,橡胶套金属辊回转支架难以直接得到齿轮箱的动力,需要一套传动机构。林间收取夏威夷果具有劳动强度大、收取环境差的特点,链式传动较带式传动而言,摩擦滑动的发生几率较小,也很少出现整体打滑的情况,可以保证稳定不变的传动比;且链式传动由于结构紧凑,具有较小的尺寸和较高的效率,即使在潮湿、重负载之类的复杂收取情况下也能很好地传动。因此,采用链轮链条传动装置来传递齿轮箱到回转支架之间的动力[3-5]。根据相关设计手册,采用以下传动系统参数,如表2所示。

表2 链轮链条参数表Table 2 Parameter table of sprocket chain

2.4 链轮链条结构设计

齿轮箱的输出轴两端分别安装小链轮,回转支架的输入轴安装大链轮。根据表2中的数据,在软件中模拟出了链轮的三维模型,如图8所示。链式传动系统安装完成后的实际模型样例,如图9所示。

基于夏威夷果的实际收取工况,收取头采用直流电机,与便携式电源直接相连,此类设计的电路搭建方便、安全性能较高,便于工人使用。 由于电动机具有较大的输出转速,为满足收取条件,必须增加减速器装置。设计中采用的是具有较为紧凑的机械结构、尺寸较小的蜗轮蜗杆减速器,能在高效运作的同时保持平稳,使用寿命较长;此外,这类减速器的传动比较大,具有较高的输出扭矩,性能参数符合夏威夷果的收取条件。表3和表4为本设计中电机和相应减速器的性能参数表。

表3 电机特性参数表Table 3 Characteristic parameters of motor

表4 减速器特性参数表Table 4 Characteristic parameter of reducer

2.5 电机及减速机选型设计

根据表3数据,电机的额定功率为300W,传动系统的输出功率为300W。经减速器后,电机的输出转速为44r/min(n减),齿轮箱受到连轴器的传动,转速与电机的输出转速相同,减速器的输出力矩为T减=40N·m,同样,齿轮箱的扭矩也与输出力矩相同。

2.6 收取臂结构设计

收取臂主要包括立臂、动臂及其各自的液压缸,以及连杆和收取头液压缸。对各组件进行测绘后,在软件中模拟出等比的三维模型。以上零部件的连接关系如下：立臂液压缸的两端分别铰接在底盘和立臂的内侧;动臂液压缸的两端则分别铰接在立臂的外侧和动臂上;收取头液压缸的一端与动臂外侧相连,另一端与连杆相接。图10为收取臂的三维装配模型。

1.橡胶套金属辊组件 2.夏威夷果树枝 3.螺纹升降杆图1 收取方案简图Fig.1 Sketch of the picking scheme

1.行走底盘 2.立臂液压缸 3.立臂 4.动臂液压缸 5.动臂 6.收取头液压缸 7.直流电动机 8.齿轮箱 9.链轮 10.链条 11.橡胶套金属辊组件图2 夏威夷果收取装置结构示意图Fig.2 Structure sketch of macadamia nuts picking machine

(a) 橡胶套金属辊 (b) 橡胶套金属辊架 (c) 橡胶套金属辊轴图3 橡胶套金属辊组件零部件模型Fig.3 Parts model of rubber roller assembly

(a) (b) (c)图5 橡胶套金属辊组作用形式Fig.5 The action forms of rubber roller assembly

(a) 伸缩杆 (b) 伸缩底座

图7 回转支架组件模型Fig.7 Model of rotary rack assembly

(a) 小链轮 (b) 大链轮图8 链轮模型Fig.8 Model of sprocket

图9 链轮链条传动系统Fig.9 Drive system of sprocket chain

图10 收取机械臂装配模型Fig.10 Assembly model of picking arm

2.7 收取臂工作范围

研究表明：不同品种的夏威夷果具有差异化的结构形态,物理特性也有所不同。针对云南省种植的标准化夏威夷果林进行研究,结果表明：尽管不同品种的夏威夷果形态有所差异,但其具有相对一致的种植模式。夏威夷果树的平均株距在310cm左右,果树的平均株高为290cm,树冠的平均直径在250cm左右,夏威夷果主要生长于树冠表层,大约分布在30cm处。为了确定收取臂的运动范围及其整体的尺寸与结构,将夏威夷果林的空间分布设为2000mm×2000mm×3000mm 物理模型,如图11所示。针对以上夏威夷果林的空间分布特点,在对收取设备进行设计时,要使设备在果林中自由运动的同时,确保收取臂的工作范围达到要求。

图11 夏威夷果分布范围Fig.11 Distribution range of macadamia nuts

收取臂为夏威夷果收取设备中的执行组件。收取头在竖向平面内的运动受到立臂液压缸和动臂液压缸的调控,进入夏威夷果树冠的方向与深度则由收取头液压缸控制。为了更好地从机械运动学的角度进行分析,将收取臂的物理模型转化为数学模型,并对其进行优化,如图12所示。图12中：立臂AE、动臂DC,θ1、θ2分别为水平方向上立臂和动臂的运动夹角,立臂液压缸和动臂液压缸分别为ab和cd。将收取头的前端为D,其与A点在水平方向和竖直方向上的距离范围组成收取臂的工作范围。

图12 收取机械臂数学模型Fig.12 Mathematical model of picking arm

当机械臂的整体工作范围与夏威夷果的有效收取范围相匹配时,收取头即可在夏威夷果的任意生长位置进行收取工作,其工作范围如下：

1)收取臂末端D在水平方向上的位移xDA为

xDA=AA1+BB1+DD1=ABcosθ1+

BEcos(β+θ1- π) +DEcosθ20≤θ1≤ π/2

0≤θ2≤ π/2

2)收取臂末端 D 在竖直方向上的位移yDA为

yDA=BA1+EB1-ED1=ABsinθ1+

BEsin(β+θ1- π) -DEsinθ20≤θ1≤π/2

0≤θ2≤ π/2

3)收取臂的工作范围需满足以下条件：①水平方向上大于夏威夷果树半径,即xDA≥ 100cm;②竖直方向高于夏威夷果树,除去挖掘机底盘(高50cm),则yDA≥ 240cm。

3 样机制作与试验

夏威夷果具有生长周期长、成熟周期短的特性,且分布较为广泛,室外收取试验的难度很大,且难以计算试验结果,因此在室内对单株的夏威夷果树进行试验。

1)试验目的。在室内条件下,观察夏威夷果收取设备对单株的夏威夷果树进行收取的效果,主要观察收取过程,以及收取效果受到两组橡胶套金属辊之间的组间距的影响。试验过程中,记录夏威夷果的收取情况和花蕾受到损害的情况,总结整个收取过程中发现的问题并针对问题进行优化。

2)试验材料。选取15株云南农业大学植物标本园中的夏威夷果树枝,挑选长势大约一致、均长有夏威夷果和花蕾的树枝,从1到15依次为树枝贴上编号,如图13所示。使用游标卡尺测量树枝上夏威夷果和花蕾的尺寸,并记录下数量,用游标卡尺测量并记录每株树枝上夏威夷与花蕾的数量和直径大小。

图13 夏威夷果枝试验样本Fig.13 Sample of macadamia nuts branch tested

3)试验参数与方法。表5列出了试验中使用的各项参数。调节好参数后启动设备,使用设备分别对夏威夷果树枝进行收取试验,如图14所示。收取过程中,单株树枝共经历3个阶段：①树枝进入橡胶套金属辊组缝隙;②橡胶套金属辊倾轧树枝,夏威夷果柄断裂;③夏威夷果与树枝脱落分离。

(a) 进入 (b) 脱落 (c) 分离图14 夏威夷果收取试验过程Fig.14 Process of macadamia nuts picking test

表5 收取试验参数表Table 5 Parameters of picking test

3.1 收取试验结果

表6列出了试验中每株夏威夷果树枝的收取结果,包括果实的直径和脱落情况。

表6 夏威夷果试验数据表Table 6 Shedding data in the macadamia nuts picking test

由表6可知：直径在 27～42mm之间的夏威夷果可以从果枝上脱落下来,而果实直径在11～28mm 时,夏威夷果无法顺利脱落。试验中设置的橡胶套金属辊组间距为 30mm,根据数据可知收取下来的夏威夷果果径均大于30mm,而果径小于 30mm 的夏威夷果并未成功收取。以上结果表明：收取设备中橡胶套金属辊回转组件转速为28r/min时,对于直径大于25mm的夏威夷果的收取效果较好。

3.2 夏威夷果花蕾损伤结果

夏威夷果树是典型的“花果同期”类植物,因此试验中还记录了每组夏威夷果树枝上花蕾的损伤情况及花蕾的直径,以期对设备的收取效果做出更全面的考察。试验中花蕾的具体数据统计如表 7 所示。

由表7可知：直径在7～11mm间的夏威夷果花蕾均未从树枝脱落,且及花蕾并未发现明显伤害。由于橡胶套金属辊组的组间距为30mm,远远超过了花蕾的直径,花蕾能够顺利通过收取头的橡胶套金属辊间距而不受到损害。根据前文的软件模拟分析可知：坚果和花蕾受到的作用力随着橡胶套金属辊组转速升高而增加,试验中橡胶套金属辊组的转速设为最高转速,收取过程中也未见花蕾发生脱落和损伤,说明该收取设备几乎不会对夏威夷果花蕾造成伤害。与此同时,增加橡胶套金属辊组的组间距也可以降低对花蕾的摩擦,减小伤害,试验中将橡胶套金属辊组的间距设为最小值,也未见伤害,同样说明该设备能够有效保护现存的夏威夷果花蕾。

表7 花蕾试验数据表Table 7 Shedding data of flower buds in picking test

4 结论

针对坚果产业中的收取问题,设计出了一款橡胶套金属辊回转式坚果收取装置。以夏威夷果这种“花果同期”的坚果为例,主要针对其收取环境的复杂性,及收取时容易损伤花蕾导致来年产量下降的问题,在对收取条件进行模型转化后,根据夏威夷果实与花蕾物理特性之间的差异,设计出整体收取方案。设计的创新点在于采用了橡胶套金属辊回转式收取头。在装配好样机后进行了室内收取试验,验证收取效果和收取过程中花蕾的保护情况,结果表明：夏威夷果收取过程受到果实本身的直径和橡胶套金属辊组间距的影响：当橡胶套金属辊组间距大于果实直径时,无法使夏威夷果从树枝上脱落;当橡胶套金属辊组间距小于果实直径时,可以有效地将夏威夷果与树枝分离。当设备的回转组件转速为28r/min、橡胶套金属辊组间距为30mm时,收取直径30mm以上的夏威夷果的效果较好,且橡胶套金属辊组间距远大于夏威夷果花蕾的直径,花蕾在收取过程中不会受到明显伤害。