一種林果自動清收裝置的設(shè)計

趙樹萍，賈 君，馮 琦

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

目前我國果農(nóng)采摘林果還是以人工采摘為主，常用竹竿將果實打落在地，再撿拾收集，效率低、勞動量大，采摘作業(yè)所用勞動力占整個生產(chǎn)過程所用勞動力的33%～50%[1]，如果不能及時采摘，還會導(dǎo)致經(jīng)濟上的損失。因此，林果自動清收裝置的研究對提高清收效率、節(jié)省人工和提高果農(nóng)的經(jīng)濟效益具有重要意義。

采摘機械主要有振搖式、撞擊式和切割式3 種類型。其中，振搖式采摘機械多依靠偏心回轉(zhuǎn)機構(gòu)或往復(fù)式運動機構(gòu)對果樹樹干或樹枝進行振動[2]，最終實現(xiàn)果實的采摘。本文擬利用氣缸的往復(fù)直線運動實現(xiàn)對果樹樹干或樹枝的振動，并設(shè)計了相應(yīng)的果實收集裝置。

振搖式機械采摘裝置主要是利用果樹樹干或樹枝受到激振力的作用，使果實產(chǎn)生較大的慣性力而脫落。通過對果實振動力學(xué)的分析可知，在不損傷果樹的前提下，振幅一定的情況下，選擇合適的激振頻率才能保證果實產(chǎn)生足夠大的脫落慣性力，達到較好的采摘效果[3]。

本文所設(shè)計的振搖式清收裝置主要針對高度在2.5～7 m，行距3 m 以上，樹枝直徑范圍為50～100 mm 的果樹。研究表明振幅為40 mm，氣缸振動頻率為10～15 Hz時采摘率較高，按照樹枝直徑比例計算得到所需激振力為5 100～5 490 N[4]。清收裝置由清理裝置和收集裝置組成，清理裝置使果實脫落，通過收集裝置進行收集。

1 清理裝置

清理裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由振動機構(gòu)與伸縮機構(gòu)組成。工作時，首先通過支撐氣缸的伸縮來調(diào)節(jié)機械伸縮桿的角度，直至合適位置，然后通過機械伸縮桿帶動振動氣缸以及振動勾具進行伸縮，直至勾住樹枝，在振動氣缸的作用下產(chǎn)生激振力從而使果實與樹枝分離。

圖1 清理裝置整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of cleaning device

1.1 振動機構(gòu)的設(shè)計

振動機構(gòu)是整個清收裝置的核心。本文主要設(shè)計的振動機構(gòu)如圖2 所示，利用氣缸的往復(fù)直線運動產(chǎn)生的激振力振搖樹枝，從而促使果實振動掉落。根據(jù)激振力的大小計算和選用氣缸。

圖2 振動機構(gòu)Fig.2 The vibration mechanism

工作時，氣缸帶動勾具在活塞導(dǎo)向筒內(nèi)運動，當勾具勾住樹枝后，活動夾具通過自動伸縮桿的伸出帶動鋼絲活動，在彈簧的作用下使得活動夾具張開；當自動伸縮桿收縮時，帶動鋼絲收縮，讓活動夾具合并緊緊夾住樹枝。為了減小對樹枝的損傷，在振動勾具和活動夾具上附有橡膠墊。振動氣缸氣動回路如圖3 所示。通過控制手動閥，使處于壓緊狀態(tài)下的行程閥給電磁換向閥控制信號，使無桿腔通入氣體，進而活塞桿伸出，反之活塞桿縮回，如此活塞桿進行連續(xù)的往復(fù)運動產(chǎn)生振動，通過電磁換向閥可以調(diào)節(jié)振動的頻率。

圖3 振動氣缸氣動回路Fig.3 The pneumatic circuit of vibration cylinder

1.2 伸縮機構(gòu)的設(shè)計

在振動機構(gòu)與果樹樹枝之間需要伸縮機構(gòu)來實現(xiàn)夾持不同高度的樹枝。本文設(shè)計的伸縮機構(gòu)如圖4所示。首先通過支撐伸縮缸使機械伸縮桿調(diào)整角度，直至處于合適位置，再利用機械伸縮桿的伸長帶動連接的振動機構(gòu)夾持住樹枝。

圖4 伸縮機構(gòu)Fig.4 The telescopic mechanism

機械伸縮桿的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。在工作時，方形內(nèi)套桿上固定有彈簧片，在彈簧片上固定銷釘，銷釘可以嵌入方形外套桿上定距的孔內(nèi)，通過內(nèi)套桿的伸縮來實現(xiàn)夾持樹枝所需要的高度，利用銷釘來固定內(nèi)外套桿的伸縮位置，以此來實現(xiàn)各節(jié)的伸縮，銷釘嵌入不同的孔可以得到不同的伸縮長度。

圖5 機械伸縮桿Fig.5 The mechanical telescopic rod

2 收集裝置

本文設(shè)計了偏心傘狀收集裝置，結(jié)構(gòu)如圖6 所示。該收集裝置設(shè)計成偏心傘狀結(jié)構(gòu)，由兩半組成，兩半之間通過粘扣利用樹干夾持密封帶將樹干包圍并且密封，使果實不從樹干間隙掉落，通過傘骨張開整個偏心傘，用固定架支撐整個傘，利用偏心斜坡使果實掉落到收集口，再通過連接的收集袋將果實收集起來，這樣避免了人工接觸果實，不僅收集效率高，而且可以減小對果實的損傷。

此裝置可以夾持的樹干直徑范圍在150～300 mm，偏心收集傘打開可以形成一個直徑最大為5 m 的收集面，而且收集時根據(jù)樹冠覆蓋的范圍，其打開后的傾斜角度可以在30°～60°進行調(diào)整。

圖6 偏心傘收集裝置Fig.6 The eccentric umbrella collecting device

3 結(jié)論

本文利用雙作用氣缸的往復(fù)直線運動實現(xiàn)對林果的振搖，使其脫落，并設(shè)計了相應(yīng)的偏心傘收集裝置。設(shè)計的清收裝置結(jié)構(gòu)小巧、靈活，實用性較強，可以大大提高果農(nóng)的采摘效率，降低清收成本。