蔓越莓采集裝置結構設計★

王 鑫，邵桂陽

（長春師范大學工程學院，吉林 長春 130032）

1 研究背景

蔓越莓作為水果市場上一種新興水果，營養含量高，存在大量二次加工的產品，包括但不限于食品產業、化妝品產、保健藥品產業，潛力巨大。但是在對于蔓越莓的采集一直是一個有待攻克的難題。

水收是相對節約人力的辦法，蔓越莓果實本身是有空氣的，因此它有極佳的浮力，水收就是利用蔓越莓此一特性來采收[1]。通常使用機器將蔓越莓從蔓藤上打下，使蔓越莓漂在水面上進行收集，而水面收集的問題目前仍然有待解決。國內蔓越莓的知名度并不高，我國對于蔓越莓的專業研究起步相較于國外晚。并且由于其特殊生長環境與采收方式以及地理位置，蔓越莓的專業研究人員較少，同國外相關研究機構交流合作更少，蔓越莓領域的研究技術不夠成熟[2]。

2 總體設計結構及方案

蔓越莓采集車的三維模型如圖1 所示。蔓越莓采集車裝置結構設計包含三部分，分別為滾輪前進部分、轉動盤過篩部分、滾子爪收集部分。滾輪前進部分是由車尾的兩個大車輪和車前的一個滾筒組成。大車輪安裝在車體后置的發動機兩側，滾筒直接連接在車體下方前置的軸上。通過后置的發動機驅動大車輪，滾筒跟隨車體前進滾動。滾爪收集部分由滾爪，V 型帶，滾輪和連接件組成。滾爪安裝在車體上方前置的軸上，車體前置的部分內側存在槽，兩側的滾輪通過3 個連接件組裝在車體和滾抓之間。連接件可以在槽內滑動，使滾爪能夠自由旋轉。滾輪與后置發動機通過V 型帶連接，其驅動采用帶傳動，實際上固定在軸上的6 個板都具有一定的弧度，防止采集時相對滑動、脫落的現象，上部電機通過帶傳動帶動軸及6 個板進行相對轉動，以此達到采集蔓越莓的目的；采集后的蔓越莓會掉落在收集轉盤上，然后進行分類收集。轉動盤過篩部分是由齒輪、漿、車體篩盤、收集盒組成，齒輪安裝在車體之間，由后置步進電機按一定功率驅動。篩盤上存在不同的通孔，來分類不同大小的果實。漿穿過車體篩盤與齒輪連接，進一步輔助果實的過篩。

圖1 蔓越莓采集車三維模型

3 設計原理

由人為導入計算機收集區域的大小，對收集區域進行裝置行駛路線進行模擬，之后收集裝置對收集區域開始收集，按照規劃好的路線進行行駛，在行駛過程中由裝置后置電機通過滾輪與傳送帶帶動滾子收集機構，同時滾子收集機構上存在復數個過水孔，在滾子收集機構拾取到果實后，過水口將多余的水篩出，實現第一步收集。

滾子收集機構上存在一定角度，在一定轉速下可以暫時存儲果實。當滾子收集機構轉動角度不足以支撐果實時，則將果實拋擲到過篩盤上。過篩盤上存在槳，由后置電機通過內置齒輪帶動旋轉。過篩盤表面存在篩孔，電機通過帶動機架底部齒輪傳動來帶動轉盤收集裝置中的槳進行轉動。其后通過托盤上附帶的漿的轉動來推動托盤中蔓越莓的滾動，蔓越莓經過托盤上不同直徑的孔時下落進入機架底部收集槽，再過濾掉雜草的同時保證不同大小的蔓越莓分類并收集。果實進入收集槽，完成收集儲存。

4 結構設計

4.1 滾子爪收集部分

滾子爪收集部分由滾爪、滾輪、連接銷、機架、V帶、減速器、BMM 馬達組成，對于機構整體起到主要的收集工作。

4.1.1 滾爪設計

滾爪的設計參考類似采收機[3]的結構，其主要特征如圖2 所示。在其基礎上中心部分為鏤空的筒狀設計以減輕滾爪的質量，使其減小對機架與軸的載荷。滾筒外連接6 個板，每個板都存在135°的角度，用于初步收集蔓越莓果實。同時板上存在濾水孔，濾水孔略大于蔓越莓果實的平均直徑。板每次需要在水收后收集大量蔓越莓果實，濾水孔略大于蔓越莓果實的平均直徑存在防止濾水孔被堵塞無法過濾的好處。滾爪兩側存在3 個孔，用于與其他結構的連接。

4.1.2 機架連接設計與V 帶連接設計

滾爪兩側存在3 個孔，通過連接銷與滾輪與機架連接。孔的位置如圖所示，滾爪與滾輪為固定連接，而機架內的槽可以支持連接銷在其內滑動。上述結構能夠配合V 帶通過滾輪連接后置電機使滾爪轉動。

V 帶的橫截面呈等腰梯形，帶輪上也做出相應的輪槽。嚙合型帶傳動時，V 帶的兩個側面和輪槽掛接觸。槽面摩擦可以提供更大的摩擦力。另外，V 帶傳動允許的傳動比大，結構緊湊，大多數V 帶已標準化。V帶傳動的上述特點使它獲得了廣泛的應用。

根據傳遞功率P 和帶的工作條件可得到計算功率Pca。

根據工作環境，選用工況系數KA為1.3。

確定好帶形后，由基準直徑dd2、dd1和基準中心距a0計算相應的帶長Ld0公式：

通過計算帶長并選定帶型確定帶的基準長度Ld。

采用基準帶長，得到中心距a 公式：

考慮存在誤差，常給出的中心距a 變動范圍如下：

由計算功率Pca和額定功率Pr確定帶的根數z：

由中心距a 和基準直徑dd2、dd1確定帶輪上的包角α1，其公式為：

最后結合傳動帶單位質量q 和線速度v 與上述量確定帶的初始拉力F0，公式為：

綜上，根據工作環境、條件等參數得帶長Ld，中心距a，包角α1，根數z，帶的初始拉力F0分別為Ld=2880 mm、a=1365 mm、α1=150°、z=2、F0=450 N。

4.1.3 伺服電機

伺服BMM馬達減速機廣泛應用于各種控制系統中，能將輸入的電壓信號轉換為電機軸上的機械輸出量，拖動被控制元件，從而達到控制目的。其設定參數如表1 所示。

4.2 轉動盤過篩部分

轉動盤過篩部分由漿、篩盤、齒輪、收納盒、BMM馬達組成。通過BMM馬達帶動齒輪傳動給篩盤上的漿，再由漿將蔓越莓果實在篩盤上過篩，最后把蔓越莓果實置入收納盒完成收納。

4.2.1 篩盤設計

篩盤置與機架上，同時與機架嵌合，有著固定，防止松動的優點。其模型圖如圖3 所示。從圖3 可發現，篩盤上的通孔大小略大于蔓越莓果實的平均大小，在過篩蔓越莓果實的同時起到將多余的水過濾出去的作用。

圖3 篩盤模型俯視圖

4.2.2 齒輪傳動設計

齒輪傳動結構類似減速器，由一個大齒輪和兩個小齒輪組成，齒輪安裝在機架與篩盤直接，兩個小齒輪分別連接漿與電機，以達到傳動的作用。

4.3 滾輪前進部分

滾輪前進部分由車輪、滾筒、發動機馬達組成，主要負責機構整體在淺水中移動。

4.3.1 車輪與滾筒設計

車輪采用能夠易于在水中前進的類型[4]，蔓越莓植株屬于1 年生灌木，故車輪與滾筒表面存在凸條，可以碾過蔓越莓植株前進并不受影響。車輪與滾筒側邊緊貼機架，起防止蔓越莓植株纏繞車軸的作用。

4.3.2 馬達選用

發動機馬達選用BM5 系列馬達是一種盤配流馬達。主要用于注塑機調模馬達、農用機械、工程機械、食品機械、機床等。其特點：先進的盤配流結構設計，低速性能好。容積效率，并具有磨損自動補償功能。雙列圓錐滾針軸承能夠承受大的徑向力，應用于重載荷驅動的場合，主要技術參數如表2 所示。

表2 技術參數

5 結語

蔓越莓采集車一定程度上解決了蔓越莓果實在水收后收集難，人工采集勞動強度大，采集效率低的問題。該機構立足于農業方面的應用，最大限度地減少農業能耗和成本、農業生態破壞，實現了農業系統整體最優。打造智慧農業，不僅是時代的需求，也是現代農業的發展趨勢。