荔枝單果采摘機(jī)設(shè)計(jì)

劉威威++陳燕+王佳盛++李嘉威++曾澤欽

摘 要：為實(shí)現(xiàn)荔枝單果采摘機(jī)械化，對(duì)其單果采摘機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。闡述了采摘機(jī)的各部件設(shè)計(jì)原理，確定各部件結(jié)構(gòu)，并對(duì)主要受力部位進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果表明，伸縮桿的最大應(yīng)力11.65MPa遠(yuǎn)小于屈服極限325MPa，最大合位移僅約為桿長(zhǎng)的0.12%，伸縮桿的剛度滿足工作要求。

關(guān)鍵詞：荔枝單果； 采摘機(jī)； 機(jī)械設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S667.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20171132021

引言

荔枝是我國(guó)南方特產(chǎn)佳果，其出口數(shù)量逐年增加。出口荔枝主要以粒果為主，近年較多采用“分批單果采收”技術(shù)。目前荔枝單果采摘現(xiàn)采用人工作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。采用機(jī)械進(jìn)行荔枝單果采摘可以有效的提高采摘效率，降低人工勞動(dòng)程度。

為促進(jìn)果蔬采摘機(jī)械的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)蘋果、柑橘、番茄等蔬果采摘技術(shù)進(jìn)行了研究[1-5]，而荔枝采摘機(jī)械的研究，主要是針對(duì)其串果采摘[6]。關(guān)于荔枝單果采摘機(jī)械，目前未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。為解決荔枝單果采摘機(jī)械化的問題，本文對(duì)荔枝單果采摘機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 單果采摘機(jī)工作原理

荔枝單果采摘機(jī)如圖1所示。工作時(shí)操作者推動(dòng)機(jī)器到荔枝樹下，調(diào)節(jié)采摘桿的高度對(duì)荔枝進(jìn)行初步定位，通過氣動(dòng)裝置控制采摘裝置，利用撥障機(jī)構(gòu)將樹枝等干擾物撥開，然后將剪切機(jī)構(gòu)到達(dá)果梗位置，啟動(dòng)剪切開關(guān)將荔枝果梗剪斷，同時(shí)荔枝落入輸果管道，最后通過管道流入集果箱中。

2 單果采摘機(jī)結(jié)構(gòu)組成

采摘機(jī)主要分為采摘裝置、動(dòng)力裝置采摘、采摘桿、支撐架、接果裝置等。采摘裝置與動(dòng)力裝置是相配合裝置，通過氣動(dòng)原理控制采摘裝置的運(yùn)動(dòng)。

2.1 采摘裝置與動(dòng)力裝置

采摘裝置包括撥障機(jī)構(gòu)和剪切機(jī)構(gòu)，利用氣動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)撥障機(jī)構(gòu)以及剪切機(jī)構(gòu)的開合，實(shí)現(xiàn)撥障以及剪切功能，其模型如圖2所示。

采摘機(jī)采用氣壓動(dòng)力作為動(dòng)力裝置。動(dòng)力裝置包括壓縮機(jī)，輸氣管，換向閥，單向閥，Y型接頭。圖3所示是采摘機(jī)氣壓傳動(dòng)工作原理圖，包括撥障部分和剪切部分。

2.1.1 撥障機(jī)構(gòu)

撥障機(jī)構(gòu)的作用是撥開擋在果蔬前方的葉子或樹枝等障礙物，主要由撥障板，復(fù)位彈簧，和預(yù)壓縮單作用直線氣缸構(gòu)成。采摘果蔬時(shí)，預(yù)壓縮單作用直線氣缸驅(qū)動(dòng)撥障板，左、右撥障板向外張開，若有樹枝或葉子等障礙物擋在果蔬前方，撥障板在張開過程中把障礙物撥向左、右兩邊，使果蔬暴露.預(yù)壓縮單作用直線氣缸卸載，左、右撥障板閉合，在撥障板復(fù)位彈簧作用下?lián)苷习灞С止撸构＿M(jìn)入刀片剪切范圍。

2.1.2 剪切機(jī)構(gòu)

剪切機(jī)構(gòu)主要由定刀片，動(dòng)刀片，旋轉(zhuǎn)氣缸和復(fù)位彈簧構(gòu)成。果梗進(jìn)入刀片剪切范圍后，加載旋轉(zhuǎn)氣缸，使動(dòng)刀片向定刀片方向閉合，剪斷果梗。旋轉(zhuǎn)氣缸卸載，在動(dòng)刀片復(fù)位彈簧的作用下動(dòng)刀片復(fù)位，動(dòng)刀片與定刀片保持成張開狀態(tài)。

2.2 支撐架

2.2.1 支撐架

支撐架結(jié)構(gòu)如圖4所示。支撐架上設(shè)有承架，承架頂部安裝旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸中心安裝定位套。支撐架的底板用于放置集果箱以及氣動(dòng)裝置的氣缸。采摘桿通過定位套安裝在支撐架上。工作時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)配合采摘桿的伸縮可以使采摘機(jī)在不同位姿下進(jìn)行采摘工作。

2.3 接果裝置

接果裝置如圖5所示，包括輸果管定位圈、輸果管和集果箱。輸果管定位圈安裝在采摘裝置下端，用于固定輸果管，作為果實(shí)輸送的入口。集果箱安裝在支撐架的底板上。經(jīng)過采摘裝置采摘下的荔枝，落入輸果管定位圈中，通過輸果管落入集果箱中。

3 采摘桿剛度分析

采摘機(jī)最不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)是伸縮桿，因此對(duì)采摘桿的剛度進(jìn)行分析。其力學(xué)模型為懸臂梁模型，使用SolidWorks對(duì)伸縮桿模型進(jìn)行有限元分析。

3.1 有限元建模

已知伸縮桿的材料為冷拔鋼，再根據(jù)伸縮桿的固定以及受力情況，建立如圖6的有限元分析模型。其中，A為定位套對(duì)伸縮桿的固定約束，G為伸縮桿本身自重，F(xiàn)為結(jié)果裝置的整體重量在垂直伸縮桿方向的分量。添加完材料、約束條件以受力條件后，對(duì)伸縮桿進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終執(zhí)行靜應(yīng)力有限元分析。

3.2 有限元結(jié)果分析

有限元應(yīng)力分析結(jié)果與合位移分析結(jié)果如圖7所示。根據(jù)應(yīng)力云圖結(jié)果可知，伸縮桿的最大應(yīng)力11.65MPa遠(yuǎn)小于屈服極限325MPa，最大合位移僅約為桿長(zhǎng)的0.12%，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了采用氣動(dòng)作為動(dòng)力源的荔枝單果采摘機(jī)，針對(duì)荔枝果實(shí)的生長(zhǎng)特性，設(shè)計(jì)了撥障機(jī)構(gòu)和剪切機(jī)構(gòu)；對(duì)不同高度的荔枝，設(shè)計(jì)了伸縮機(jī)構(gòu)，以滿足不同高度荔枝采摘；采摘后的果實(shí)通過軟管輸送至收集箱。后續(xù)將進(jìn)一步制作實(shí)物樣機(jī)，并進(jìn)行采摘試驗(yàn)，驗(yàn)證并改善本文的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：陳燕（1964-），女，廣州市人，副教授，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)器人，農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研究；劉威威（1992-），男，贛州市人，碩士在讀，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究。endprint