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引言

包含車厘子等在內的廣義的櫻桃類漿果,是世界各國常見的一種備受歡迎的水果。櫻桃的采摘所耗費的成本可達到總生產成本的40%左右,傳統的人工采摘費時費力,人工費用很高。而自動化的采摘機械可提高櫻桃果樹的采摘效率,還有利于林果類公司向智能化轉型。

櫻桃的自動化采摘機械,在農業上應用最廣泛的是德國。目前有據可查的德國最先進的櫻桃采摘機,是一種由拖拉機或其他小型內燃機農用運輸設備拖動的分解動力機械。農用車輛在停車掛空擋后,內燃機可以通過機械換擋,先后分解動力到兩個獨立的部分:收集器和振動臂。德國櫻桃采摘機收集器比較簡單,類似于中國古代書生的折紙扇,收集器由若干可旋轉的扇骨覆以可拉伸和收卷的尼龍布組成。內燃機正轉帶動扇形收集器圍繞櫻桃樹主樹干展開,內燃機反轉可以收回扇骨及承接尼龍布。德國櫻桃采摘機收集器展開后,內燃機動力切換至振動大臂。振動臂采用人手工操作剛性機械大臂夾持櫻桃樹主干,車輛馬達產生動力振動樹干,樹干的高頻振動可使成熟的櫻桃掉落至承接收集器。但研究發現,這種收集器的設計不適用于較高的櫻桃樹,而且振動樹干會對櫻桃樹的壽命產生影響。

1振動式采摘機械的研究現狀

目前,林果業廣泛采用振動式機械進行果實采摘,采摘效率大約是人工采摘的10倍。

振動式機械采摘的基本原理:振動裝置夾持果樹樹干,樹干在外力作用下做加速運動,果樹受到慣性力開始做振搖運動,同時將力傳遞到果實和枝干的連接處,當連接處斷裂時,果實就從果樹脫落。

根據振動裝置結構的不同,采摘機械主要有以下3種類型:氣力式、撞擊式和振搖式。不同類型采摘機械的特點如表1所示。

2一種新的櫻桃采摘機設計原理分析

櫻桃樹結果特點如下:

(1）櫻桃果距離地面高度一般在1.5～3m,如果有合適的承接機構,下落高度也就是1m左右。

(2）櫻桃果成熟時很容易自動掉落,因此收集時只需低頻振動樹干即可采摘大部分熟果,而且振動力量不用太大,不會傷及樹干。

(3）剛采摘的櫻桃有一定的防撞性,輕微的碰撞一般不會對水果質量產生損害。

因此,本設計仍分為收集器和振動器兩部分,但改善了機械設計結構。

3櫻桃枝采摘機的收集器設計

櫻桃收集器可以參照一個反狀雨傘設計,但分為左右兩部分,更方便受果、卸果。圖2所示為櫻桃滑塊連桿擺桿式收集器完全打開的狀態,原理同一般的雨傘結構,但是修改建模了新的滑塊—連桿—擺桿機構,使收集器張開時更像一把反向張開的雨傘。

圖2中,收集器由左、右升降液壓缸5和6分別帶動左、右升降液壓臂7和8,推動左半圓滑塊和右半圓滑塊10上下運動。如圖2、圖3所示,左、右滑塊呈半圓環狀態,抱在收集器的主梁11上,在液壓動力下做上下運動。每個滑塊各有三組推力桿12,通過三組滑塊固定絞支鏈13與左、右半圓滑塊相連。同時推力桿12又通過移動絞支鏈15與收集支桿16相連。收集支桿16又通過主梁固定絞支鏈17連在主梁11上來回轉動。主梁11上端和收集支桿16上覆蓋一層與雨企布構造類似的塑料或減振尼龍布18。

4櫻桃枝采摘機的振動器設計

果枝振動器采用車輛操作員手動調整的方式對準采摘位置,手動調節振動臂的高度后車輛馬達產生振動力。不同于德國設計,本文振動器振動的對象是櫻桃樹的主枝,而不是樹木的主干。振動器由圖4中卡爪高度調節器1(可調節振動臂的伸出高度）、低頻振動氣缸2（馬達驅動其左右伸縮振動5次/s）、上下振動臂3（剛性軸桿）、三爪樹枝夾持裝置4組成,可自選夾持櫻桃枝結構。

當農用車開到櫻桃樹下合適位置時,操作者手動操作卡爪高度調節器1將三爪樹枝夾持裝置4對準要夾持的櫻桃樹主枝高度。首先操作收集器至完全張開,以便承接收集:然后車輛馬達掛空擋可以轉接動力至低頻振動氣缸2,通過上下振動臂3帶動三爪樹枝夾持裝置4夾持櫻桃樹主枝上下振動,以達到脫果的效果。

5系統設計功能分析

如圖2至圖4所示,本系統有兩組三個氣壓驅動裝置,可以采用一個動力源,如農用車馬達。原理如下:農用車停車后,首先操作者手動操作氣動缸升降器將三爪樹枝夾持裝置對準要夾持的櫻桃樹主枝,然后利用農用車空擋馬達帶動左、右兩個升降液壓缸,同時推動左半圓滑塊和右半圓滑塊向上運動:當左右滑塊到達滑塊上限位開關21時,液壓缸停止工作,此時推力桿上推支桿帶動雨傘狀減振尼龍布完全打開呈收集狀態:此后操作者切換農用車馬達帶動振動器氣缸做上下活塞運動,開始振動櫻桃果枝,采摘收集熟果。

當櫻桃果振動收集完成后,農用車馬達換擋振動器氣缸至帶動左升降液壓缸向下首先回收,如圖4所示,收集器左氣缸處于回收狀態,右氣缸處于伸張狀態。左滑塊下降到行程下限開關20,右滑塊上升到行程上限開關21。當左升降液壓缸下降至滑塊下限位開關20時,左邊三組減振布收集器折疊回收完成,而收集器右邊部分繼續在上限開關處,呈收集張開狀態。在左半部分回收時,大部分櫻桃自動從收集器滑落。此處需要用戶自行安排收集裝箱設備,也可以采用人力或其他

自動化設備,將收集器內收集的櫻桃倒出。同理,左半部分收集器整理完成后,右半部分氣缸回收,將所有收集器內的櫻桃倒出。

6結語

櫻桃引進中國后已久經栽培,改革開放后,在市場經濟體制下,國內引進的品種頗多且不斷變化,但果實的大小區別不大。除了供食用外,櫻桃果也可釀櫻桃酒,枝、葉、根、花還可供藥用,還可將收集過程中有破損的櫻桃加工制作成櫻桃醬、櫻桃汁和果脯。在很多地方,櫻桃是高檔菜看配料。僅僅在山東煙臺,自2011年開始,就在連續的4年內打造了16個市級大櫻桃示范基地,建設了2個農業部"菜籃子"標準化生產示范基地。2016年,煙臺大櫻桃栽培面積達205km2(30.8萬畝）,居中國第二位,產量17.6萬t,居中國第一位,因此櫻桃的農用機械有著較高的開發價值。