引言

雖然我國棗子的產(chǎn)量和種類比較多,但對于棗子采摘還沒有實現(xiàn)機械化,很多方面仍然存在不足。采棗采用大型機械效率比較低,而小型器械可使用的種類較少,不太齊全,以半自動化的輔助機械為主導,比如可移動水果采摘梯、可伸縮式采摘器,此類機械在一定程度上提高了水果采摘的效率。但棗分布在果樹的各個部位,因此,需要半自動化的小型機械采摘設備,能適用于各種棗園環(huán)境,同時相比于傳統(tǒng)的人工采摘,大幅度提升采摘效率。

本文研究設計了一款基于平行四邊形抬臂伸縮機構的采棗裝置,與傳統(tǒng)的伸縮桿形式相比,實現(xiàn)打棗機構升降動作時,不再需要操作者舉著伸縮桿進行作業(yè),只需握住把手桿進行調節(jié)即可,使完成打棗機構的升降動作和前后移動都能輕松省力,能夠實現(xiàn)長時間進行采棗作業(yè),適用性強。

1采棗裝置總體結構設計

基于平行四邊形抬臂伸縮機構的采棗裝置,包括平行四邊形抬臂伸縮機構、打棗作業(yè)機構、操縱部、收集控制機構、收集箱及移動底盤。其中,收集箱設置在移動底盤底部,移動底盤上固定有底盤立桿,平行四邊形抬臂伸縮機構中部設置于底盤立桿上部,操縱部設置在平行四邊形抬臂伸縮機構一端,打棗作業(yè)機構與收集控制機構設置在平行四邊形抬臂伸縮機構另一端,且打棗作業(yè)機構位于該端上部,收集控制機構位于該端下部。

基于平行四邊形抬臂伸縮機構的采棗裝置如圖1所示。

1.1平行四邊形抬臂伸縮機構設計

平行四邊形抬臂伸縮機構由左平行四邊形抬臂伸縮機構與右平行四邊形抬臂伸縮機構組成,分別分布在底盤立桿的對立兩側,每個平行四邊形抬臂伸縮機構由兩根長桿和兩根短桿構成,每側的兩根長桿通過活動關節(jié)安裝在底盤立桿上。這種連接方式可使長桿相對底盤立桿任意滑動,可以改變長桿與立桿之間的角度,同時也能改變平行四邊形相距地面的高度。

平行四邊形抬臂伸縮機構中四邊形的大小為0.4m×1m,一側短桿上安裝有把手桿,另一側短桿上安裝有打棗作業(yè)機構和收集控制機構。其中,打棗作業(yè)機構位于收集控制機構的正上方,由于平行四邊形抬臂伸縮機構的特性,打棗作業(yè)機構和收集控制機構永遠處于同一豎直線上,有利于打棗作業(yè)機構打下的棗子直接落入收集網(wǎng)中。操作者通過調節(jié)短桿上的把手桿高度來調節(jié)平行四邊形的形狀,由于打棗作業(yè)機構位于把手桿的對立短桿上端,因此能夠調節(jié)打棗作業(yè)機構的高度,增大了打棗作業(yè)的高度范圍。

1.2打棗作業(yè)機構設計

打棗作業(yè)機構由傳動部分和采棗終端兩部分所組成,位于平行四邊形抬臂伸縮機構的短桿上部。傳動裝置為了實現(xiàn)一定規(guī)律的打棗運動,采用偏心輪機構,當電機帶動偏心輪做周轉運動時,即可帶動偏心推桿做較高頻率的往復直線運動。采棗終端采用尺梳式的長方形4×5均布排列的打桿齒梳,打棗齒梳的固定板下端與傳動裝置的推桿相連,與推桿做相同的較高頻率的往復直線運動,用來震動樹枝打下棗子。

傳動部分為偏心輪機構,包括偏心驅動電機、偏心軸、偏心連桿、偏心推桿、偏心桿限位導向座,打棗終端包括打棗齒梳、齒梳安裝板。傳動部分與打棗終端通過安裝板連接件連接,該連接件用于使打棗齒梳安裝板始終在一個平面內上下震動,保證打棗終端與傳動部分的位置保持相對固定。偏心輪機構能將偏心輪的周轉運動轉換成偏心推桿的往復直線運動,偏心輪的轉速為300r/min,轉換成偏心推桿的往復頻率為5Hz,其中,頻率轉換公式為:

式中,f為頻率(Hz):n為轉速(r/min)。

打棗作業(yè)機構和偏心輪機構原理圖如圖2、圖3所示。

1.3收集控制機構設計

收集控制機構包括左收集斜桿、右收集斜桿、左收集橫桿、右收集橫桿、收集網(wǎng)及收集箱。收集斜桿與收集橫桿可活動連接,收集斜桿與平行四邊形機構中的短桿活動連接,收集網(wǎng)安裝在左部收集橫桿與右部收集橫桿上。左收集斜桿與右收集斜桿之間形成張角,左收集橫桿與左收集斜桿之間、右收集橫桿與右收集斜桿之間分別形成張角,通過控制各處張角以實現(xiàn)對收集網(wǎng)可收集面積大小的調整。

在進行打棗作業(yè)時,調整好各個張角的大小,即調整好收集網(wǎng)面積的大小,然后開啟偏心驅動電機,使打棗終端進行高頻率的往復上下直線運動,以便震動樹枝打下棗子。由于伸縮機構采用平行四邊形結構,其巧妙地使打棗作業(yè)機構與收集控制機構處于同一豎直線上,棗子打落后將直接掉到收集網(wǎng)上,順著收集網(wǎng)落入收集箱中。

2采棗裝置的工作原理及操作過程

進行打棗作業(yè)前,先將本裝置移至需要采摘的棗樹下,然后操作者握住把手桿可以實現(xiàn)平行四邊形抬臂伸縮機構的升降動作和前后移動,進而帶動打棗作業(yè)機構升降動作和前后移動,使打棗作業(yè)機構到達所需打棗的位置,調整好后開啟偏心驅動電機,偏心輪機構將偏心輪的圓周運動轉變?yōu)橥茥U的往復直線運動,進而帶動打棗機構做相同的往復直線運動,實現(xiàn)打桿齒梳上下震動,棗子經(jīng)過震動掉入收集網(wǎng)內,經(jīng)過收集網(wǎng)匯集到收集箱中。操作者在收集完該處的棗子后,可以轉動底盤立桿并加以固定,換一個位置,重復以上打棗過程的操作。

操作狀態(tài)原理如圖4所示。

3結語

本研究設計了一款基于平行四邊形抬臂伸縮機構的采棗裝置,在一定程度上可降低人工成本,提高工作效率。該裝置采用較高頻率的動作震動樹枝,模擬了人工利用工具反復敲打樹枝的動作來采摘棗子,可以減輕操作者的勞動強度,使其能夠長時間進行采摘作業(yè),大大提高了采摘效率。該裝置對果園場地要求不高,能適用于我國任何類型的果園,應用范圍廣。