基于平衡振動(dòng)原理的櫻桃采摘設(shè)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(ài)的水果，但是當(dāng)前櫻桃采摘的機(jī)械化程度較低，導(dǎo)致整個(gè)采摘過(guò)程需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，這就增加了采摘的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且還會(huì)在一定程度上提高櫻桃的價(jià)格。因此，為了提高櫻桃的采摘效率，本文通過(guò)將平衡振動(dòng)原理運(yùn)用于櫻桃采摘設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)而能夠設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便利以及使用安全的櫻桃采摘設(shè)備，從而能夠提高櫻桃的采摘效率，對(duì)于從事相關(guān)設(shè)計(jì)工作的技術(shù)人員具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 平衡振動(dòng);櫻桃;采摘

項(xiàng)目名稱：利用局部振動(dòng)原理的輕量化櫻桃采摘收集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2018年天津市“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201810066029）

前言

櫻桃采摘是一個(gè)非常耗時(shí)費(fèi)力的過(guò)程，需要果農(nóng)付出大量的時(shí)間與精力，當(dāng)前國(guó)內(nèi)的櫻桃采摘尚沒(méi)有實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并且千差萬(wàn)別，進(jìn)行機(jī)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(duì)采摘的機(jī)械設(shè)備提出了非常高的要求。因此，為了改善當(dāng)前櫻桃采摘效率較低的不利局面，就需要設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便的采摘設(shè)備，進(jìn)而降低果農(nóng)的采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度，提高采摘效率，從而促進(jìn)櫻桃種植業(yè)的不斷發(fā)展壯大。

采摘設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成

本文所設(shè)計(jì)的采摘設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便利以及制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行推廣使用。其主要包括：傳送帶、震動(dòng)臂、反彈彈簧、執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(wěn)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(nèi)。當(dāng)果農(nóng)驅(qū)動(dòng)操作手柄的時(shí)候，通過(guò)給主動(dòng)搖桿施加動(dòng)力，可驅(qū)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(guò)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(jìn)櫻桃筐里面。

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)形式組合而成，通過(guò)壓力傳感器能夠?qū)A緊力進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)液壓夾緊裝置進(jìn)行有針對(duì)性的控制調(diào)整，進(jìn)而確保夾具能夠?qū)崿F(xiàn)夾緊固定樹木的目的，同時(shí)，還能避免夾緊力過(guò)大導(dǎo)致樹木的損傷。傳感器對(duì)夾緊裝置的控制是通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)夾具所提供的夾緊力超過(guò)規(guī)定的范圍后，傳感器就會(huì)發(fā)出信號(hào)，繼電器就會(huì)斷電，進(jìn)而對(duì)樹木起到保護(hù)作用。在實(shí)際的使用過(guò)程中，需要結(jié)合不同的樹木，對(duì)夾緊力進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)節(jié)，在確保夾緊的同時(shí)，避免對(duì)樹木造成損傷。

力臂部分

采摘設(shè)備的力臂與夾具之間通過(guò)剛性方式進(jìn)行牢固的連接，進(jìn)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(dāng)夾具夾緊櫻桃樹后，就對(duì)其進(jìn)行了可靠固定，確保了力量的穩(wěn)定傳輸。設(shè)置在力臂后部的可調(diào)頻振動(dòng)電機(jī)（頻率視樹木尺寸而定）通電后，就會(huì)按照預(yù)先設(shè)計(jì)的頻率進(jìn)行振動(dòng)，進(jìn)而能夠帶動(dòng)力臂以相同的頻率振動(dòng)，通過(guò)力臂就能將振動(dòng)進(jìn)一步傳輸至櫻桃樹，從而實(shí)現(xiàn)振落櫻桃果實(shí)的目的。此外，由于力臂工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)，這就對(duì)力臂與夾具之間的連接提出了較高的要求，在實(shí)際的連接過(guò)程中，要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)全面的檢測(cè)，確保其能夠承受相應(yīng)的振動(dòng)。

支撐部分

采摘設(shè)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(fù)責(zé)力的傳輸和固定的作用，而鋼纜則負(fù)擔(dān)著柔性約束的目的，進(jìn)而能夠最大限度的減輕結(jié)構(gòu)重量，方便操作人員的使用。通過(guò)鋼材的有效支撐，能夠?qū)⒘Ρ鄹叨裙潭ㄔ谠O(shè)置好的位置處，為櫻桃的順利采摘建立良好的基礎(chǔ)。通過(guò)鋼纜的柔性束縛，能夠?qū)崿F(xiàn)力臂的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而提高力臂的靈活性，讓采摘設(shè)備的操作更加便捷。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要結(jié)合剛性鋼材的具體尺寸，優(yōu)選適宜的鋼纜長(zhǎng)度，避免鋼纜太長(zhǎng)傷人和太短影響力臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。

收集部分

采摘設(shè)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(guò)兩者的密切配合能夠快速將振落的櫻桃進(jìn)行收集匯聚，大大減輕采摘工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。其中，傳送帶主要是由傳送帶本體和鼓風(fēng)裝置兩部分按照一定的結(jié)構(gòu)形式組合而成，鼓風(fēng)機(jī)能夠?qū)⒌袈涞臋烟覅R集在一起，并且還能有效去除其中的落葉，傳統(tǒng)帶則主要負(fù)擔(dān)著櫻桃果實(shí)的傳輸，將匯集成堆的果實(shí)輸送至指定的位置處。在實(shí)際的工作過(guò)程中，鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)力大小，需要結(jié)合櫻桃果實(shí)的重量進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)節(jié)，進(jìn)而確保風(fēng)力能夠滿足吹動(dòng)櫻桃果實(shí)的目的。

實(shí)際應(yīng)用

為了驗(yàn)證該設(shè)備的可靠性，在理論分析與計(jì)算的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作了櫻桃采摘設(shè)備實(shí)物，并對(duì)所制作的實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。為驗(yàn)證該采摘設(shè)備的使用效果，使用本設(shè)備在櫻桃園中與采摘人員同時(shí)采摘，對(duì)采摘效果進(jìn)行比較。為了簡(jiǎn)化對(duì)比分析，只對(duì)單棵櫻桃樹的采摘進(jìn)行對(duì)比分析，兩組的采摘結(jié)果如下所示。

根據(jù)上表能夠看出，該裝置的平均采摘速率為54個(gè)/min，而人工僅為46個(gè)/min，并且人工效率還會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)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(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。

結(jié)語(yǔ)

總而言之，為了降低櫻桃采摘過(guò)程中的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高采摘效率，通過(guò)將平衡振動(dòng)原理運(yùn)用于櫻桃采摘設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中，能夠提高設(shè)備的設(shè)計(jì)質(zhì)量，并且在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中也具有較高的采摘效率，有助于促進(jìn)櫻桃采摘效率的提高。

參考文獻(xiàn)

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