基于平衡振動原理的櫻桃采摘設備研究

王曉東 王文韜 張嘉程 王高杰 王春旭

摘要： 櫻桃是一種深受大眾喜愛的水果，但是當前櫻桃采摘的機械化程度較低，導致整個采摘過程需要耗費大量的時間，這就增加了采摘的勞動強度，并且還會在一定程度上提高櫻桃的價格。因此，為了提高櫻桃的采摘效率，本文通過將平衡振動原理運用于櫻桃采摘設備的設計過程中，進而能夠設計出結構簡單、操作便利以及使用安全的櫻桃采摘設備，從而能夠提高櫻桃的采摘效率，對于從事相關設計工作的技術人員具有一定的借鑒意義。

關鍵詞： 平衡振動;櫻桃;采摘

項目名稱：利用局部振動原理的輕量化櫻桃采摘收集實驗系統

2018年天津市“大學生創新創業訓練計劃”項目（項目編號：201810066029）

前言

櫻桃采摘是一個非常耗時費力的過程，需要果農付出大量的時間與精力，當前國內的櫻桃采摘尚沒有實現機械化，究其原因主要包括以下兩方面：首先是櫻桃樹的枝干結構非常復雜，并且千差萬別，進行機械化采摘的難度非常大;其次是為了能夠更好的保存櫻桃，通常需要將果柄與櫻桃一同摘下，這就對采摘的機械設備提出了非常高的要求。因此，為了改善當前櫻桃采摘效率較低的不利局面，就需要設計出一種結構簡單、操作簡便的采摘設備，進而降低果農的采摘勞動強度，提高采摘效率，從而促進櫻桃種植業的不斷發展壯大。

采摘設備的結構組成

本文所設計的采摘設備具有結構簡單、操作便利以及制造成本低等優點，能夠在較大的范圍內進行推廣使用。其主要包括：傳送帶、震動臂、反彈彈簧、執行機構架、手柄架、工作爪以及收集框等部分，其中的收集框的支撐桿采用三角形支架固定，保證了收集框的穩定性，并且框口與工作桿有一定的夾角，保證摘取的櫻桃恰好落入框內。當果農驅動操作手柄的時候，通過給主動搖桿施加動力，可驅使工作爪抓取櫻桃，之后用力拉桿，將櫻桃摘下，最后放開手柄，通過反彈彈簧的作用將工作爪展開，使櫻桃落入收集框，并順著用氨綸布料制成的櫻桃袋掉進櫻桃筐里面。

總體結構設計

夾具部分

夾具部分主要是由液壓夾緊裝置與壓力傳感器按照一定的結構形式組合而成，通過壓力傳感器能夠對夾緊力進行實時的監測，并根據監測結果，對液壓夾緊裝置進行有針對性的控制調整，進而確保夾具能夠實現夾緊固定樹木的目的，同時，還能避免夾緊力過大導致樹木的損傷。傳感器對夾緊裝置的控制是通過繼電器實現的，當夾具所提供的夾緊力超過規定的范圍后，傳感器就會發出信號，繼電器就會斷電，進而對樹木起到保護作用。在實際的使用過程中，需要結合不同的樹木，對夾緊力進行有針對性的調節，在確保夾緊的同時，避免對樹木造成損傷。

力臂部分

采摘設備的力臂與夾具之間通過剛性方式進行牢固的連接，進而確保力量的有效傳遞，為櫻桃的順利采摘提供可靠保障。當夾具夾緊櫻桃樹后，就對其進行了可靠固定，確保了力量的穩定傳輸。設置在力臂后部的可調頻振動電機（頻率視樹木尺寸而定）通電后，就會按照預先設計的頻率進行振動，進而能夠帶動力臂以相同的頻率振動，通過力臂就能將振動進一步傳輸至櫻桃樹，從而實現振落櫻桃果實的目的。此外，由于力臂工作過程中會產生不同程度的振動，這就對力臂與夾具之間的連接提出了較高的要求，在實際的連接過程中，要對其進行系統全面的檢測，確保其能夠承受相應的振動。

支撐部分

采摘設備的支撐部分主要是由鋼材和鋼纜組成的，其中鋼材主要負責力的傳輸和固定的作用，而鋼纜則負擔著柔性約束的目的，進而能夠最大限度的減輕結構重量，方便操作人員的使用。通過鋼材的有效支撐，能夠將力臂高度固定在設置好的位置處，為櫻桃的順利采摘建立良好的基礎。通過鋼纜的柔性束縛，能夠實現力臂的自由轉動，進而提高力臂的靈活性，讓采摘設備的操作更加便捷。在實際的設計過程中，需要結合剛性鋼材的具體尺寸，優選適宜的鋼纜長度，避免鋼纜太長傷人和太短影響力臂的轉動。

收集部分

采摘設備的收集部分主要是由收集布和傳送帶兩部分組成的，通過兩者的密切配合能夠快速將振落的櫻桃進行收集匯聚，大大減輕采摘工人的勞動強度。其中，傳送帶主要是由傳送帶本體和鼓風裝置兩部分按照一定的結構形式組合而成，鼓風機能夠將掉落的櫻桃匯集在一起，并且還能有效去除其中的落葉，傳統帶則主要負擔著櫻桃果實的傳輸，將匯集成堆的果實輸送至指定的位置處。在實際的工作過程中，鼓風機的風力大小，需要結合櫻桃果實的重量進行有針對性的調節，進而確保風力能夠滿足吹動櫻桃果實的目的。

實際應用

為了驗證該設備的可靠性，在理論分析與計算的基礎上，設計制作了櫻桃采摘設備實物，并對所制作的實物樣機進行現場實驗。為驗證該采摘設備的使用效果，使用本設備在櫻桃園中與采摘人員同時采摘，對采摘效果進行比較。為了簡化對比分析，只對單棵櫻桃樹的采摘進行對比分析，兩組的采摘結果如下所示。

根據上表能夠看出，該裝置的平均采摘速率為54個/min，而人工僅為46個/min，并且人工效率還會隨著時間的延長而逐漸降低。該采摘裝置具有較高的采摘效率，并且其效率不會隨著時間的延長而降低。

結語

總而言之，為了降低櫻桃采摘過程中的勞動強度，提高采摘效率，通過將平衡振動原理運用于櫻桃采摘設備的設計過程中，能夠提高設備的設計質量，并且在實際的應用過程中也具有較高的采摘效率，有助于促進櫻桃采摘效率的提高。

參考文獻

林潘忠.基于凸輪傳動的便攜式櫻桃采摘器設計[J].時代農機，2019（02）：91–92.

金云龍，沈紅芳，張震，等.便攜式地面櫻桃采摘機設計[J].南方農機，2018（02）：115–121.