全液壓振動(dòng)式紅棗采摘設(shè)備的設(shè)計(jì)和研究

魯澤超， 史 勇,2*， 肉 孜·阿木提,2， 蘇浩毅， 王 旭

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052;2. 新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆烏魯木齊 830052)

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全液壓振動(dòng)式紅棗采摘設(shè)備的設(shè)計(jì)和研究

魯澤超1， 史 勇1,2*， 肉 孜·阿木提1,2， 蘇浩毅1， 王 旭1

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052;2. 新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆烏魯木齊 830052)

摘要紅棗采摘作業(yè)是林果業(yè)生產(chǎn)中非常重要的環(huán)節(jié)。紅棗采摘機(jī)械的使用可以解決人工采摘紅棗時(shí)所出現(xiàn)的勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高等不足。將液壓技術(shù)應(yīng)用到紅棗采摘機(jī)械設(shè)備中,可使設(shè)備具有傳遞功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)出一種全液壓振動(dòng)式紅棗采摘設(shè)備，依靠液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)偏心裝置使其產(chǎn)生振動(dòng)來(lái)完成紅棗的采摘，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、操作方便，可為同類(lèi)型林果類(lèi)采摘設(shè)備的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞全液壓；振動(dòng)；紅棗采摘；設(shè)計(jì)

紅棗是一種營(yíng)養(yǎng)佳品，被譽(yù)為“百果之王”，其營(yíng)養(yǎng)保健作用在遠(yuǎn)古時(shí)期就被人們發(fā)現(xiàn)并利用。新疆是我國(guó)紅棗的主要生產(chǎn)地，紅棗種植面積大、產(chǎn)量高，但是大多數(shù)仍采用人工采摘方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高，在收獲期容易出現(xiàn)勞動(dòng)力緊缺，使紅棗不能及時(shí)收獲，嚴(yán)重影響新疆紅棗產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[1-2]。

目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了各類(lèi)振動(dòng)式紅棗采收機(jī)械的研制工作，研究表明，通過(guò)搖振樹(shù)枝或樹(shù)干實(shí)現(xiàn)對(duì)紅棗的采收是可行的[3]。振動(dòng)式采摘設(shè)備主要分為偏心振動(dòng)式、曲臂連桿式、氣力振動(dòng)式等，其中偏心振動(dòng)式的紅棗采摘設(shè)備體積更小，工作更加平穩(wěn)，采摘效率更高。新疆大部分果園都采用矮化密植模式，機(jī)械化作業(yè)的空間較小，作業(yè)條件差，因此國(guó)外的大型采收機(jī)械都不適合新疆地區(qū)紅棗的采收[4]。國(guó)內(nèi)針對(duì)矮化密植果園采摘類(lèi)機(jī)械的研制也做了大量研究。新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制了4YS-24型紅棗收獲機(jī)，該設(shè)備采摘效率雖然較高，但是要求樹(shù)干的夾持高度在80 cm以上[5]。石河子大學(xué)的孫雨等研制了4ZZ-4型全液壓驅(qū)動(dòng)自走式紅棗收獲機(jī)[6]，該設(shè)備雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手振動(dòng)的振幅和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

筆者針對(duì)新疆地區(qū)果園矮化密植模式的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種全液壓振動(dòng)式紅棗采摘設(shè)備，利用偏心塊正反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激振力實(shí)現(xiàn)對(duì)棗樹(shù)的搖振，完成對(duì)紅棗的采摘。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)合理，可以實(shí)現(xiàn)偏心塊的振幅和頻率調(diào)節(jié)，適合矮化密植式果園中紅棗的采摘。

1總體方案和設(shè)計(jì)要求

1.1總體方案全液壓振動(dòng)式紅棗采摘機(jī)的設(shè)計(jì)需要充分發(fā)揮機(jī)械及液壓技術(shù)的特性，最大限度地利用機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓裝置對(duì)紅棗進(jìn)行采摘并且保證采摘的質(zhì)量和采凈率。機(jī)械化采摘是整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)里的重要部分，所以紅棗機(jī)械化采摘機(jī)技術(shù)研究是未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)。

該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求是結(jié)合新疆紅棗采摘的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一種專(zhuān)用的液壓式紅棗采摘機(jī)，該設(shè)備既能通過(guò)激振力的方式實(shí)現(xiàn)水果的采摘收獲，同時(shí)，機(jī)械本身還具有舉升和回轉(zhuǎn)裝置，利用液壓缸和相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工作裝置的舉升和回轉(zhuǎn)。對(duì)采摘設(shè)備的要求是：在振動(dòng)采摘過(guò)程中應(yīng)減少對(duì)樹(shù)枝的折斷，能夠?qū)φ駝?dòng)裝置的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，振動(dòng)裝置與配套動(dòng)力機(jī)械應(yīng)能夠相互協(xié)調(diào)。

1.2設(shè)計(jì)要求具體設(shè)計(jì)要求如下：①振動(dòng)液壓馬達(dá)的頻率調(diào)節(jié)范圍為0~25 Hz。②適用果樹(shù)主干直徑為90~400 mm。③夾持主干位置最低距離地面高度為0.6 m。④適用果樹(shù)行距為2.0 m以上的果園，以滿(mǎn)足密植果園作業(yè)空間小的要求。⑤采摘機(jī)采用帶有后置動(dòng)力輸出軸的拖拉機(jī)牽引，配套牽引拖拉機(jī)動(dòng)力范圍為15~35 kW。

2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

注：1.夾持手臂；2.振動(dòng)液壓馬達(dá)；3.伸縮液壓缸；4.伸縮大臂；5.舉升液壓缸；6.回轉(zhuǎn)底座；7.液壓泵；8.液壓油箱；9.支撐架；10.操控臺(tái)；11.振動(dòng)箱；12.夾持液壓缸；13.回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)；14.牽引架。Note: 1. Clamp arm; 2. Vibration hydraulic motor; 3. Telescopic hydraulic cylinder; 4. Telescopic boom; 5. Lifting hydraulic cylinder; 6. Rotary base; 7. Hydraulic pump; 8. Hydraulic oil tank; 9. Carriage; 10. Control console; 11. Vibrating case; 12. Clamping hydraulic cylinder; 13. Rotary hydraulic motor; 14. Traction frame.圖1　全液壓振動(dòng)式紅棗采摘機(jī)總裝圖Fig.1　General assembly drawing of full hydraulic vibration type red jujube picking equipment

2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采摘機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由激振機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)架組成，采摘機(jī)采用拖拉機(jī)后牽引。激振機(jī)構(gòu)包括偏心輪、帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)的振動(dòng)液壓馬達(dá)和振動(dòng)箱。夾持機(jī)構(gòu)包括固定夾持手臂和夾持液壓缸。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由伸縮液壓缸、伸縮大臂、舉升液壓缸、液壓泵、輸油管以及液壓閥等組成?？傃b圖如圖1所示。2.2工作原理全液壓振動(dòng)式紅棗采摘機(jī)是基于通過(guò)對(duì)果樹(shù)主干施加機(jī)械振動(dòng)，使果樹(shù)產(chǎn)生受迫振動(dòng)，從而帶動(dòng)果實(shí)做加速運(yùn)動(dòng)，果實(shí)產(chǎn)生的慣性力大于果實(shí)與樹(shù)枝的結(jié)合力時(shí)，果實(shí)就會(huì)從樹(shù)上掉落[7]。

該設(shè)計(jì)的源動(dòng)力為牽引拖拉機(jī)后置動(dòng)力輸出軸。牽引拖拉機(jī)將動(dòng)力傳輸至后置動(dòng)力輸出軸，然后，動(dòng)力輸出軸與萬(wàn)向聯(lián)軸器相連的液壓泵連接，通過(guò)液壓泵將油壓分別傳遞到振動(dòng)總成中的振動(dòng)液壓馬達(dá)及各液壓元件。

工作時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)舉升液壓缸的伸縮，使夾持機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)到夾持樹(shù)干的合適高度位置。通過(guò)調(diào)節(jié)伸縮液壓缸，同時(shí)推出伸縮大臂中的加長(zhǎng)臂帶動(dòng)振動(dòng)箱向外伸縮。當(dāng)振動(dòng)箱調(diào)節(jié)到適合夾持樹(shù)干的位置時(shí)，調(diào)節(jié)振動(dòng)箱下部的調(diào)平油缸，使夾持機(jī)構(gòu)保持水平。調(diào)節(jié)夾持液壓缸的伸縮，使夾持手臂水平夾持住主干，隨后啟動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，偏心輪產(chǎn)生的激振力通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)傳遞給果樹(shù)主干，使果樹(shù)產(chǎn)生一定頻率及振幅的受迫振動(dòng)(圖2)。

圖2　全液壓式紅棗采摘機(jī)工作圖Fig.2　Working drawing of full hydraulic vibration type red jujube picking equipment

2.3設(shè)計(jì)功能該紅棗采摘設(shè)備設(shè)計(jì)的主要功能如下：①控制振動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，可帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)后振動(dòng)，帶動(dòng)振動(dòng)箱振動(dòng)樹(shù)干。②控制偏心輪的旋轉(zhuǎn)方向，可調(diào)節(jié)振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率。③控制大臂的舉升高度，可調(diào)節(jié)夾持手臂對(duì)不同高度樹(shù)木的夾持位置。④控制大臂的伸出長(zhǎng)度，可對(duì)工作半徑內(nèi)的樹(shù)木進(jìn)行采摘，減少采摘機(jī)移動(dòng)次數(shù)。⑤控制回轉(zhuǎn)底座的旋轉(zhuǎn)角度，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘機(jī)左右兩側(cè)的果樹(shù)進(jìn)行采摘。

3主要零部件的設(shè)計(jì)

3.1振動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)振動(dòng)機(jī)構(gòu)是將動(dòng)力源的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)換并輸出與傳遞的裝置，根據(jù)振動(dòng)產(chǎn)生原理，振動(dòng)機(jī)構(gòu)可分為三大類(lèi)，即偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)、軸向振動(dòng)機(jī)構(gòu)和多邊形沖擊機(jī)構(gòu)。

全液壓式紅棗采摘機(jī)采用偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)，其激振力來(lái)自其內(nèi)部的偏心輪作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的離心力。所以，偏心輪是振動(dòng)機(jī)構(gòu)最主要的元素之一。

該設(shè)計(jì)采用偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)，有2種工作模式：一是高頻低振幅模式(圖3)，二是低頻高振幅模式(圖4)。2種模式是通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)液壓馬達(dá)(圖5)旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行切換，2種模式的切換增加了可采摘果樹(shù)的適用范圍，同時(shí)減少了單一模式對(duì)小樹(shù)的損傷。振動(dòng)箱裝配圖如圖6所示。

3.2夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)采摘機(jī)夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)主要是夾緊力，夾緊力控制的大小都會(huì)影響到樹(shù)干，進(jìn)而影響采摘效果。夾緊力不足，會(huì)對(duì)樹(shù)干夾持不緊，影響激振力的傳遞；夾緊力過(guò)大，會(huì)對(duì)樹(shù)干的樹(shù)皮以及其他結(jié)構(gòu)組織造成不同程度損傷。為了保護(hù)果樹(shù)，因而在能保證可靠夾緊的情況下，應(yīng)使夾緊力適當(dāng)[7]。

圖3　偏心輪高頻低振幅模式Fig.3　High frequency low amplitude mode of eccentric wheel

計(jì)算夾緊力時(shí)參照機(jī)器人手部夾緊力的計(jì)算公式：

F≥K1K2K3G

式中,F為夾緊力(N)；K1為安全系數(shù)；K2為工作情況系數(shù)；K3為方位系數(shù)；G為采摘頭所受的重力。

計(jì)算時(shí)取K1=1.5；由于果樹(shù)是靜態(tài)的，所以取K2=1；取K3=1.25；利用UG軟件對(duì)采摘頭進(jìn)行建模，并且對(duì)其質(zhì)量屬性進(jìn)行分析，得到其質(zhì)量為100 kg，采摘頭所受的重力G=100×10=1 000N，計(jì)算夾緊力為：

F≥1.5×1.25×1 000=1 875 N

圖4　偏心輪低頻高振幅模式Fig.4　 Low frequency and high amplitude mode of eccentric wheel

圖5　振動(dòng)液壓馬達(dá)Fig.5　Vibration hydraulic motor

圖6　振動(dòng)箱裝配Fig.6　Vibration box assembly

4液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

全液壓振動(dòng)式紅棗采摘設(shè)備的液壓系統(tǒng)采用多回路控制[8]，如圖7所示。其動(dòng)力元件為液壓泵(變量葉片泵)，由牽引拖拉機(jī)的后置動(dòng)力輸出軸通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器帶動(dòng)，液壓油缸控制回路采用多路換向閥并聯(lián)的方式，利用6個(gè)換向閥控制4組液壓缸和2個(gè)液壓馬達(dá)的動(dòng)作。其中，總閥是兩位兩通換向閥，做為整套液壓系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)；圖7中編號(hào)5、10、15的控制閥是三位四通O型換向閥，分別控制著大臂舉升液壓缸、大臂伸縮液壓缸、振動(dòng)箱調(diào)平液壓缸；圖7中編號(hào)19、23、27的控制閥是三位四通型Y型換向閥，分別控制振動(dòng)箱的2個(gè)夾持手臂動(dòng)作的液壓缸，以及驅(qū)動(dòng)振動(dòng)液壓馬達(dá)和回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)。溢流閥用來(lái)調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)的壓力，使系統(tǒng)具有較為穩(wěn)定的壓力。

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)很多，與電氣傳動(dòng)相比，液壓系統(tǒng)工作比較平穩(wěn)，由于重量輕、慣性小、反應(yīng)快，液壓裝置易于實(shí)

注：1.油箱；2.總閥；3、8、13.減壓閥；4、6、9、11、14、16、18、20、22、24、26、28.節(jié)流閥；5.舉升控制閥；7.舉升液壓缸；10.伸縮控制閥；12.伸縮液壓缸；15.調(diào)平控制閥；17.調(diào)平液壓缸；19.夾緊控制閥；21.夾持液壓缸組合；23.回轉(zhuǎn)控制閥；25.回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)；27.振動(dòng)控制閥；29.振動(dòng)液壓馬達(dá)；30.溢流閥；31.液壓泵。Note: 1. Oil tank; 2. Master valve; 3, 8, 13. Pressure relief valve; 4, 6, 9, 11, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28. Throttling valve; 5. Lifting control valve; 7. Lifting hydraulic cylinder; 10. Telescopic control valve; 12. Telescopic hydraulic cylinder; 15. Leveling control valve; 17. Leveling hydraulic cylinder; 19. Clamping control valve; 21. Clamping hydraulic cylinder combination; 23. Rotary control valve; 25. Rotary hydraulic motor; 27. Vibration control valve; 29. Vibration hydraulic motor; 30. Overflow valve; 31. Hydraulic pump.圖7　液壓系統(tǒng)原理Fig.7　Hydraulic system principle

新構(gòu)建進(jìn)行研究，以期為蘇州市資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)綜合配套改革試驗(yàn)與城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施服務(wù)，為蘇州市城鎮(zhèn)村體系規(guī)劃和鎮(zhèn)村布局規(guī)劃的編制提供依據(jù)，并且為蘇州市鎮(zhèn)村的產(chǎn)業(yè)發(fā)展、農(nóng)村社區(qū)建設(shè)等提供模式借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙佩佩，顧浩，孫加鳳.新型城鎮(zhèn)化背景下城鄉(xiāng)規(guī)劃的轉(zhuǎn)型思考[J].規(guī)劃師，2010，30(4)：95-100.

[2] 彭震偉, 高璟.長(zhǎng)江三角洲地區(qū)小城鎮(zhèn)村鎮(zhèn)空間布局的影響因素及其作用機(jī)制[C]//城鄉(xiāng)規(guī)劃新思維.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007：278.

[3] 楊宏杰.蘇州城鄉(xiāng)地區(qū)空間管治研究[D].蘇州:蘇州科技學(xué)院, 2008:18.

[4] 張振龍.城鄉(xiāng)一體化規(guī)劃理論與實(shí)施機(jī)制研究:以蘇州市為例[J].現(xiàn)代城市研究, 2012(4): 15-20.

[5] 萬(wàn)艷華,艾志誠(chéng).三農(nóng)問(wèn)題與小城鎮(zhèn)規(guī)劃革新[J]．小城鎮(zhèn)建設(shè)，2004(6)：54-56.

[6] 蘇州市規(guī)劃局，蘇州規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司.蘇州市區(qū)鎮(zhèn)村布局規(guī)劃[A].2014.

[7] 楊新海,洪亙偉,趙劍鋒.城鄉(xiāng)一體化背景下蘇州村鎮(zhèn)公共服務(wù)設(shè)施配置研究[J].城市規(guī)劃學(xué)刊, 2013(3):22-27.

[8] 李強(qiáng)，嚴(yán)金明.武漢市城市邊緣區(qū)村鎮(zhèn)發(fā)展模式與土地利用政策研究[J].地理與地理信息科學(xué),2012，28(2):76-79.

[9] 趙書(shū)彬.風(fēng)景名勝區(qū)鎮(zhèn)村體系研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007:25.

Design and Research of Full Hydraulic Vibration Type Red Jujube Picking Equipment

LU Ze-chao1, SHI Yong1,2*，ROUZI·Amuti1,2et al (1. College of Mechanic and Traffic, Xinjiang Agricultural University, Urumqi, Xinjiang 830052; 2. Key Laboratory for Agricultural Engineering Equipment Innovative Design of Xinjiang, Urumqi, Xinjiang 830052)

AbstractRed jujube picking is a very important link in the production of fruit industry. The use of red jujube picking machine can solve problems of artificial picking jujube, such as high labor intensity, low efficiency and high cost. The hydraulic technology is applied to the red jujube picking machine, which can make the equipment has the advantages of high transmission power, simple structure, stable transmission and so on. In this paper, a kind of full hydraulic vibration type jujube picking equipment was designed, relying on the hydraulic system to drive an eccentric device to produce vibration to complete the jujube picking. The equipment has the advantages of simple structure, reasonable design, convenient operation, which can provide a certain reference for design and development of the same type of fruit picking equipment.

Key wordsFull hydraulic; Vibration; Red jujube picking; Design

收稿日期2015-12-07

作者簡(jiǎn)介魯澤超(1992- )，男，山東臨沂人，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械研究。*通訊作者，講師，從事農(nóng)產(chǎn)品加工、液壓傳動(dòng)與控制、數(shù)控技術(shù)等研究。

基金項(xiàng)目新疆維吾爾自治區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510758048)。

中圖分類(lèi)號(hào)S 225.93

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)02-313-03