藍莓采摘實驗臺的設計與試驗研究

郭艷玲,聶宏宇,李志鵬,李 健,王海濱

(東北林業大學 a.機電工程學院;b.交通學院;c.工程技術學院,哈爾濱 150040)

0 引言

近年來,隨著農林業產業結構的調整,藍莓種植和生產已成為農民增收致富的新途徑。藍莓的營養價值很高,在國內外的銷量一直很可觀。目前,藍莓果園的規模化發展要求越來越高,藍莓采摘機械化的重要性日益顯著[1]。

藍莓采摘作業具有勞動強度大、季節性較強的特點,目前很多國家采摘技術還停留在人工采摘、撿拾作業水平[2]。國內的藍莓采摘機主要是靠仿照國外現有采摘機制作的,一方面國外的技術直接引進國內,制作使用的效果不是很理想;另一方面國外的采摘機一般都不適合用于現在國內的種植果園。為了能制作出高效合理的采摘機,需要反復進行大量的采摘試驗,確定合適的采摘機理和采摘參數,同時要對采摘效率、采摘質量和制作成本等因素綜合考慮。為了降低成本,獲得更完整、有效的數據,進行實物采摘機試驗前,需在實驗室環境下搭建采摘實驗平臺進行模擬采摘試驗。因此,設計了藍莓采摘實驗臺,旨在為藍莓采摘機的設計及藍莓的振動特性研究提供參考。

1 實驗臺設計方案與工作原理

1.1 采摘作業工作原理

藍莓采收作業時,采摘機跨過藍莓樹叢向前行駛,藍莓植株進入龍門框架內,發動機帶動采摘系統;采摘系統末端執行裝置指排往復擺動,拍打采摘機內經過的藍莓植株,通過樹枝振動震落藍莓果實,再由傳送帶進行收集,實現藍莓果實機械采摘。其工作原理如圖1所示。

1.2 采摘振動機理

采摘系統帶動指排往復拍擊形成多激勵振動采摘力作用于藍莓植株,使藍莓植株振動形成振動輸出響應,對生長在樹枝上的藍莓果實形成果、枝分離作用力,振落藍莓果實[3]。因此,為達到藍莓采摘過程中盡可能地采收熟果、留下生果且不傷害樹枝的目的,需控制指排作用下的果、枝分離作用力,使藍莓果實采摘力大于熟果結合力而小于生果結合力,保證采摘果實質量。

1.3 采摘實驗臺設計要求

依據藍莓采摘作業形式,得到采摘實驗臺設計要求如下:

1)實驗平臺要能夠模擬實際藍莓采摘情況,采摘對象保持靜止不動,由實驗臺靠近采摘對象進行采摘;

2)實驗平臺應該能夠進行一定方向的、速度可控的移動;

3)用于采摘的機構,在完成采摘功能的基礎上,結構應該盡量簡單,方便制作加工,并且在一定程度上可以低成本的更換,從而滿足反復進行大量實驗需要;

4)采摘末端執行元件的擺動頻率應保證植株振動,振落藍莓果實;

5)采摘機構的運動要能平滑調速,振動的頻率、振幅都應該是可以調節的;

6)機架負責連接采摘機構和實驗臺移動裝置,支撐整個實驗臺。

1.4 采摘實驗臺設計方案

采摘機構能夠對果樹施加可調節的作用力,達到果實和果樹分離的目的。常用的振動方式分為沖擊式、振搖式和機械振動式:沖擊式通過瞬間沖擊樹干,產生慣性力,利用慣性力將果實分離;振搖式通過振動機,使樹干進行受迫振動,搖晃樹枝,使果樹獲得慣性力,果實在慣性力的作用下和果樹分離;機械振動式利用機構將回轉運動轉換成簡單可控的往復運動,從而產生慣性力施加到樹枝上,果樹做受迫振動,當振動特性達到一定值時使果實分離,達到采摘的目的。

采摘機構是實驗臺中的主要執行機構。采摘機構的結構設計能夠直接影響到實驗臺的采摘效果,進而對實驗效果產生影響[4]。采摘機構需要能夠進行平滑的調速控制,且實驗室環境不能使用功率過大的動力源。綜合考慮實驗室實驗條件和采摘實驗臺的功能要求,使用機械振動式作為藍莓采摘振動實驗平臺的采摘原理最為合適。

機械振動式采摘機構產生往復運動,根據運動的種類還可以分為旋轉式和擺動式。相比于旋轉式采摘機,擺動式采摘機在工作過程中振動更平穩,也更容易停止,在一定程度上能夠避免事故的發生。

2 實驗臺結構設計

通過對藍莓果樹的測量得知,植株高度約為0.6～1m,寬度約為0.5～0.8m。綜合設計要求,得到采摘實驗臺龍門框架尺寸:長×寬×高=1.5m×1m×1.2m。

2.1 實驗臺移動裝置

為了模擬實際采摘機在藍莓果園的采摘情況,試驗過程中實驗對象藍莓果樹應該保持靜止不動,由采摘機構靠近果樹進行采摘工作。實驗臺接近果樹的速度應該平穩,且可以在一定范圍內進行調速。考慮到實驗室條件和制作難度,采用交流調速電機作為實驗臺移動的驅動元件。該電機具有噪聲小、振動輕及可正反轉調速等特點,完全滿足實驗需求。

為了減小實驗臺移動時的阻力,將采摘裝置放置在導軌上,并利用電機帶動同步帶,拉動采摘裝置在導軌上進行滑動。圖2為傳送裝置結構設計圖。通過連接塊固定基架、導軌滑塊與同步帶,同步帶由調速電機通過帶輪帶動,能夠為實驗臺移動有效地提供動力,成功模擬實際采摘情況。

2.2 曲柄連桿傳動裝置

為使采摘傳動裝置各元件按預定軌跡運動,采用曲柄連桿傳動裝置作為采摘系統傳動裝置,原理如圖3所示。

圖3 曲柄連桿傳動裝置原理圖

圖3中,a為曲柄AB長度(mm);b為連桿BC長度(mm);c為搖桿CD長度(mm);d為機架AD的長度(mm);θ為極位夾角(°);ψ為搖桿擺角(°);γmin為最小許用傳動角(°)。

曲柄搖桿設計步驟如下[5-6]:

1)根據采摘對象尺寸,初步確定機架長度。藍莓植株花盆直徑300mm、高240mm,藍莓果樹離地面高約0.7～0.9m,樹冠最大直徑約400mm。考慮到實驗臺的整體大小,確定曲柄搖桿機構機架長度為400mm。

2)曲柄搖桿計算。由△C1C2D和△C1C2A內部關系整理得

a2cos2(θ/2)+b2sin2(θ/2)=c2sin2(ψ/2)

(1)

cosγmin=b2+c2-(d-a)2/2bc

(2)

綜合計算得

d2=a2(1+sinθ/tan(ψ/2))+b2(1-

sinθ/tan(ψ/2))+c2cosψ

(3)

式(3)中有7個參數,即a、b、c、d、γmin,ψ、θ。其中,確定的已知量可以通過求解方程組得到其他未知量,從而完成曲柄搖桿的設計計算,結果如表1所示。

表1 曲柄搖桿機構設計結果

2.2.1 曲柄搖桿動力學分析

按照a=70mm、b=406.3mm、c=100mm、d=400mm,建立曲柄搖桿模型,利用UG軟件對其進行動力學仿真。曲柄a作為主動件,轉速為60r/min。忽略重力影響,進行動力學仿真,搖桿的速度與加速度曲線如圖4所示。搖桿是采摘機構的工作部件,搖桿的運動情況就是采摘機構的運動狀況。由圖4可看出:搖桿速度、加速度曲線呈周期變化,在運行過程中能夠按照預定設計規律運轉,符合采摘設計要求。

圖4 速度與加速度曲線

2.2.2 曲柄搖桿動力學分析

曲柄連桿傳動裝置如圖5所示。裝置由固定在橫梁上的交流調速電機驅動,帶動曲柄搖桿末端執行機構指排往復擺動,且各桿長度可調,以便更改指排的擺動幅度。表2為該裝置關鍵尺寸及運動參數范圍。

1.角件 2.橫梁 3.立柱 4.連接片 5.連接軸 6.軸承座 7.指排 8.轉軸 9.搖桿 10.連桿 11.曲柄 12.電機

表2 關鍵尺寸及運動參數范圍

3 藍莓采摘實驗研究

3.1 條件與方法

試驗采用自行搭建的藍莓采摘實驗臺搭配傳感器數據采集系統,以自行種植的藍莓樹為實驗對象,傳感器位置為與指排直接接觸的外部分枝距根部50mm處,如圖6、圖7所示。試驗過程中,改變實驗臺的各種參數,得到加速度數值反饋,找到滿足落果條件最適宜的參數。

3.2 試驗數據分析

3.2.1 振動響應分析

保持其他參數不變,將曲柄搖桿機構末端執行機構拍打頻率分別調至1、2r/s,加速度反饋曲線如圖8與圖9所示。對比分析可知:隨著電機轉速的提高,指排擺動頻率增大,單位時間內藍莓植株受到的拍擊次數增多,藍莓植株的振動輸出響應也逐漸增大。

保持其他參數不變,改變控制實驗臺采摘裝置移動的同步帶電機轉速,通過計算將采摘裝置移動速度分別調至0.5、1.5m/s,加速度反饋曲線如圖10與圖11所示。對比分析可知:隨著電機轉速的提高,采摘裝置移動加快,單位時間內藍莓植株受到的拍擊次數減少,藍莓植株的振動輸出響應逐漸減小。

保持其他參數不變,改變曲柄搖桿機構的尺寸參數,將指排擺動幅度分別調至45°、60°,加速度反饋曲線如圖12與圖13所示。對比分析可知:隨著指排拍打幅度的提高,指排與樹枝的接觸范圍變大,藍莓植株的振動輸出響應也逐漸增大。

圖6 傳感器數據采集儀照片

圖10 移動速度為0.5m/s時的加速度反饋曲線

圖11 移動速度為1.5m/s時的加速度反饋曲線

圖12 擺動幅度為45°時的加速度反饋曲線

圖13 擺動幅度為60°時的加速度反饋曲線

3.2.2 采摘力響應分析

選擇長勢良好的藍莓樹進行三水平三因素交叉實驗,改變實驗臺框架行走速度、指排拍打速度及指排拍打幅度,得到不同的加速度反饋值,反饋值通過分別位于兩個試驗點上的加速度傳感器采集,結果如表3所示。

表3 實驗數據采集表

續表3

4 結論

1)設計了一種藍莓采摘實驗臺,主要由曲柄連桿傳動裝置、移動裝置、龍門框架、導軌及機架等組成。

2)試驗分析表明:①當指排作用于藍莓樹枝的不同位置時,得到的振動輸出響應不同,從根部至末梢輸出響應逐漸增大。②隨著采摘裝置電機轉速的提高,帶動指排擺動頻率增大,藍莓植株的振動輸出響應也逐漸增大。③隨著指排擺動幅度的增大,指排的作用面積也增大,藍莓植株的振動輸出響應也逐漸增大;但擺動幅度如果過大,會出現指排插入樹枝內部的現象,強行拉出指排會損傷樹枝,因此擺動幅度控制在60°以內比較合理。④隨著實驗臺采摘裝置行走速度的提高,指排拍打藍莓植株的時間變少,從而藍莓植株的振動輸出響應也逐漸減小。

3)利用所設計的藍莓采摘實驗臺進行試驗,結果表明:當采摘機指排拍打頻率為2r/s、拍打幅度為60°、行走速度為1m/s時,藍莓果實采摘力大于熟果與樹枝的結合力而小于生果與樹枝的結合力,滿足采摘條件,為最佳設計參數。