北方高叢藍莓采摘機的設計與試驗

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(東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

北方高叢藍莓采摘機的設計與試驗

范長勝，李志鵬，郭艷玲

(東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

目前藍莓行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是手工采摘所增加的勞動成本和生產效率低下的問題，解決這一問題的關鍵是提高機械化采收技術，為此本文設計一款旋轉式機械采摘機。該文首先對現(xiàn)有機械林果采摘裝置進行了現(xiàn)狀分析，提出了旋轉式藍莓采摘機的設計結構，應用機械振動原理計算出使果實與枝條分離所需的激振力，以此為設計依據。在采摘力的試驗中以北方高叢藍莓為試驗對象進行采摘，對采摘試驗結果進行分析，提出了為提高采摘率和減少對植株和果實損傷在下一步設計時需加強的環(huán)節(jié)。

北方高叢藍莓;機械采摘;旋轉式機械采摘機;振動

0 引言

目前我國完全依靠人工采摘，采摘費用約占藍莓生產總成本的50%～70%，嚴重制約了藍莓大面積的推廣與種植。為實現(xiàn)藍莓采摘的機械化和自動化，需要研究一種高效智能的藍莓采摘機械。

機械采摘系統(tǒng)對節(jié)約藍莓采收成本是迅速而有效的，但機械采摘對果實的低效采摘和高度損害是目前限制機械采摘的主要問題。解決這一問題的關鍵步驟是提高機械采摘機的采摘技術。國內目前尚未開展行走式藍莓采摘機械的研究，關于林果采摘并適合于小漿果采摘的只有手持氣吸式的專利一項。美國作為藍莓原產國和機械發(fā)達的國家，最早研制了藍莓采摘機，現(xiàn)在美國主要有三家公司研制采摘機，其中BEI公司的技術最先進，生產的藍莓采摘機已經廣泛用于生產，推動了藍莓的大面積種植，并已取得巨大的經濟效益。Brown等人在1996年就進行統(tǒng)計，商業(yè)的藍莓采摘機可以提高勞動生產率達6 000%，降低勞動成本85%[4]?，F(xiàn)今全球藍莓產量預計到2015年將達到67.5萬噸，并持續(xù)增長[5]。黑龍江省預計到2015年將建設藍莓原料基地8 3325萬m2，鮮果采摘量達4萬噸[6]。因此，發(fā)展機械采摘已成為藍莓產業(yè)的必然趨勢，而且隨著我國藍莓種植業(yè)的擴大藍莓采摘機也將成為我國藍莓產業(yè)的迫切需求。

1 旋轉式藍莓機械采摘機的設計

1.1 采摘機技術研究現(xiàn)狀

藍莓屬于林果，林果的成熟期較短，采收時節(jié)相對集中，且采摘過程勞動強度大。目前林果采摘應用最多的機械采摘方法即振動法。振動式機械采摘又分為氣力式、連續(xù)式、撞擊式和接觸式四種。在國內應用機械方法對林果進行采摘的有東北農業(yè)大學王業(yè)成等對黑加倫的采摘[7]，新疆農墾學院農機研究所對紅棗和核桃的采摘都取得了較好的采摘效果[8]。應用機械法對林果采摘主要解決的問題有果實的采凈率、果實的損傷度以及對果樹的損傷度。國內目前還沒有對藍莓采摘機進行研究的知識產權和相關專利。本文所設計的采摘機是旋轉接觸式采摘機應用振動原理對藍莓果實進行批量采摘。

1.2 旋轉式藍莓采摘機的機械系統(tǒng)設計

機械采收在美國、西班牙等一些國家的果園應用較為普遍[9]。美國的采收技術相對成熟，主要應用于成排果樹的采收，與以往的采收機相比大大縮短了采收時間。美國種植的藍莓主要是南方高叢藍莓，藍莓植株較高大都在1.5 m以上，果實相對較大，藍莓果皮相對較厚。黑龍江省以種植北方高叢藍莓為主，其植株與南方高叢藍莓植株相比較矮，且果皮相對較薄。因此我們在進行藍莓采摘機的設計時主要針對我省種植藍莓植株的特點進行設計，美國的藍莓采摘機結構僅作為參考。旋轉式藍莓采摘機車架是門式結構，在采摘過程中它橫跨藍莓植株，并按照藍莓植株列的方向前進。根據藍莓生長狀況和植株壟距，藍莓采摘機的整體結構較大，但采摘空間相對不大。采摘機由轉向控制部分、驅動控制部分、采摘部分、裝箱部分和雜質分離部分等組成。圖1所示為去掉蒙皮、液壓系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)等部分的采摘機三維圖形。只保留了與采摘干涉和軌跡規(guī)劃有關的部分。

圖1 藍莓采摘機框架結構示意圖

旋轉式藍莓采摘機的采摘部分模仿人的手指外形，將其稱為振動指棒。振動指棒的外部包裹塑膠材料，工作時指棒處于旋轉狀態(tài)穿透藍莓灌木叢，對灌木叢進行振動搖晃，以便于對藍莓果進行有效采摘。旋轉式采摘是機械采摘方式中較為輕柔的采摘方式，采摘指棒對藍莓灌木叢的振動搖晃都是可以按照不同的地面條件進行調節(jié)的，以便使采摘的藍莓果實質量較高。采摘指棒還可以設計成頻率可調的擺動式。在指棒工作過程中，可以進行頻率轉換通過擠壓及振動兩種施力方式把成熟的果實采摘下來。并針對不同植株的灌木叢選擇不同的振動頻率。

藍莓采摘機主要由旋轉塑膠棒、捕捉板、收割機隧道和輸送帶這四個機械部件對藍莓果實進行收獲，如圖2所示。圖中虛線表示藍莓(圓點)在機械收獲過程中的一個典型的運動軌跡。圓點表示在收獲藍莓時，藍莓在收割機上運動的不同位置。旋轉式機械收割機有兩個主軸，每根主軸上都安置16個圓形安裝盤，每個安裝盤上都均布18個塑膠指棒。采摘機的駕駛員或操作員可對塑膠指棒的振動頻率進行設定，但指棒自身不能做旋轉運動。當收割機向前移動時，兩個帶有振動指棒的主軸進行旋轉，將藍莓灌木叢推開。采摘下的果實跌落到傾斜的捕捉板上，然后藍莓果經傳輸帶將被傳送到藍莓采摘機兩側的收集箱中。大多數(shù)的機械式采摘機更適用于采摘像桔子這類帶有較厚果皮的果實，從植株上采摘經傳輸帶傳輸再到收集箱中整個采摘過程中，果實相對完好度較高，而藍莓果是非常容易被擦傷的[10]。Pengcheng Yu等人2012年最新研究結果顯示機械采摘的捕捉板對藍莓漿果的機械沖擊影響占30%以上，空的水果收集箱占20%，傳輸帶上的撞擊和振動指棒一共產生的影響只占機械沖擊影響的25%[11]。目前藍莓機械采摘技術相對先進的是美國，Korvan公司生產的采摘機，其采摘時的行進速度保持在1.85 km/h，旋轉主軸的速度是600 r/min[12]。因此，我們在進行藍莓采摘機設計時將捕捉板的材質選用彈性較好的蜂窩硅膠，這樣可以有效緩解在采摘后藍莓果從植株到塑膠指棒再到捕捉板的機械沖擊。并根據北方藍莓果實果皮相對較薄的特點將采摘試驗時采用的行進速度保持在0.4 km/h，旋轉主軸的速度是400 r/min。

圖2 藍莓機械采摘機示意圖

2 旋轉式機械采摘的機理分析

2.1 藍莓果實振動采摘原理分析

采摘機開始工作，采摘機主軸進行旋轉運動，塑膠指棒攪動藍莓植株冠層，植株的枝條則被旋轉的主軸分開到采摘機的兩側器壁。一部分藍莓果實則在塑膠指棒的攪拌下脫離植株，另一部分則隨旋轉的主軸多次受指棒攪動在采摘機的器壁附近脫離植株。指棒多次反復拍打藍莓枝條，對藍莓枝條上果實所產生的振動響應為

f(t)=Asin(ωt+φ)·e-ξωt

(1)

式中A——振動幅值/m；

ω——振動頻率/rad/s；

φ——初始相位角/rad；

ξ——阻尼比。

對式(1)求解二階導數(shù)，得

f″(t)=A[ω2-(ξω)2]sin(ωt+φ)·e-ξωt

(2)

由牛頓第二定律得到作用于藍莓果實上的最大慣性力為

F慣=m0Aω2

(3)

式中m0——藍莓果實質量/kg。

當F慣≥F采摘力時，便可使藍莓果實脫落，實現(xiàn)藍莓果實采摘。

實際上，藍莓植株質量是連續(xù)分布的，它屬于多自由度振動系統(tǒng)，最后作用于藍莓果實所形成的振動響應為

(4)

因此得到作用于藍莓果實上的最大慣性力為

(5)

當F實慣≥F采摘力時，即可實現(xiàn)藍莓果實的采摘。

2.2 藍莓植株系統(tǒng)振動分析

應用機械系統(tǒng)采摘藍莓時，機械對果實的傷害率高，并且機械收獲的果實不宜于進行長期的冷藏保存且保鮮期短[13]。 因此，旋轉式藍莓采摘機設計時主要將采摘力作用于藍莓枝干，通過機械系統(tǒng)所產生的振動實現(xiàn)果實與枝條的分離，盡量減少機械系統(tǒng)直接觸碰果實。建立藍莓植株系統(tǒng)的振動模型最終目標是為計算機械系統(tǒng)所產生的振動響應輸出所產生的采摘力，并將其與最小采摘力進行比較分析，得到藍莓果采摘所需的臨界響應。

用數(shù)學模型來描述藍莓植株是比較復雜的，需對其簡化。藍莓果實主要在藍莓植株的側枝，而側枝是變質量、變截面的，又由于結果期果實主要集中于枝條端部會形成側枝彎垂。故將側枝假設為多自由度、變截面的剛性—彈性變形體。則有

(6)

式中z1——樹枝上表面坐標；

z2——樹枝下表面坐標；

A1——橫截面積；

A2——橫截面積；

β——藍莓樹枝面積衰減率。

在任意一點z處的截面積為

A(z)=βz

(7)

式中A(z)——藍莓枝條任意一點z處的橫截面積。

線密度為

ρ(z)=ρ0A(z)=ρ0βz

(8)

式中ρ0——藍莓枝條密度；

ρ——藍莓枝條任意一點z處的線密度。

轉動慣量為

(9)

式中I(z)——藍莓樹枝任意一點z處的轉動慣量。

應用以上假設得到藍莓側枝為密度恒定、質量均勻變化的彈性體，屬于連續(xù)振動系統(tǒng)，需要無限多個坐標描述其運動，藍莓側枝受力振動輸出響應為偏微分方程形式。

采摘實驗對象為“北陸”藍莓，對枝條施加載荷求解其振動響應。表1為藍莓枝條具體參數(shù)。旋轉式采摘機施加藍莓植株的激振力可分解為軸向和徑向兩個方向，表2為藍莓側枝受振動時輸出的響應。

表1 “北陸”藍莓枝條具體參數(shù)值

表2 藍莓側枝激振力——位移表

3 試驗結果分析

3.1 采摘力測量

表3 采摘力測量

旋轉式采摘機主要應用機械系統(tǒng)產生的振動將果實與枝條分離，并將其進行現(xiàn)場采摘試驗。在試驗過程中，收集箱中可見非成熟果實、成熟果實和樹葉。將三者與枝條分離的力進行測量，其結果見表3所示。從測量數(shù)據可看出，三者從枝條上分離的力大小是不同的。在藍莓結果期進行采摘時，通過控制采摘力的大小，可實現(xiàn)熟果的機械化采摘，大大提高采收效率。

3.2 采摘路徑進行規(guī)劃

采摘機整體較大且需橫跨于藍莓植株，因此在進行采摘作業(yè)時它不能像行駛的汽車那樣可以隨意改變方向，只能左右小范圍內進行轉向，且在轉彎時要有較大的轉彎半徑，否則容易發(fā)生車體側翻。在進行直線行走時，也需及時矯正偏斜，幾乎需要隨時調整方向，否則藍莓采摘機后踏板會壓倒藍莓植株，并劃傷樹根。圖3為采摘機后踏板壓倒樹叢的情況，圖示中的右后踏板壓倒樹叢后通過。圖4為藍莓采摘機采摘過后對藍莓樹根的損傷情況。

圖3 藍莓采摘機壓倒樹叢

圖4 被劃傷的樹根

4 結論

依據機器自身特點和試驗結果分析得出，為有效降低藍莓采摘成本、提高采摘率、減少對植株劃傷和果實損傷需在設計時加強的環(huán)節(jié)主要有：

(1)在進行藍莓采摘作業(yè)時，采摘機的運行路徑以直線為主，大角度轉向情況較少，可以應用電動助力轉向系統(tǒng)(EPS)來替代目前的液壓轉向系統(tǒng)，電動機只在轉向時才工作，不轉向時幾乎沒有動力消耗，使采摘車體具有更高的燃油經濟性；(2)藍莓采摘時需對采摘路徑進行規(guī)劃，需要考慮到采摘機車體的尺寸與藍莓植株尺寸、植株間距離、壟距間安全距離等因素以免采摘機刮傷植株；

(3)采摘機的工作部件塑膠指棒、門式框架擋板盡量都選用彈性較好的材料，最大程度的減少機械沖擊影響，以減少對果實和果樹的損傷；

(4)盡量減小果實跌落的高度或改善捕捉板、傳輸帶的表面材料對藍莓果實所造成的損傷。

只有更多的了解采摘機與藍莓果之間的相互作用，才能為以后更好的設計機械采摘機提供思路也可以為市場提供質量更好的新鮮漿果。

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TheDesignandTestoftheNorthernHighBushBlueberryPickingMachine

FAN Chang-sheng,LI Zhi-peng,GUO Yan-ling

(Northeast Forestry University,Harbin 150040,China)

The manual harvesting increased labor costs and the low production efficiency are the major challenges of blueberry industry. The key to solve this problem is to improve the mechanical harvesting technology. This paper designs a rotary mechanical picking machine. First of all, this paper analyzed the actuality of the existing mechanical fruit picking device, put forward the design structure of rotary blueberry picking machine, and calculate the excitation force that made the fruit and branch separated based on the mechanical vibration theory, using the northern high bush blueberry as test subjects for picking test, the test results are analyzed,which puts forward the strengthening links to improve the picking rate and reduce the plant and fruit injury required in the design.

northern high bush blueberry；mechanical harvester;rotary mechanical picking machine;vibratory

2013-02-27修訂稿日期2013-05-15

國家林業(yè)局948項目(2011-4-21)

范長勝(1974～)，男，博士生，工程師，主要從事機電一體化，農業(yè)機器人研究。

TH113.2+4

A

1002-6339 (2014) 01-0083-04