冬棗輔助采摘車的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉廣新，王淑君，趙玉剛，蔡善儒

(山東理工大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院；b.農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049)

0 引言

近年來(lái)，沾化冬棗因其味道甘甜、皮薄肉脆、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高等特點(diǎn)很受人們歡迎。冬棗種植于山東、陜西等地，以位于沾化區(qū)下洼鎮(zhèn)的冬棗最為出名，產(chǎn)量也在逐年增加，到2020年預(yù)計(jì)產(chǎn)值可達(dá)40億人民幣。根據(jù)冬棗的成熟情況，沾化冬棗的采摘過(guò)程一般分為前期的篩選采摘和后期的集中采摘，采摘過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，屬于典型季節(jié)性強(qiáng)和勞動(dòng)密集型的工作[1]。加之當(dāng)?shù)貜氖罗r(nóng)業(yè)勞動(dòng)的人口逐年減少，冬棗種植逐年增加，出現(xiàn)了采摘效率低、勞動(dòng)量大及勞動(dòng)力短缺等問(wèn)題，如果采摘收獲不及時(shí)會(huì)帶來(lái)更大經(jīng)濟(jì)損失。目前，冬棗的采摘方式主要依靠人工采摘。采摘高處的果實(shí)時(shí)，人的手臂和脖子很容易出現(xiàn)疲勞感，采摘效率低[2]，同時(shí)還要借助人字梯等工具，很容易發(fā)生安全事故。因此，冬棗采摘實(shí)現(xiàn)機(jī)械化極為重要。國(guó)外的大型采摘設(shè)備很難適應(yīng)國(guó)內(nèi)的種植模式，而國(guó)內(nèi)西北農(nóng)林科技大學(xué)彭俊[3]研制的基于振動(dòng)理論的冬棗收獲機(jī)不適應(yīng)收獲皮薄肉脆的沾化冬棗，其原因是振動(dòng)采摘過(guò)程中會(huì)損傷冬棗，不利于冬棗的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。熊俊濤[4]等人研制的基于機(jī)器人視覺(jué)采摘多類水果的機(jī)器人系統(tǒng)，采摘效率低，成本高，維護(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，研制出能夠適應(yīng)沾化冬棗種植模式、成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單的機(jī)械化采摘車極為重要。根據(jù)以上分析，課題組研制出一款采用電驅(qū)動(dòng)多作業(yè)單元的冬棗輔助采摘車，可以適應(yīng)沾化冬棗的種植和采摘特點(diǎn)，具有成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、棗果損傷小及效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 整車結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 冬棗種植模式與機(jī)械化采摘要求

冬棗采用行作種植，依據(jù)合理密植對(duì)冬棗樹(shù)進(jìn)行修剪，使樹(shù)高小于行距。沾化冬棗的行距規(guī)格因棗樹(shù)品種的不同也會(huì)采用不同的行距，一般行距為3m和4m。圖1為行距3m的種植示意圖。

1.冬棗園地面 2.冬棗樹(shù) 3.冬棗樹(shù)樹(shù)冠

在機(jī)械化采摘冬棗過(guò)程中，對(duì)采摘車有如下要求：采摘車工作過(guò)程中對(duì)棗樹(shù)損傷盡可能小，能從行與行的狹小空間里通過(guò)；采摘車行駛過(guò)的地面土壤硬化程度?。徊烧鳂I(yè)者能夠采摘不同高度的冬棗，操作簡(jiǎn)單。由上述可知：要求采摘車整車質(zhì)量要小，采摘過(guò)程中要一次性通過(guò)行間，也就是說(shuō)采摘車每走1次要采摘兩行樹(shù)，采摘車要有能夠承載作業(yè)者安全上下移動(dòng)的裝置。

1.2 整車結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù)

考慮到沾化冬棗作為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)作物，主要種植在平緩地帶，對(duì)采摘車的爬坡能力要求不高，故采用電驅(qū)動(dòng)。車架由不同規(guī)格的矩形鋼管焊接而成，其它部件均通過(guò)不同的連接方式組成冬棗輔助采摘車。該輔助采摘車主要由車架、旋轉(zhuǎn)支座、升降四桿機(jī)構(gòu)及站立筒等組成，旋轉(zhuǎn)支座固定在車架中軸線上，以適應(yīng)冬棗園內(nèi)行與行之間的狹小空間。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.采摘車方向輪 2.采摘車支架 3.駕駛員座椅 4.方向盤 5.周轉(zhuǎn)箱放置區(qū) 6.旋轉(zhuǎn)支座 7.升降液壓缸 8.升降四桿機(jī)構(gòu)桿 9.周轉(zhuǎn)箱支架 10.周轉(zhuǎn)箱 11.站立筒 12.冬棗滾道 13. 控制盒 14.驅(qū)動(dòng)輪 15.旋轉(zhuǎn)液壓缸

參數(shù)單位數(shù)值工作狀態(tài)外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)mmmax4520×4000×2840運(yùn)輸狀態(tài)外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)mm3550×1650×2840整車質(zhì)量kg1650采摘最大高度mm4000工作行數(shù)行125.25輪胎直徑mm600

1.3 工作原理

工作前，采摘車處于運(yùn)輸狀態(tài)，由駕駛員一人駕駛采摘車行駛到冬棗園，到達(dá)指定位置后，采摘作業(yè)者進(jìn)入站立筒做準(zhǔn)備工作。駕駛員負(fù)責(zé)將冬棗周轉(zhuǎn)箱放置到周轉(zhuǎn)箱支架上，此時(shí)作業(yè)者操縱控制盒升高或者轉(zhuǎn)動(dòng)靠近待采摘冬棗的位置。作業(yè)時(shí)，將采摘到的冬棗直接放入站立筒靠近冬棗樹(shù)的一側(cè)的冬棗滾道，冬棗慢慢滾入周轉(zhuǎn)箱，樹(shù)葉等雜質(zhì)通過(guò)固定于滾道末端的風(fēng)機(jī)吹走；待周轉(zhuǎn)箱滿時(shí)，冬棗作業(yè)者協(xié)同駕駛員將其放置到周轉(zhuǎn)箱放置區(qū)，隨后駕駛員再次放置新的周轉(zhuǎn)箱至周轉(zhuǎn)箱支架處，采摘作業(yè)者繼續(xù)工作。采摘作業(yè)者根據(jù)所采摘的范圍內(nèi)待采摘冬棗的多少，通知駕駛員先前移動(dòng)采摘車，并繼續(xù)協(xié)同工作。旋轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)兩套采摘單元可以在各自的扇形可行域內(nèi)進(jìn)行掃描，達(dá)到單獨(dú)作業(yè)互不干擾的目的。升降液壓缸驅(qū)動(dòng)采摘單元上下移動(dòng)，接近待采摘冬棗。旋轉(zhuǎn)液壓缸和升降液壓缸結(jié)合采摘車的向前行駛，完成一次行駛采摘雙行。此設(shè)計(jì)可以減小采摘車對(duì)地面的硬化程度，同時(shí)也能最大化地提高采摘效率，工作原理如圖3所示。

1.作業(yè)單元 2.采摘車 3.扇形采摘作業(yè)區(qū) 4.冬棗樹(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 旋轉(zhuǎn)支座的設(shè)計(jì)與力學(xué)分析

考慮到采摘作業(yè)者需要能夠借助升降四桿機(jī)構(gòu)上下移動(dòng)和左右移動(dòng)，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)支座。旋轉(zhuǎn)支座下部通過(guò)軸承連接著車架同時(shí)連接著旋轉(zhuǎn)液壓缸，上部通過(guò)銷軸鏈接著升降四桿機(jī)構(gòu)，受力比較復(fù)雜，也很容易收到來(lái)自路面和液壓站的激勵(lì)，是冬棗輔助采摘車的重要部件。通過(guò)有限元?jiǎng)屿o力學(xué)分析和模態(tài)分析來(lái)判斷旋轉(zhuǎn)支座的設(shè)計(jì)是否合理。使用Pro/E對(duì)旋轉(zhuǎn)支座建模并對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化[5]，將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入workbench中選擇旋轉(zhuǎn)支座極限工況進(jìn)行動(dòng)靜力學(xué)分析。靜力分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)支座靜動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

由圖4可以看出：最大位移位于旋轉(zhuǎn)支座的升降液壓缸下部固定孔板圓弧處，為0.047mm；最大應(yīng)力位于旋轉(zhuǎn)支座矩形板與升降液壓缸下部固定孔板連接處，為35.137MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用值(旋轉(zhuǎn)支座材料為Q235，σmax=235Mpa)。根據(jù)模態(tài)理論可知，低階頻率對(duì)零件本身的影響最大，所以選擇前4階固有頻率進(jìn)行分析[6]。前4階頻率及最大變形結(jié)果如表2所示。旋轉(zhuǎn)支座承載的升降四桿機(jī)構(gòu)和站立筒,其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的激勵(lì)頻率主要來(lái)自路面和液壓站工作時(shí)的激勵(lì)。液壓站工作時(shí)的轉(zhuǎn)速在600r/min以下,激勵(lì)頻率低于10Hz，公路路面面車速最大40km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)頻率可達(dá)80 Hz[7]。由上述分析可以得出，旋轉(zhuǎn)支座的低階頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外部激勵(lì)造成的振動(dòng)頻率。通過(guò)靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，表明旋轉(zhuǎn)支座的設(shè)計(jì)是合理的。

表2 旋轉(zhuǎn)支座前4階頻率及最大變形

2.2 升降液壓缸的設(shè)計(jì)

升降四桿機(jī)構(gòu)在液壓缸的加力下進(jìn)行升降。選用液壓缸時(shí)，不僅要考慮其外徑，還要考慮升降高度用以滿足達(dá)到最大采摘高度,因此需要對(duì)液壓缸各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解。選用的液壓缸應(yīng)滿足以下條件：缸體外徑小于升降四桿機(jī)構(gòu)左右兩矩形鋼管之間的距離；工作行程S與安裝距離X的比值盡可能小[8]。

在升降四桿機(jī)構(gòu)中上雙聯(lián)四桿機(jī)構(gòu)為主要的受力部件，簡(jiǎn)化后受力如圖5所示。

圖5 升降四桿機(jī)構(gòu)受力圖

其中，上雙聯(lián)升降桿AC處于水平位置時(shí)(實(shí)線)，采摘車處于運(yùn)輸狀態(tài)；升降四桿機(jī)構(gòu)在液壓缸的推動(dòng)下繞A點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(雙點(diǎn)劃線)，采摘車處于工作狀態(tài)。圖5中，B點(diǎn)為液壓缸的安裝點(diǎn)；θ為升降四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍角(°)；G為采摘作業(yè)者、站立筒、滿載的冬棗周轉(zhuǎn)箱等物體總質(zhì)量的重力(N)；F為升降液壓缸的推力(N)；Fy為升降液壓缸的推力在y方向的分力(N)；α為升降液壓缸與上雙聯(lián)升降桿之間的夾角(°)。當(dāng)θ=0°時(shí)，升降液壓缸所需的推力達(dá)到最大。由于升降液壓缸采用單作用無(wú)背壓的液壓缸，缸體內(nèi)徑為[9]

(1)

其中，p1為液壓缸的工作腔壓力(MPa)；D0為缸體內(nèi)徑(mm)。

根據(jù)已知條件S=220mm，X=478mm，lAC=1200mm，lBC=478mm，θ=[0°,53°]，α=[22°,35°]，G=1 400N，缸體材料許用應(yīng)力[σ]=100MPa[10]，計(jì)算可得升降液壓缸外徑D1max=100mm、p1=15.9MPa。

液壓缸的壁厚δ為

(2)

其中，D1為缸體外徑(mm)。

升降液壓缸的缸體長(zhǎng)度為

L0=S+X+H+Y+Z

(3)

式中X—活塞長(zhǎng)度，取X=0.8D0(mm)；

H—活塞桿導(dǎo)向長(zhǎng)度，取H=1.2D0(mm)；

Y—活塞桿密封長(zhǎng)度，取Y=10mm;

Z—其它長(zhǎng)度，取Z=25mm。

由式(1)～式(3)得升降液壓缸的內(nèi)徑D0=30mm，外徑D1=60mm，缸體總長(zhǎng)L0=315mm。

2.3 升降四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

升降四桿機(jī)構(gòu)是連接旋轉(zhuǎn)支座和站立筒的重要部件，如圖2所示。每個(gè)作業(yè)單元的升降四桿機(jī)構(gòu)由長(zhǎng)度相同的4根矩形鋼管組合而成,每根矩形鋼管長(zhǎng)1 200mm。位于上側(cè)的兩平行桿件為上雙聯(lián)升降桿，位于下側(cè)的兩平行桿件為下雙聯(lián)升降桿，整個(gè)結(jié)構(gòu)主要起到調(diào)整站立筒的升降和保證采摘作業(yè)者安全的作用。

2.4 站立筒的設(shè)計(jì)

站立筒是采摘作業(yè)者的站立裝置，由冬棗滾道、冬棗周轉(zhuǎn)箱支架、除雜設(shè)備及控制盒等組成。冬棗滾道由內(nèi)滾道和外滾道組成內(nèi)，內(nèi)滾道為柔軟材料，如圖6所示。冬棗在重力和振動(dòng)的共同作用下，滾入冬棗周轉(zhuǎn)箱，除雜設(shè)備位于冬棗滾到末端，將采摘作業(yè)者采摘冬棗過(guò)程中的樹(shù)葉等雜質(zhì)吹走；樹(shù)葉等雜質(zhì)較冬棗質(zhì)量輕、受力面積大，在微型風(fēng)機(jī)的作用下易被吹走?？紤]到采摘作業(yè)者的安全和舒適性，設(shè)計(jì)站立筒的直徑為450mm，高度為900mm。

1.冬棗外滾道 2.冬棗內(nèi)滾道 3.振動(dòng)電機(jī) 4.振動(dòng)塊圖6 冬棗滾道原理圖

3 采摘車的功率計(jì)算

3.1 行走功率計(jì)算

采摘車處于運(yùn)輸狀態(tài)下的行走功率要大于工作狀態(tài)下的行走功率，所以計(jì)算運(yùn)輸狀態(tài)下的功率作為行走功率。行走過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)輪與地面接觸會(huì)產(chǎn)生法向和切向的相互作用力[11]。采摘車行走過(guò)程中地面對(duì)其阻力Ff為

Ff=Gucosα

(4)

其中，G為整車滿載質(zhì)量的重力，取G=2×104N；u為阻力系數(shù)，取u=0.08；α為坡度角，取α=0°。

采摘車處于運(yùn)輸狀態(tài)下的行走功率P1為

P1=Ffvm

(5)

其中，取vm=20km/h。

由式(4)和式(5)得出P1=8 896W，取整P1=9kW。

3.2 液壓站功率計(jì)算

采摘車具有兩個(gè)互不干擾的作業(yè)單元，每個(gè)作業(yè)單元各有1個(gè)旋轉(zhuǎn)液壓缸和1個(gè)升降液壓缸：升降液壓缸主要對(duì)升降四桿機(jī)構(gòu)起到升降的作用，推力較大；旋轉(zhuǎn)液壓缸主要起到撥動(dòng)旋轉(zhuǎn)支座旋轉(zhuǎn)的作用，推力較小；旋轉(zhuǎn)液壓缸與升降液壓缸不同時(shí)工作。因此，升降液壓缸為主要負(fù)載，液壓站的功率主要是液壓站電動(dòng)機(jī)的功率。液壓站電機(jī)功率P2為[12]

(6)

式中Q—兩個(gè)作業(yè)單元的總額定載質(zhì)量，取Q=360kg；

V—上升速度，取V=50mm/s；

η—液壓體統(tǒng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率，取η=0.79。

計(jì)算得P2=283W。

4 試驗(yàn)和結(jié)果

冬棗輔助采摘車試驗(yàn)分為路試和采摘試驗(yàn)：路試主要考察采摘車的轉(zhuǎn)換狀態(tài)和行駛轉(zhuǎn)彎狀況；采摘試驗(yàn)主要考察采摘效率和棗果損傷率。

4.1 采摘試驗(yàn)條件與設(shè)備

2017年10月，在山東省沾化冬棗研究所冬棗種植基地進(jìn)行試驗(yàn)。此時(shí)，冬棗采摘處于后期的集中采摘階段。土壤類型為黃土，土壤含水率14.1%；行距4m，株距4m，雙行，長(zhǎng)度18m。試驗(yàn)所用儀器與設(shè)備為皮尺、秒表、電子秤等。

4.2 試驗(yàn)方法

采摘試驗(yàn)前，將試驗(yàn)棗樹(shù)分為3段，每段長(zhǎng)6m；采摘車分別以3種不同的速度行駛，進(jìn)行3次試驗(yàn)；每次試驗(yàn)過(guò)后，對(duì)冬棗周轉(zhuǎn)箱內(nèi)的冬棗進(jìn)行稱重，挑出破損的冬棗稱重。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明：冬棗輔助采摘車在冬棗園實(shí)際工況下，以0.04km/h的速度作業(yè)時(shí)，冬棗采摘量為184.3kg/h，冬棗破損率低于2.0%，采摘量是人工采摘的8～10倍，破損率僅為人工采摘的32%；各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作執(zhí)行均未受到干擾。圖7為采摘試驗(yàn)圖。

表3 棗園試驗(yàn)結(jié)果

圖7 采摘試驗(yàn)

4.4 道路試驗(yàn)

道路試驗(yàn)如圖8所示，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖8 道路試驗(yàn)

參數(shù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換用時(shí)/min最小離地間隙/mm接近角/(°)離去角/(°)設(shè)計(jì)要求≤2≤300≥5560測(cè)量結(jié)果0.92506370

2017年10月，于某機(jī)械加工廠內(nèi)平坦水泥地面進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明：冬棗輔助采摘車采摘狀態(tài)與運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換靈活，通過(guò)性能優(yōu)良。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的4DD-2型冬棗采摘車滿足沾化冬棗種植模式和農(nóng)藝要求，結(jié)構(gòu)緊湊，采摘效率高。結(jié)合采摘車的實(shí)際工作環(huán)境，對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和液壓站馬達(dá)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，升降液壓缸與旋轉(zhuǎn)支座均滿足設(shè)計(jì)要求。棗園采摘和道路試驗(yàn)表明：采摘車作業(yè)速度以0.04km/h的速度作業(yè)時(shí)，冬棗采摘量為184.3kg/h，冬棗破損率低于2.0%，采摘量是人工采摘的10倍，破損率僅為人工采摘的32%；冬棗輔助采摘車采摘狀態(tài)與運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)換靈活，通過(guò)性能優(yōu)良。