往復(fù)式桑葉采摘機(jī)設(shè)計(jì)及采摘效益分析

胡迎春 ，閆　鑫，莊錦芳，牟向偉，廖　偉

(1.廣西師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 ，廣西 柳州　545006)

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往復(fù)式桑葉采摘機(jī)設(shè)計(jì)及采摘效益分析

胡迎春1，閆鑫2，莊錦芳2，牟向偉1，廖偉2

(1.廣西師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 ，廣西 柳州545006)

摘要：以實(shí)現(xiàn)機(jī)械采摘桑葉為目的，設(shè)計(jì)一款能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)桑葉采摘的往復(fù)式桑葉采摘機(jī)。桑葉采摘機(jī)包括往復(fù)式桑葉采摘裝置、桑枝定位裝置和行走裝置。為了使桑葉采摘機(jī)能夠準(zhǔn)確地完成桑枝定位、順利地進(jìn)行桑葉采摘，桑枝定位裝置對(duì)桑枝進(jìn)行定位，行走裝置帶動(dòng)桑葉采摘機(jī)運(yùn)動(dòng)至工作位置，之后由往復(fù)式桑葉采摘裝置進(jìn)行桑葉采摘。通過(guò)查閱文獻(xiàn)和調(diào)查，確定桑樹(shù)的生長(zhǎng)情況，結(jié)合往復(fù)式桑葉采摘機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行機(jī)械采摘桑葉的效益分析，得到機(jī)械采桑效率為422.4kg/h，采摘6.67hm2桑園所需費(fèi)用為2 093元。

關(guān)鍵詞：桑葉采摘機(jī)；效益分析；往復(fù)式

0引言

長(zhǎng)期以來(lái)，種桑養(yǎng)蠶一直在我國(guó)占據(jù)著重要的經(jīng)濟(jì)地位。現(xiàn)階段，我國(guó)的桑蠶生產(chǎn)模式已經(jīng)開(kāi)始轉(zhuǎn)為集中化生產(chǎn)[1-2]。然而，桑葉采摘的機(jī)械化程度依然不高，桑農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度很大[3-4]。近年來(lái)，我國(guó)陸續(xù)設(shè)計(jì)了幾款桑葉采摘機(jī)[5-9]，提高了桑葉采摘效率；但這些采摘機(jī)普遍自動(dòng)化程度不高，沒(méi)有減輕桑農(nóng)采摘桑葉的勞動(dòng)強(qiáng)度。為此，筆者設(shè)計(jì)了一款利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)完成桑葉采摘的機(jī)械產(chǎn)品[10-11]，主要由行走裝置、定位裝置和桑葉采摘裝置等組成。

1往復(fù)式桑葉采摘裝置設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

往復(fù)式桑葉采摘裝置由基架、皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、長(zhǎng)圓柱銷、上下運(yùn)動(dòng)塊、左右運(yùn)動(dòng)塊和刀具組成，如圖1所示。皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在機(jī)架上，長(zhǎng)圓柱銷和皮帶固接，隨著皮帶的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。上下運(yùn)動(dòng)塊與機(jī)架上設(shè)置的豎直導(dǎo)軌組成滑動(dòng)副相對(duì)于基架上下運(yùn)動(dòng)，中間開(kāi)有長(zhǎng)度大于皮帶輪直徑的矩形缺口，長(zhǎng)圓柱銷從該缺口中穿過(guò)，使上下運(yùn)動(dòng)塊隨著長(zhǎng)圓柱銷的運(yùn)動(dòng)做上下運(yùn)動(dòng)。上下運(yùn)動(dòng)塊表面設(shè)有橫向?qū)к墸笥疫\(yùn)動(dòng)塊通過(guò)橫向?qū)к壓蜕舷逻\(yùn)動(dòng)塊套接，相對(duì)于上下運(yùn)動(dòng)塊做左右運(yùn)動(dòng)。左右運(yùn)動(dòng)塊中間開(kāi)有長(zhǎng)度小于皮帶輪直徑的矩形缺口，長(zhǎng)圓柱銷從該缺口中穿過(guò)，當(dāng)長(zhǎng)圓柱銷隨著皮帶運(yùn)動(dòng)至兩個(gè)皮帶輪上方或下方時(shí)，將逆時(shí)針向左或者順時(shí)針向右運(yùn)動(dòng)，左右運(yùn)動(dòng)塊會(huì)隨著長(zhǎng)圓柱銷也向左或者向右運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。兩個(gè)基架并排放置，安裝有皮帶輪機(jī)構(gòu)的一面朝向同一側(cè)。圖1中，采摘桑葉時(shí)，左方皮帶做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右方皮帶做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1　桑葉采摘裝置

圖2　上下運(yùn)動(dòng)塊與左右運(yùn)動(dòng)塊

1.2桑枝定位裝置設(shè)計(jì)

桑枝定位裝置由間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、改向機(jī)構(gòu)、定位齒輪和定位桿組成，如圖3所示。桑枝定位裝置的間歇運(yùn)動(dòng)由槽輪機(jī)構(gòu)提供，槽輪機(jī)構(gòu)由撥輪和槽輪組成。其中，撥輪上設(shè)有2個(gè)撥針，槽輪上開(kāi)有4個(gè)槽，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)由皮帶輪傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)傳遞至撥輪后，槽輪在撥輪的帶動(dòng)下做間歇運(yùn)動(dòng)，且槽輪和撥輪旋轉(zhuǎn)1周所用的時(shí)間比率為2:1。槽輪帶動(dòng)改向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的改向由渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)完成。在采摘裝置下方配有定位裝置，定位裝置由2個(gè)齒輪、定位桿和定位抓組成。4個(gè)齒輪側(cè)面分別伸出1根短軸，定位桿上開(kāi)有孔與4根短軸配合。定位抓在定位桿的帶動(dòng)下隨著齒輪做圓周運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方式為平動(dòng)，行程與桑樹(shù)行距相等為40cm。定位抓處于初始位置時(shí)與刀具處于同一豎直面。

圖3　定位裝置

1.3行走裝置設(shè)計(jì)

行走機(jī)構(gòu)的動(dòng)力由采摘裝置通過(guò)錐齒輪傳動(dòng)提供，錐齒輪帶動(dòng)槽輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)行走輪的間歇運(yùn)動(dòng)。槽輪機(jī)構(gòu)的撥輪上設(shè)有1個(gè)撥針，槽輪上開(kāi)有4個(gè)槽，槽輪在撥輪的帶動(dòng)下做間歇運(yùn)動(dòng)，且槽輪和撥輪旋轉(zhuǎn)1周所用時(shí)間比率為4:1。槽輪帶動(dòng)1個(gè)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪又同時(shí)帶動(dòng)2個(gè)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)；T型桿隨著2個(gè)小齒輪做圓周運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)方式為平動(dòng)，另一端與行走輪套接，帶動(dòng)主動(dòng)輪做圓周運(yùn)動(dòng)。行走裝置如圖4所示。

1.4采摘過(guò)程分析

桑葉非均勻分布在桑枝四周，往復(fù)式桑葉摘裝置采用2個(gè)半圓環(huán)閉合式刀具包攏桑枝、自下而上運(yùn)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)桑葉的采摘。刀具處于初始位置A點(diǎn)時(shí)呈完全分開(kāi)狀態(tài)。桑葉采摘裝置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)后，左右兩邊的皮帶連接的長(zhǎng)圓柱銷在隨皮帶運(yùn)動(dòng)時(shí)，先帶動(dòng)左右運(yùn)動(dòng)塊向中心方向運(yùn)動(dòng)使兩個(gè)刀具閉合，然后向上運(yùn)動(dòng)至頂端B點(diǎn)時(shí)完成桑葉采摘；此時(shí)定位機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，定位抓在定位齒輪的帶動(dòng)下順時(shí)針做圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)長(zhǎng)圓柱銷再帶動(dòng)兩邊的左右運(yùn)動(dòng)塊分別向左、向右運(yùn)動(dòng)，使兩個(gè)刀具分開(kāi)，之后帶動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)塊向下運(yùn)動(dòng)；當(dāng)?shù)毒哌\(yùn)動(dòng)至C點(diǎn)時(shí)，行走機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，行走輪在T型桿的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)采摘機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，刀具繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)直至回到初始位置。采摘桑葉過(guò)程如圖5所示。

圖4　行走裝置

圖5　運(yùn)動(dòng)階段示意

2采摘效益分析

2.1采摘效率分析

有資料表明[12-16]，割刀切斷禾桿的最小刀速為0.6m/s。由于桑葉葉柄比禾稈更容易切斷，此處選取桑葉采摘刀具的最小速度v1=0.6m/s。皮帶輪直徑為d=0.4m，兩個(gè)皮帶輪中心距為a=1.2m。

記往復(fù)式桑葉采摘機(jī)采摘1棵桑樹(shù)的時(shí)間為t1，則有

采摘完1棵桑樹(shù)后，刀具分開(kāi)，往復(fù)式桑葉采摘機(jī)會(huì)在行走輪的帶動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng)至下一棵桑樹(shù)的收割位置，此時(shí)刀具回到初始位置。往復(fù)式桑葉采摘機(jī)的1個(gè)工作周期包括采摘完1棵桑樹(shù)并行走至下一棵桑樹(shù)的采摘位置，也就是一棵桑樹(shù)從定位到采摘完成所需時(shí)間為6s。

記桑葉收割機(jī)每小時(shí)可收割的桑樹(shù)的數(shù)量為k棵，則

許動(dòng)[17]在《圓筒形片葉采桑器的研究》一文中曾經(jīng)對(duì)桑園中桑枝上芽的數(shù)量進(jìn)行過(guò)調(diào)查，結(jié)果如表1所示。

表1　桑條上芽數(shù)調(diào)查

桑條上每片葉子有且僅有1個(gè)嫩芽，桑條上芽的數(shù)量可以認(rèn)為是桑條上桑葉的數(shù)量。記所有桑條上桑葉數(shù)量的均值為b片，則

據(jù)調(diào)查，每500g桑葉大約為146片。記每片桑葉的質(zhì)量為w克，則

w=500÷146=3.4(g)

取每棵桑樹(shù)可以生長(zhǎng)5棵桑枝，記每棵桑樹(shù)上面桑葉的重量為W，則

W=5wb=704g

記桑葉收割機(jī)每小時(shí)收割桑葉的質(zhì)量為G，則

G=Wk=422.4kg

根據(jù)調(diào)查，熟練桑農(nóng)每小時(shí)采桑質(zhì)量為15～30kg，以k1表示，取k1=30kg。記與手工采桑相比自動(dòng)采桑效率提高量為ε1，則

2.2經(jīng)濟(jì)效益分析

以一塊占地66.7hm2的桑園為例，該桑園大約為66 000m2，假設(shè)該桑園的長(zhǎng)寬分別為300m和22m。記桑園種下的桑樹(shù)為z棵，桑樹(shù)種植行距為0.8m，株距為0.4m，則

即一桑園種植的桑樹(shù)有20 625棵。記每0.67hm2桑園桑葉產(chǎn)量為W總，則

W總=20 625×W=14 520kg

1個(gè)熟練桑農(nóng)每小時(shí)可以采摘30kg桑葉[18],如果同時(shí)雇傭5個(gè)工人在桑園采摘桑葉，則5個(gè)工人每小時(shí)可以采摘150kg桑葉。

機(jī)器與工人均每天工作8h，記人工與機(jī)械將桑園的桑樹(shù)采摘完所用的時(shí)間分別為t人與t機(jī)，則

自動(dòng)收割機(jī)收割動(dòng)作功率為453W，持續(xù)34h。

整機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程為：由靜止加速至0.3m/s，向前運(yùn)動(dòng)0.4m后停止，以此循環(huán)，則收割0.67hm2地的桑樹(shù)該動(dòng)作共循環(huán)20 625次。查詢資料可得：輪胎與土地之間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)為f=2～10，由于桑園地面極不平整，取f=10，整機(jī)質(zhì)量m=600kg。記收割機(jī)收割0.67hm2地的桑園需要做功為E，則

=5×108J

其中，g為重力加速度，取g=10m/s2。

汽油的燃燒值為4.3×107J/kg，汽油機(jī)的熱效率大約為0.25。記采摘0.07hm2地需要xkg汽油,則

據(jù)調(diào)查，汽油現(xiàn)階段價(jià)格為7.31元/L，即10.44元/kg。記耗費(fèi)汽油的總價(jià)為m汽，則

m汽=46.7×10.44=487元

自動(dòng)桑葉收割機(jī)總造價(jià)估價(jià)11 802元，同類農(nóng)業(yè)機(jī)械第1年的折舊一般定位總造價(jià)的8/36。記自動(dòng)桑葉收割機(jī)收割桑園的折舊費(fèi)用為m折舊，則

大型桑園請(qǐng)桑農(nóng)采摘桑葉需要支付的工資大約為150元/天，記人工采摘66.7hm2桑園的費(fèi)用為m1，自動(dòng)采摘66.7hm2桑園的費(fèi)用為m2，則

m1=5×t人×150=18 000(元)

m2=t機(jī)×150+m汽+m折舊=2 093(元)

記自動(dòng)采摘比手工采摘節(jié)省費(fèi)用百分比為ε2，則

根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制表2，并對(duì)人工采桑和自動(dòng)采桑做比較。

表2　人工采桑與自動(dòng)采桑的比較

3結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種往復(fù)式桑葉采摘機(jī)，包括桑葉采摘裝置、桑葉定位裝置和行走裝置。其中，由桑枝定位裝置對(duì)桑枝進(jìn)行定位，再由行走裝置將桑葉采摘機(jī)帶動(dòng)至工作位置，最后由桑葉采摘裝置完成桑葉采摘。通過(guò)查閱文獻(xiàn)和調(diào)查，對(duì)桑葉采摘機(jī)的采摘效率和費(fèi)用進(jìn)行分析，并與人工采摘進(jìn)行比較，桑葉采摘機(jī)的采摘效率提高1 308%，每6.67hm2桑園節(jié)省采摘費(fèi)用88.3%。該機(jī)具有良好的應(yīng)用價(jià)值，可以為桑葉采摘機(jī)的后續(xù)研究提供一定的理論和應(yīng)用依據(jù)。

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Design of Reciprocating Machine of Picking Mulberry Leaves and Analysis of its Efficiency and Benefit

Hu Yingchun1, Yan Xin2, Zhuang Jinfang2,Mu Xiangwei1, Liao Wei2

(1.Teachers College for Vocational and Technical Education, Guangxi Normal University, Guilin 541004, China；2.College of Mechanical Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China)

Abstract：With the purpose of picking mulberry leaves mechanically, a reciprocating picking machine which can pick mulberry leaves automatically was designed. In order to locate ramulus moris’ positioning accurately and pick mulberry leaves smoothly, the reciprocating picking device, the ramulus mori locating device and the walking device formed a reciprocating picking machine. The ramulus mori locating device located ramulus moris, the walking device drove the mulberry leaf picking machine movement to work position, and then mulberry leaves were picked by the reciprocating picking device. The growth of mulberry was understood by literature and investigation, analyzed the efficiency and benefit of picking mulberry leaves by machine. The efficiency of picking mulberry leaves by machine was 422.4kg/h, the cost of picking 100 mu of mulberry field was 2093 Yuan. It has been provide the theoretical reference for picking mulberry leaves mechanically.

Key words：machine of picking mulberry leaves; analysis of efficiency and benefit; reciprocating

文章編號(hào)：1003-188X(2016)04-0076-04

中圖分類號(hào)：S223.92；S225.53

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：胡迎春(1971-)，女，廣西柳州人，教授，博士，(E-mail)hyc_leeds@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51205071)

收稿日期：2015-03-18