矮化小型林果采收裝置

姚思琦，唐德蓮，朱太龍

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 項(xiàng)目背景

根據(jù)“十三五”林果業(yè)發(fā)展規(guī)劃，為調(diào)整種植比例，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，將積極引導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)化商業(yè)矮化果園種植模式的推廣和實(shí)現(xiàn)果園管理機(jī)械化，而果類采摘工作在整個果園產(chǎn)業(yè)中占有重要地位，目前絕大多數(shù)還采用人工作業(yè)。

此勞動方式不僅勞動量大、勞動成本高，而且效率低、容易損傷果品，影響銷售。總體上林果采摘機(jī)構(gòu)的研究及使用情況仍不完善，以下幾種收采方式能夠完成采收過程，但仍有許多不足之處：①人工采摘過程勞動強(qiáng)度大，工作量大，勞動力的缺乏導(dǎo)致大量成熟的果實(shí)不能及時進(jìn)行采摘，收獲效率低。②現(xiàn)有的大型林果采收裝置適用于樹冠較大、樹干直徑較粗且操作空間較大的稀疏果園，不適用于我國如棗類、蘋果等林果低矮密植的種植方式，且價格昂貴，后期維護(hù)成本高，一般果農(nóng)無法接受。③現(xiàn)有收集裝置體積過大，對樹體行間距要求較大，折展比較小，不適用于現(xiàn)有矮化密植果園；在連續(xù)作業(yè)中操作不便，且不易托運(yùn)；裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺乏對樹體圍攏的適應(yīng)性。

為了解決以上問題，筆者設(shè)計了一種適用于矮化果園的矮化林果采收裝置及林果類采摘方法，結(jié)構(gòu)簡單合理且容易實(shí)現(xiàn)，采摘人員只需簡單的幾步操作即可輕松、方便地高效采摘，收集果類，同時能有效解決在盛果期果農(nóng)勞動強(qiáng)度大、人工成本高、果實(shí)采收不及時易腐爛等難題，對提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，促進(jìn)林果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要意義。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本設(shè)計是適用于在商業(yè)矮化果園輔助人工進(jìn)行果類采收作業(yè)的簡單機(jī)械裝置，經(jīng)過多種方案對比，最終采用環(huán)柱形折展收集裝置，其有良好的折展性，能滿足樹體間行間距的要求，符合現(xiàn)有矮化果園密植的種植特點(diǎn)，且展開后覆蓋面積較大，能夠快速有效地進(jìn)行果實(shí)的收集作業(yè)，提高工作效率。綜上所述，筆者選擇的方案為手持式、搖外杈、進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。本作品主要利用變比例剪叉連桿組實(shí)現(xiàn)空間折展，在較小體積及較短的施力行程條件下，靈活地使收集裝置由折疊收納狀態(tài)轉(zhuǎn)換為漏斗狀傘面以包圍樹干；利用鮑登線的柔性可變距離傳動原理結(jié)合空間機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性，使本采收機(jī)械適應(yīng)于不同果樹間的個體化差異和不同種類矮化果園，滿足了不同果園的采收需求。

2.2 機(jī)械部分設(shè)計

2.2.1 曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)

手輪輸入旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，經(jīng)同步帶增速后輸入到曲柄，帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄帶動導(dǎo)桿使與導(dǎo)桿連接的滑塊作往復(fù)運(yùn)動。可折疊曲柄搖桿主要的功能是為整體搖振模塊提供動力輸入，固定好綁帶后，人打開折疊桿并退到傘面外，通過擺動折疊桿作為搖桿，利用飛輪的慣性克服死點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)人的不完全旋轉(zhuǎn)到完整圓周運(yùn)動的轉(zhuǎn)化，并由鏈輪輸入到下一級。

曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)主要的功能是為整體搖振模塊提供動力輸入，利用差動式離合器實(shí)現(xiàn)兩對稱布置曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的不同時域往復(fù)運(yùn)動，操作方便、快捷。鏈輪將上一級旋轉(zhuǎn)輸入后，動力傳遞到對稱布置的曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，利用曲柄導(dǎo)桿的急回特性來快速拉樹，同時，由人工拉樹實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將行程速比設(shè)定為2時可以獲得最好拉樹效果。初始狀態(tài)處于最高點(diǎn)的曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)由于差動式離合器的存在，保持著120°的角度差，保證始終只有一個曲柄導(dǎo)桿處于力作用段，也就是急回段，可有效避免整體機(jī)構(gòu)應(yīng)力過大、應(yīng)力集中的問題。

2.2.2 鮑登雙向制動機(jī)構(gòu)

機(jī)構(gòu)主要利用鮑登線原理，一條鋼絲繩兩端通過螺紋分別與曲柄導(dǎo)桿裝置滑塊和定位用采摘桿內(nèi)管連接，鋼絲繩外的管套兩端則分別與采摘裝置前板面以及定位用采摘桿外管連接。當(dāng)連桿開始往復(fù)運(yùn)動，鋼絲繩將與管套發(fā)生相對運(yùn)動，鋼絲繩帶動采摘桿內(nèi)套往復(fù)運(yùn)動振拉樹枝。綜上，通過同步帶和曲柄導(dǎo)桿運(yùn)動特性，我們實(shí)現(xiàn)了裝置的兩級增速，通過鮑登雙向致動機(jī)構(gòu)將振動力傳遞至樹枝。當(dāng)人轉(zhuǎn)速為30 r/min，每分鐘樹枝可以被振搖60次，拉行程瞬時速度最快可以達(dá)到0.45 m/s，可以保證成熟果實(shí)的掉落。

2.2.3 傘形收集模塊

空間折展機(jī)構(gòu)具有良好的折展性能，易于攜帶，其在小型林果收集方面的應(yīng)用能夠解決收集裝置在移動過程中所占空間較大的問題，降低樹體間行間距的要求，符合現(xiàn)有果園矮化密植的種植特點(diǎn)，展開后覆蓋面積較大，能夠快速有效地進(jìn)行林果的收集作業(yè)，提高工作效率。最終決定采用機(jī)械式折展機(jī)構(gòu)與小型林果收集平臺相結(jié)合的方式。根據(jù)對矮化果園種植環(huán)境參數(shù)的分析，設(shè)計了收集裝置整體方案。裝置整體為倒傘式結(jié)構(gòu)，采用兩端支撐，扇形圍攏的方式，分為左右對稱兩個部分，剩余傘面連接驅(qū)動主機(jī)的連桿，人在退出傘面范圍時將連桿拉出，同時剩余傘面完成撐開。

環(huán)柱型折展收集模塊主要由環(huán)柱型變比例剪叉機(jī)構(gòu)、外翼折展裝置、四桿驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成。其通過空間連桿組的傘形展開，包圍果樹樹干，同時向外伸展出收集傘面，收集在此范圍內(nèi)掉落的果實(shí)。本收集裝置采用兩端支撐，左右傘形圍攏形成傘面的方式。收集模塊展開后收集半徑可達(dá)1.4 m，高度為0.83 m，折疊后半徑僅為0.4 m，高度約為0.65 m。

2.2.4 外翼折展裝置

因涉及成本及作業(yè)環(huán)境情況，折展機(jī)構(gòu)的設(shè)計不宜采用過于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，最常用的兩種折展機(jī)構(gòu)為平行四桿結(jié)構(gòu)和剪叉結(jié)構(gòu)。在折展機(jī)構(gòu)中，這兩種機(jī)構(gòu)存在有較為顯著的優(yōu)勢：機(jī)構(gòu)簡便、性能穩(wěn)定。最終確定小型林果收集裝置的折展性選擇為外翼折展機(jī)構(gòu)。外翼折展機(jī)構(gòu)折展的設(shè)計源于平行四桿結(jié)構(gòu)及剪叉臂結(jié)構(gòu)的結(jié)合性設(shè)計，配合空間直角三角形的穩(wěn)定傳遞性，將兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合性變換。

外翼折展裝置如圖1所示，當(dāng)驅(qū)動內(nèi)側(cè)連桿下壓張開時，折展裝置外撐形成傘面，而內(nèi)側(cè)連桿上拉時合攏時，折展裝置收縮折疊，減小空間體積。裝置內(nèi)側(cè)連桿連接環(huán)柱型折展剪叉機(jī)構(gòu)中豎直開合剪叉機(jī)構(gòu)中的剪叉，隨著空間變比例機(jī)構(gòu)的環(huán)形伸展，外翼傘骨向外伸展，傘面張開，形成收集傘面，收集掉落的果實(shí)。外翼折展傘面展開前半徑為0.12 m，展開后達(dá)1.2 m。

2.2.5 收集面設(shè)計

傘面整體成內(nèi)凹形，利于果實(shí)向底部的收集槽內(nèi)滾動，收集槽下方為收集用的收納箱，當(dāng)收納箱裝滿后，可更換袋子繼續(xù)收集。當(dāng)人通過向后拉動主機(jī)后，滾珠絲杠運(yùn)動，水平剪叉機(jī)構(gòu)環(huán)形伸展，豎直剪叉機(jī)構(gòu)變矮，帶動側(cè)翼折展裝置外撐，拉開傘面。收集裝置左右合攏，形成完整傘面，然后采摘模塊開始工作，收集裝置開始進(jìn)行果實(shí)收集。收集完畢后，人再次通過推回主機(jī)至初始位置，傘面分左右環(huán)形收縮并向內(nèi)折疊。裝置收集面積大，收縮后體積較小，輕便穩(wěn)定，操作簡單，適用性廣。

圖1 外翼折展裝置

2.2.6 收集箱

收集箱主要功能是收集果實(shí)，并在運(yùn)輸果實(shí)的過程中充當(dāng)臨時容器，滿足換樹采收的容量要求，使果實(shí)的采摘效率更高，更符合了規(guī)模化矮化果園的實(shí)際需求。

參照市場中常見的收集箱，結(jié)合車體空間尺寸進(jìn)行設(shè)計，在不影響車輛美觀等情況下，盡可能地擴(kuò)大收集箱的容量，最終設(shè)計其尺寸為：640 mm×80 mm×80mm。收集箱的安裝是利用左右兩側(cè)的導(dǎo)向管與車架上的槽相互配合，類似于抽屜的抽拉式安裝，使用方便快捷。收集箱內(nèi)壁粘附毛氈，保護(hù)從收集面經(jīng)柔性通道下落的果實(shí)，同時，收集箱底部做了引流處理，設(shè)計為兩側(cè)向中間傾斜的方式，使兩側(cè)下落的果實(shí)在收集箱中自動向中間聚攏，防止果實(shí)在兩側(cè)堆積，更高效地利用容量空間。

2.3 裝置工作過程

以棗樹為例，將裝置推至樹下，手動綁枝，使鮑登線固定搖枝，人工驅(qū)動使收集傘面張開收集果實(shí)，展開伸縮驅(qū)動桿，上下?lián)u動，使樹枝搖動來摘棗，采摘完畢后，收起伸縮驅(qū)動桿和傘面，取下樹枝上的綁帶，完成采收全過程。

3 可行性分析

以大型矮化果園為應(yīng)用對象，這種新型的多功能矮化小型林果采收裝置通過機(jī)構(gòu)組合創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)把林果從樹枝上搖落并對果實(shí)進(jìn)行收集的功能。裝置主要由采摘模塊和收集模塊兩部分組成。采摘模塊中，利用曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的傳動特性將圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)化為帶有急回的直線往復(fù)運(yùn)動，并由鮑登雙向致動機(jī)構(gòu)將動力傳導(dǎo)至樹枝，搖落果實(shí)；環(huán)柱形折展收集模塊利用環(huán)柱形折展收集模塊和變比例剪叉連桿組的相互銜接配合實(shí)現(xiàn)靈活折疊和展開。本裝置經(jīng)過適應(yīng)性尺寸設(shè)計，可適應(yīng)大多數(shù)矮化果樹。裝置操作流程簡單，省略了現(xiàn)有小型林果采摘、收集中手工操作的步驟，大大提高了果實(shí)的采獲效率。裝置在遵守國家標(biāo)準(zhǔn)前提下，性能優(yōu)越、功能齊全、成本低廉、推廣性和使用價值高，有很高的市場價值。

4 總結(jié)

目前市場上少有針對矮化小型林果的采收機(jī)械，且現(xiàn)有采收機(jī)械都是大型機(jī)械設(shè)備，并不適應(yīng)我國矮化果園矮化密植的種植模式。而本作品既能夠滿足高產(chǎn)矮化果園對不同植株大小果樹的快速采收的需求，同時本作品成本低、操作簡單、維護(hù)方便，既適用于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化種植棗園，也可用于小型采摘園。