履帶自走式果園采摘作業(yè)平臺果實輸送裝置的研制

李 強，范國強，王學良，張曉輝,王金星

(1.山東農(nóng)業(yè)大學 機械與電子工程學院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備實驗室，山東 泰安 271018)

0 引言

在果園種植生產(chǎn)作業(yè)過程中，采摘作業(yè)約占整個作業(yè)量的40%，機械收獲可以解放勞動力、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本[1]。目前，國內(nèi)應用最多的采摘作業(yè)方式是以地面或借助簡易梯子的手工作業(yè)為主，其次是通過撞擊或者振動使果實與果樹分離的半自動化采摘平臺及采摘機器人[2-5]。

20世紀60年代中期，美國研制出液壓式的升降平臺車，并配合使用采摘工具，大大提高了采摘效率。日本是最早開始坡地果園機械化研究的國家，最終成功研制出適合在15°～30°坡度地區(qū)使用的自走式采摘車[6-7]。目前，國內(nèi)果園專用機械缺乏，研發(fā)和應用的果園采摘機械技術(shù)功能單一，自動化程度低。為此，結(jié)合國外的研發(fā)現(xiàn)狀，設計出了此款履帶自走式果園采摘作業(yè)平臺[8-9]。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

履帶自走式果園采摘作業(yè)平臺主要由履帶自走式底盤、液壓油箱、果實輸送系統(tǒng)、采摘平臺、滑移軌道、果實收集箱、果箱承載臺和落果箱機構(gòu)組成，如圖1所示。輸送系統(tǒng)包括主輸送裝置、子輸送裝置、垂直輸送裝置及攤鋪滾筒等。

1.2 工作原理

履帶自走式果園采摘作業(yè)平臺采用分級匯總傳送裝置。整個平臺分為上下兩層采摘工作位，分布在主輸送裝置兩側(cè)：下層采摘工作位，采摘人員站在地面上進行采摘作業(yè)；上層采摘工作位，采摘人員站在采摘平臺上進行作業(yè)。采摘工作臺的水平移動及上下升降都采用液壓缸來控制，根據(jù)果園的實際行間距、果樹的高度，通過開關(guān)控制液壓缸升降，使采摘平臺到達適當位置。

子輸送裝置靠旋轉(zhuǎn)軸和摩擦片進行圓周旋轉(zhuǎn)。采用空氣彈簧支撐固定，通過調(diào)節(jié)空氣彈簧的伸縮來實現(xiàn)子輸送裝置的仰角范圍。采摘人員將采摘下的水果放置到子輸送裝置上，多個子輸送裝置上的水果共同匯聚到主輸送裝置上，通過垂直輸送裝置，落入到水果收集箱中。水果箱在果箱承載臺上不停地旋轉(zhuǎn)，攤鋪滾筒將下落的水果均勻的分散到收集箱中。垂直輸送裝置下端裝有傳感器，通過對收集箱內(nèi)水果的檢測，用單片機控制液壓缸將垂直輸送裝置不斷地提升，直到收集箱內(nèi)收集水果自動停止。

當收集箱裝滿后，液壓缸將果箱承載臺前端頂起，收集箱自動滑落到落果機構(gòu)上，通過落果機構(gòu)滑落到地面；采摘人員將空收集箱放置到果箱承載臺上，將垂直輸送裝置下調(diào)到合適位置，可繼續(xù)進行采摘工作。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

外形尺寸/mm：3 250×2 600×2 200

配套動力/kW：17

落箱托盤車外形尺寸/mm：3 000×1 350×1 370

主傳輸帶速度/m·s-1：0～0.6

子傳輸帶速度/m·s-1：0.15

垂直傳輸帶速度/：m·s-1：0～0.7

采摘工作臺水平移動可調(diào)范圍/mm：0～1 300

采摘工作臺垂直升降可調(diào)范圍/mm：0～1 000

1.履帶行走底盤 2.液壓油箱 3.采摘平臺 4.子輸送裝置 5.果箱承載臺 6.果箱滑落支撐肋板 7.落果箱底盤 8.水果收集箱 9.攤鋪滾筒 10.滑移軌道 11.垂直輸送裝置 12.主輸送裝置圖1 履帶自走式果園采摘作業(yè)平臺整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Comprehensive structure of self-propelled orchard picking operation platform

2 關(guān)鍵部件設計

2.1 子輸送裝置

子輸送裝置是將不同工作位采摘下的果實共同匯集到主輸送裝置上，子輸送裝置由固定座、轉(zhuǎn)動支座、空氣彈簧、減速電機、電機固定座、鏈條鏈輪、擋板及輸送皮帶等組成，如圖2所示。

1.擋板 2.輸送皮帶 3.氣彈簧支座 4.氣彈簧 5.減速電機座 6.90W的減速電機 7.鏈輪 8.滾筒 9.轉(zhuǎn)動支座 10.鏈條 11.旋轉(zhuǎn)軸 12.固定座

工作時，子輸送裝置通過固定座固定到主輸送裝置兩側(cè)，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸使子輸送裝置可水平擺動，通過空氣彈簧和旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)子輸送裝置前端傾角的調(diào)節(jié)，讓采摘人員更舒服地將水果放置到子輸送裝置上，降低了水果表皮破損率，提高了采摘效率。

用12V、90W、減速比為15、輸出轉(zhuǎn)速120r/min的直流電動機作為子輸送裝置的動力。采用鏈條傳動方式，主傳動齒輪和輔傳動齒輪齒數(shù)都采用17齒，傳動比為1:1，則

i=z輔/z主=17/17=1

式中n—直流電機轉(zhuǎn)速；

z主—主動鏈輪齒數(shù)；

z輔—從動鏈輪齒數(shù)；

i—鏈傳動比。

2.2 主傳輸裝置

主輸送裝置將匯聚在一起的水果，通過皮帶輸送方式，將水果傳遞到垂直輸送裝置上，是整個采摘作業(yè)平臺的主系統(tǒng)，主要由主輸送皮帶、電動機、滾筒等組成，如圖3所示。

采用12V、200W、減速比為12.5、輸出轉(zhuǎn)速為144r/min的直流減速電機。主傳動齒輪和輔傳動齒輪都采用17齒的齒輪，則

i=z輔/z主=17/17=1

n滾筒=n/i=144r/min

式中n—直流電機轉(zhuǎn)速；

z主—主動鏈輪齒數(shù)；

z輔—從動鏈輪齒數(shù)；

i—鏈傳動比。

1.子輸送裝置固定板 2.主輸送皮帶 3.滾筒 4.電動機固定座 5.電動機 6.支撐鏈接肋板 7.子輸送裝置固定板 8.滾筒固定支撐板

2.3 垂直傳輸裝置

垂直輸送裝置由固定連接板、液壓缸、垂直輸送裝置、200W的減速電機、傳動鏈條、鏈輪、攤鋪滾筒、傳感器及升降滑輪等組成，如圖4所示。

1.固定連接板 2.液壓缸 3.垂直輸送裝置 4.直流電動機 5.傳動鏈條 6.鏈輪 7.攤鋪滾筒 8.傳感器 9.輸送帶滾筒 10.升降滑輪

垂直傳送裝置是整套傳輸系統(tǒng)中最重要的部分，要保證水果下落到收集箱中，且水果表皮盡量減少破壞。以直徑90mm左右的蘋果為標準，進行實際測試計算，最后確定出垂直輸送裝置傳送皮帶寬度為400mm、皮帶上擋板高度為70mm、擋板間隔寬度為100mm，極大地減少了水果表皮損傷。

采用最高轉(zhuǎn)速為1 000r/min、減速傳動比為8.5的直流電動機。

由公式

nM=n1i1i2

i1=z2/z1=17/17=1

則

式中nM—直流電機最大轉(zhuǎn)速；

n1—滾筒最大轉(zhuǎn)速；

i1—鏈傳動比；

i2—減速傳動比；

z1—主動鏈輪齒數(shù)(齒數(shù)為17) ；

z2—從動鏈輪齒數(shù)(齒數(shù)為17)。

齒輪2與齒輪3同軸且齒數(shù)相同，則

i3=z4/z3

n攤鋪滾筒=n1/i3=118r/min

式中z4—毯鋪滾軸上齒輪齒數(shù)(齒數(shù)為17)。

2.4 垂直傳輸裝置傳動系統(tǒng)

垂直輸送裝置傳動系統(tǒng)主要由鏈輪鏈條、輸送皮帶、200W的減速電機、液壓缸、傳感器、單片機及移動滑輪組成，如圖5所示。

圖5 傳動系統(tǒng)框圖

3 試驗與分析

3.1 試驗條件

為了檢驗采摘作業(yè)平臺果實輸送裝置的可靠性及作業(yè)平臺各部件的靈活性，在山東農(nóng)業(yè)大學的南校區(qū)果園進行試驗，采用果樹上的新鮮蘋果。

3.2 試驗方法

通過計算得出主輸送皮帶傳動速度為0.42m/s、垂直輸送皮帶傳動速度為0.73m/s時，主輸送帶與垂直輸送帶的最優(yōu)線速度比值約為0.58。為了方便試驗的對比性，將主輸送皮帶的線速度設定為0.15、0.2、0.25、0.3m/s，垂直輸送皮帶線速度相對應分別為0.26、0.34、0.43、0.52m/s。在試驗過程中，將蘋果按照規(guī)律放置到輸送帶上，放置規(guī)律分3種。其中，A單個連續(xù)放置，傳輸帶每個擋板之間只放置一個蘋果；B單個間隔連續(xù)放置，傳輸帶每隔1個擋板放置1個蘋果；C多個連續(xù)放置，傳輸帶每個擋板之間可放置2～3個蘋果。

3.3 試驗結(jié)果與分析

進行了多組對比蘋果輸送試驗，蘋果損傷率試驗結(jié)果如表1所示。

表1 輸送試驗結(jié)果 Table 1 Transport experiment results

試驗數(shù)據(jù)表明：隨著皮帶輸送速度的提升，測試蘋果損傷率呈直線遞增；單個連續(xù)放置、單個間隔連續(xù)放置、多個連續(xù)放置3種放置方式對蘋果的損傷率逐步增加；當傳動線速度為0.15～0.20m/s時，單個連續(xù)放置方式的蘋果損傷率不超過6%；傳動線速度為0.25～0.30m/s時，蘋果損傷率在7%左右。

蘋果損傷率在7%以上時，將嚴重影響蘋果后期的運輸、儲存、銷售。以上結(jié)果表明：當輸送帶線速度不超過0.2m/s時，采用單個連續(xù)放置方式，損傷率符合采摘要求；傳動線速度大于0.25m/s后，損傷率過大，不符合采摘要求。在后續(xù)的設計中，要著重解決優(yōu)化輸送方式、材料的緩沖減震、皮帶材料的軟硬度等問題，要盡最大限度滿足采摘要求，提高采摘效率及采摘平臺應用價值。

4 結(jié)論

1)為了解決果園采摘作業(yè)時的效率低下等難題，研制出了履帶自走式果園采摘作業(yè)平臺。

2)所設計的子輸送裝置角度可以隨時調(diào)節(jié)，能保證采摘人員將果實更順利的放置到傳送帶上。

3)樣機在山東某地區(qū)果園進行實際測試，結(jié)果表明：履帶行走底盤可以在較為崎嶇的路面上正常平穩(wěn)行走工作。當輸送帶速度為0.2m/s以下時，水果表皮損傷率在6%以下；當速度超過0.3m/s后，損傷率超過7%。蘋果損傷率過大不利于后續(xù)的存儲和運輸，在后續(xù)的試驗測試中，要不斷優(yōu)化改進各部位的輸送裝置。