高云華,高玉芝

(1.沈陽理工大學(xué),沈陽 110159;2.唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系,河北 唐山 063004)

0 引言

堅果,是果皮和果實(shí)在成熟后呈現(xiàn)干燥狀態(tài)的果子,分為裂果和閉果兩類。堅果是閉果的一個分類,因果皮堅硬而得名。堅果是植物中最精華的部分,營養(yǎng)豐富,含有較多油脂和蛋白質(zhì),其礦物質(zhì)及維生素等微量元素的含量也較高,能夠促進(jìn)人體生長發(fā)育、增強(qiáng)人的體質(zhì)。

我國食用堅果的傳統(tǒng)歷史悠久,由于堅果具有營養(yǎng)保健功能,且價廉物美,深受我國人民的喜愛。國內(nèi)堅果類產(chǎn)品的市場規(guī)模近年來一直呈現(xiàn)加速增長的態(tài)勢,據(jù)統(tǒng)計,2017年國內(nèi)的堅果類產(chǎn)品終端市場規(guī)模接近277億元,同比增長11.5%,保持連續(xù)5年超過10%的增速。

目前,堅果的收取工具主要分為手工和機(jī)械兩種,還有智能收取機(jī)器人等高端設(shè)備。由于先進(jìn)國家的堅果主要依靠從發(fā)展中國家進(jìn)口,對小型果樹的果實(shí)收取研究并不深入,堅果收取的設(shè)備和技術(shù)等并不受重視。

在我國,堅果產(chǎn)業(yè)廣泛使用的是高枝剪等手工設(shè)備,較低的機(jī)械化程度導(dǎo)致工人勞動強(qiáng)度很大。堅果的收取受到生長周期的強(qiáng)烈影響：收取過早,堅果還未成熟,果仁不夠飽滿,且含油量不夠,品質(zhì)難以達(dá)到售賣要求;收取過晚,堅果又會由于表皮開裂導(dǎo)致其易受到霉菌感染,引發(fā)果實(shí)的腐爛變質(zhì),影響產(chǎn)量。此外,不少堅果都具有“花果同期”的特點(diǎn),即花蕾和果實(shí)同時存在,在對堅果進(jìn)行采收時,可能對花蕾造成傷害,從而導(dǎo)致下一年產(chǎn)量下降。

本研究以夏威夷果為例,設(shè)計了收取機(jī)具并進(jìn)行試驗,以提高堅果的采收效率,降低堅果種植業(yè)的勞動強(qiáng)度。

1 總體設(shè)計

前人[3-4]針對夏威夷果及其花蕾進(jìn)行了物理特性方面的測量和統(tǒng)計,夏威夷果及其花蕾的力學(xué)特性,如表1所示。對數(shù)據(jù)分析可知：夏威夷果與其花蕾相比直徑更大,且成熟的夏威夷果與樹枝的結(jié)合力小于花蕾-樹枝結(jié)合力。針對這種力學(xué)特性上的差異,提出了一種間距可調(diào)橡膠套金屬輥回轉(zhuǎn)式收取頭的夏威夷果收取方案,如圖 1 所示。該方案中,上、下橡膠套金屬輥組件朝著對方相反的方向做同步旋轉(zhuǎn),當(dāng)夏威夷果樹枝靠近橡膠套金屬輥組件時,樹枝將受到摩擦力的作用,被強(qiáng)制拉進(jìn)橡膠套金屬輥組件里,在橡膠套金屬輥組件和果實(shí)之間的擠壓下,夏威夷果將會受到接觸摩擦力,從而從樹枝上脫落。

表1 夏威夷果及其花蕾的力學(xué)特性Table 1 Mechanical properties of macadamia nuts and buds

裝置中橡膠套金屬輥的材料為尼龍塑料,具有特殊的韌性和剛性,能夠減少收取過程中花蕾受到的擠壓和摩擦,有效降低花蕾和樹枝受到橡膠套金屬輥的傷害與影響。上、下橡膠套金屬輥之間的組間距可以通過螺紋升降原理進(jìn)行調(diào)節(jié),且可以固定組間距,能夠根據(jù)樹枝的厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

橡膠套金屬輥回轉(zhuǎn)式夏威夷果收取裝置,如圖2所示。夏威夷果收取機(jī)主要包括行走底盤、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和果實(shí)收取頭。收取頭包括直流電動機(jī)、減速器、齒輪箱、鏈條、鏈輪,以及上、下橡膠套金屬輥組件。

在受到減速器的減速作用后,電動機(jī)將動力傳送至齒輪箱;齒輪箱上下兩對齒輪被帶動做異向旋轉(zhuǎn),齒輪軸將齒輪的旋轉(zhuǎn)動力傳遞給鏈輪,使兩組鏈輪發(fā)生旋轉(zhuǎn);上、下橡膠套金屬輥組件分別通過鏈條受到鏈條的作用進(jìn)行異向旋轉(zhuǎn),上橡膠套金屬輥組件做順時針旋轉(zhuǎn),下橡膠套金屬輥組做逆時針旋轉(zhuǎn)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括立臂和動臂,分別有一個液壓缸,收取頭液壓缸也在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中,其立臂、動臂、收取頭分別受到各自液壓缸的伸縮運(yùn)動,繞銷軸旋轉(zhuǎn)。裝置采用了履帶式挖掘機(jī)底盤,整個裝置和液壓輔助系統(tǒng)的動力都來源于這個底盤。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

橡膠套金屬輥組件包括橡膠套金屬輥、橡膠套金屬輥架及橡膠套金屬輥軸,每個部分的三維模型如圖 3所示,裝配好后的裝配模型如圖4 所示。

通過緊定螺釘,兩個橡膠套金屬輥架分別被安裝在橡膠套金屬輥軸的兩端,橡膠套金屬輥兩側(cè)通過菱形帶座軸承安裝在橡膠套金屬輥架上。每組橡膠套金屬輥組件上均勻?qū)ΨQ地安裝3根橡膠套金屬輥,呈現(xiàn)等邊三角形的布置形態(tài),可以避免收取時橡膠套金屬輥受到的磨損,橡膠套金屬輥的工作壽命能得以提高。

2.1 橡膠套金屬輥組件作用形式

收取工作中,橡膠套金屬輥組件與夏威夷果直接發(fā)生作用。在回轉(zhuǎn)支架的驅(qū)使下,橡膠套金屬輥繞回轉(zhuǎn)支架做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,在與夏威夷果接觸時,產(chǎn)生的摩擦力也會使橡膠套金屬輥發(fā)生自轉(zhuǎn)。橡膠套金屬輥與夏威夷果發(fā)生接觸后會出現(xiàn)雙橡膠套金屬輥式、單橡膠套金屬輥式和單雙橡膠套金屬輥式3種不同的作用形式,如圖5所示。其中,圖5(a)為雙橡膠套金屬輥式示意圖,這種作用形式下,上、下兩組橡膠套金屬輥中均有兩根橡膠套金屬輥與夏威夷果樹枝發(fā)生接觸;圖5(b)為單橡膠套金屬輥式示意圖,這種情況中,上、下兩組橡膠套金屬輥里均有一根橡膠套金屬輥與夏威夷果樹枝發(fā)生作用;圖5(c)為單雙橡膠套金屬輥式示意圖,即兩組橡膠套金屬輥中,有一組橡膠套金屬輥組件的一根橡膠套金屬輥與夏威夷果樹枝接觸,而另一組橡膠套金屬輥組件中有兩根橡膠套金屬輥對夏威夷果樹枝產(chǎn)生接觸。通過以上3種方式,夏威夷果都能被收取下來。

2.2 回轉(zhuǎn)支架組件設(shè)計

回轉(zhuǎn)支架組件主要包括伸縮桿、伸縮座、回轉(zhuǎn)支架和回轉(zhuǎn)滾動軸,如圖6所示。通過緊定螺釘,回轉(zhuǎn)支架被安裝在回轉(zhuǎn)滾動軸的兩端,伸縮桿則是沿著螺紋外旋的方向固定在伸縮座中,螺栓連接伸縮座和固定架。伸縮桿和伸縮座之間可以發(fā)生回轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動,也可在這兩個運(yùn)動間相互轉(zhuǎn)換,主要是由于伸縮桿的外螺紋和伸縮座的內(nèi)螺紋之間發(fā)生的牙面旋合作用。此外,螺紋傳動的優(yōu)點(diǎn)還在于可以精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)行程,且能自鎖。回轉(zhuǎn)滾動軸外側(cè)的鏈輪運(yùn)動可以帶動上回轉(zhuǎn)支架做逆時針運(yùn)動,下回轉(zhuǎn)支架則在鏈輪的作用下做順時針運(yùn)動。圖7為零件模擬裝配后的裝置模型,其伸縮桿在伸縮座軸方向的伸縮行程最大為6cm。

2.3 鏈輪鏈條設(shè)計

在對夏威夷果收取裝置進(jìn)行設(shè)計時,由于回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和齒輪箱的位置相對較遠(yuǎn),且尺寸比較大,橡膠套金屬輥回轉(zhuǎn)支架難以直接得到齒輪箱的動力,需要一套傳動機(jī)構(gòu)。林間收取夏威夷果具有勞動強(qiáng)度大、收取環(huán)境差的特點(diǎn),鏈?zhǔn)絺鲃虞^帶式傳動而言,摩擦滑動的發(fā)生幾率較小,也很少出現(xiàn)整體打滑的情況,可以保證穩(wěn)定不變的傳動比;且鏈?zhǔn)絺鲃佑捎诮Y(jié)構(gòu)緊湊,具有較小的尺寸和較高的效率,即使在潮濕、重負(fù)載之類的復(fù)雜收取情況下也能很好地傳動。因此,采用鏈輪鏈條傳動裝置來傳遞齒輪箱到回轉(zhuǎn)支架之間的動力[3-5]。根據(jù)相關(guān)設(shè)計手冊,采用以下傳動系統(tǒng)參數(shù),如表2所示。

表2 鏈輪鏈條參數(shù)表Table 2 Parameter table of sprocket chain

2.4 鏈輪鏈條結(jié)構(gòu)設(shè)計

齒輪箱的輸出軸兩端分別安裝小鏈輪,回轉(zhuǎn)支架的輸入軸安裝大鏈輪。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù),在軟件中模擬出了鏈輪的三維模型,如圖8所示。鏈?zhǔn)絺鲃酉到y(tǒng)安裝完成后的實(shí)際模型樣例,如圖9所示。

基于夏威夷果的實(shí)際收取工況,收取頭采用直流電機(jī),與便攜式電源直接相連,此類設(shè)計的電路搭建方便、安全性能較高,便于工人使用。 由于電動機(jī)具有較大的輸出轉(zhuǎn)速,為滿足收取條件,必須增加減速器裝置。設(shè)計中采用的是具有較為緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)、尺寸較小的蝸輪蝸桿減速器,能在高效運(yùn)作的同時保持平穩(wěn),使用壽命較長;此外,這類減速器的傳動比較大,具有較高的輸出扭矩,性能參數(shù)符合夏威夷果的收取條件。表3和表4為本設(shè)計中電機(jī)和相應(yīng)減速器的性能參數(shù)表。

表3 電機(jī)特性參數(shù)表Table 3 Characteristic parameters of motor

表4 減速器特性參數(shù)表Table 4 Characteristic parameter of reducer

2.5 電機(jī)及減速機(jī)選型設(shè)計

根據(jù)表3數(shù)據(jù),電機(jī)的額定功率為300W,傳動系統(tǒng)的輸出功率為300W。經(jīng)減速器后,電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為44r/min(n減),齒輪箱受到連軸器的傳動,轉(zhuǎn)速與電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速相同,減速器的輸出力矩為T減=40N·m,同樣,齒輪箱的扭矩也與輸出力矩相同。

2.6 收取臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

收取臂主要包括立臂、動臂及其各自的液壓缸,以及連桿和收取頭液壓缸。對各組件進(jìn)行測繪后,在軟件中模擬出等比的三維模型。以上零部件的連接關(guān)系如下：立臂液壓缸的兩端分別鉸接在底盤和立臂的內(nèi)側(cè);動臂液壓缸的兩端則分別鉸接在立臂的外側(cè)和動臂上;收取頭液壓缸的一端與動臂外側(cè)相連,另一端與連桿相接。圖10為收取臂的三維裝配模型。

1.橡膠套金屬輥組件 2.夏威夷果樹枝 3.螺紋升降桿圖1 收取方案簡圖Fig.1 Sketch of the picking scheme

1.行走底盤 2.立臂液壓缸 3.立臂 4.動臂液壓缸 5.動臂 6.收取頭液壓缸 7.直流電動機(jī) 8.齒輪箱 9.鏈輪 10.鏈條 11.橡膠套金屬輥組件圖2 夏威夷果收取裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure sketch of macadamia nuts picking machine

(a) 橡膠套金屬輥 (b) 橡膠套金屬輥架 (c) 橡膠套金屬輥軸圖3 橡膠套金屬輥組件零部件模型Fig.3 Parts model of rubber roller assembly

(a) (b) (c)圖5 橡膠套金屬輥組作用形式Fig.5 The action forms of rubber roller assembly

(a) 伸縮桿 (b) 伸縮底座

圖7 回轉(zhuǎn)支架組件模型Fig.7 Model of rotary rack assembly

(a) 小鏈輪 (b) 大鏈輪圖8 鏈輪模型Fig.8 Model of sprocket

圖9 鏈輪鏈條傳動系統(tǒng)Fig.9 Drive system of sprocket chain

圖10 收取機(jī)械臂裝配模型Fig.10 Assembly model of picking arm

2.7 收取臂工作范圍

研究表明：不同品種的夏威夷果具有差異化的結(jié)構(gòu)形態(tài),物理特性也有所不同。針對云南省種植的標(biāo)準(zhǔn)化夏威夷果林進(jìn)行研究,結(jié)果表明：盡管不同品種的夏威夷果形態(tài)有所差異,但其具有相對一致的種植模式。夏威夷果樹的平均株距在310cm左右,果樹的平均株高為290cm,樹冠的平均直徑在250cm左右,夏威夷果主要生長于樹冠表層,大約分布在30cm處。為了確定收取臂的運(yùn)動范圍及其整體的尺寸與結(jié)構(gòu),將夏威夷果林的空間分布設(shè)為2000mm×2000mm×3000mm 物理模型,如圖11所示。針對以上夏威夷果林的空間分布特點(diǎn),在對收取設(shè)備進(jìn)行設(shè)計時,要使設(shè)備在果林中自由運(yùn)動的同時,確保收取臂的工作范圍達(dá)到要求。

圖11 夏威夷果分布范圍Fig.11 Distribution range of macadamia nuts

收取臂為夏威夷果收取設(shè)備中的執(zhí)行組件。收取頭在豎向平面內(nèi)的運(yùn)動受到立臂液壓缸和動臂液壓缸的調(diào)控,進(jìn)入夏威夷果樹冠的方向與深度則由收取頭液壓缸控制。為了更好地從機(jī)械運(yùn)動學(xué)的角度進(jìn)行分析,將收取臂的物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型,并對其進(jìn)行優(yōu)化,如圖12所示。圖12中：立臂AE、動臂DC,θ1、θ2分別為水平方向上立臂和動臂的運(yùn)動夾角,立臂液壓缸和動臂液壓缸分別為ab和cd。將收取頭的前端為D,其與A點(diǎn)在水平方向和豎直方向上的距離范圍組成收取臂的工作范圍。

圖12 收取機(jī)械臂數(shù)學(xué)模型Fig.12 Mathematical model of picking arm

當(dāng)機(jī)械臂的整體工作范圍與夏威夷果的有效收取范圍相匹配時,收取頭即可在夏威夷果的任意生長位置進(jìn)行收取工作,其工作范圍如下：

1)收取臂末端D在水平方向上的位移xDA為

xDA=AA1+BB1+DD1=ABcosθ1+

BEcos(β+θ1- π) +DEcosθ20≤θ1≤ π/2

0≤θ2≤ π/2

2)收取臂末端 D 在豎直方向上的位移yDA為

yDA=BA1+EB1-ED1=ABsinθ1+

BEsin(β+θ1- π) -DEsinθ20≤θ1≤π/2

0≤θ2≤ π/2

3)收取臂的工作范圍需滿足以下條件：①水平方向上大于夏威夷果樹半徑,即xDA≥ 100cm;②豎直方向高于夏威夷果樹,除去挖掘機(jī)底盤(高50cm),則yDA≥ 240cm。

3 樣機(jī)制作與試驗

夏威夷果具有生長周期長、成熟周期短的特性,且分布較為廣泛,室外收取試驗的難度很大,且難以計算試驗結(jié)果,因此在室內(nèi)對單株的夏威夷果樹進(jìn)行試驗。

1)試驗?zāi)康?。在室?nèi)條件下,觀察夏威夷果收取設(shè)備對單株的夏威夷果樹進(jìn)行收取的效果,主要觀察收取過程,以及收取效果受到兩組橡膠套金屬輥之間的組間距的影響。試驗過程中,記錄夏威夷果的收取情況和花蕾受到損害的情況,總結(jié)整個收取過程中發(fā)現(xiàn)的問題并針對問題進(jìn)行優(yōu)化。

2)試驗材料。選取15株云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物標(biāo)本園中的夏威夷果樹枝,挑選長勢大約一致、均長有夏威夷果和花蕾的樹枝,從1到15依次為樹枝貼上編號,如圖13所示。使用游標(biāo)卡尺測量樹枝上夏威夷果和花蕾的尺寸,并記錄下數(shù)量,用游標(biāo)卡尺測量并記錄每株樹枝上夏威夷與花蕾的數(shù)量和直徑大小。

圖13 夏威夷果枝試驗樣本Fig.13 Sample of macadamia nuts branch tested

3)試驗參數(shù)與方法。表5列出了試驗中使用的各項參數(shù)。調(diào)節(jié)好參數(shù)后啟動設(shè)備,使用設(shè)備分別對夏威夷果樹枝進(jìn)行收取試驗,如圖14所示。收取過程中,單株樹枝共經(jīng)歷3個階段：①樹枝進(jìn)入橡膠套金屬輥組縫隙;②橡膠套金屬輥傾軋樹枝,夏威夷果柄斷裂;③夏威夷果與樹枝脫落分離。

(a) 進(jìn)入 (b) 脫落 (c) 分離圖14 夏威夷果收取試驗過程Fig.14 Process of macadamia nuts picking test

表5 收取試驗參數(shù)表Table 5 Parameters of picking test

3.1 收取試驗結(jié)果

表6列出了試驗中每株夏威夷果樹枝的收取結(jié)果,包括果實(shí)的直徑和脫落情況。

表6 夏威夷果試驗數(shù)據(jù)表Table 6 Shedding data in the macadamia nuts picking test

由表6可知：直徑在 27～42mm之間的夏威夷果可以從果枝上脫落下來,而果實(shí)直徑在11～28mm 時,夏威夷果無法順利脫落。試驗中設(shè)置的橡膠套金屬輥組間距為 30mm,根據(jù)數(shù)據(jù)可知收取下來的夏威夷果果徑均大于30mm,而果徑小于 30mm 的夏威夷果并未成功收取。以上結(jié)果表明：收取設(shè)備中橡膠套金屬輥回轉(zhuǎn)組件轉(zhuǎn)速為28r/min時,對于直徑大于25mm的夏威夷果的收取效果較好。

3.2 夏威夷果花蕾損傷結(jié)果

夏威夷果樹是典型的“花果同期”類植物,因此試驗中還記錄了每組夏威夷果樹枝上花蕾的損傷情況及花蕾的直徑,以期對設(shè)備的收取效果做出更全面的考察。試驗中花蕾的具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表 7 所示。

由表7可知：直徑在7～11mm間的夏威夷果花蕾均未從樹枝脫落,且及花蕾并未發(fā)現(xiàn)明顯傷害。由于橡膠套金屬輥組的組間距為30mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了花蕾的直徑,花蕾能夠順利通過收取頭的橡膠套金屬輥間距而不受到損害。根據(jù)前文的軟件模擬分析可知：堅果和花蕾受到的作用力隨著橡膠套金屬輥組轉(zhuǎn)速升高而增加,試驗中橡膠套金屬輥組的轉(zhuǎn)速設(shè)為最高轉(zhuǎn)速,收取過程中也未見花蕾發(fā)生脫落和損傷,說明該收取設(shè)備幾乎不會對夏威夷果花蕾造成傷害。與此同時,增加橡膠套金屬輥組的組間距也可以降低對花蕾的摩擦,減小傷害,試驗中將橡膠套金屬輥組的間距設(shè)為最小值,也未見傷害,同樣說明該設(shè)備能夠有效保護(hù)現(xiàn)存的夏威夷果花蕾。

表7 花蕾試驗數(shù)據(jù)表Table 7 Shedding data of flower buds in picking test

4 結(jié)論

針對堅果產(chǎn)業(yè)中的收取問題,設(shè)計出了一款橡膠套金屬輥回轉(zhuǎn)式堅果收取裝置。以夏威夷果這種“花果同期”的堅果為例,主要針對其收取環(huán)境的復(fù)雜性,及收取時容易損傷花蕾導(dǎo)致來年產(chǎn)量下降的問題,在對收取條件進(jìn)行模型轉(zhuǎn)化后,根據(jù)夏威夷果實(shí)與花蕾物理特性之間的差異,設(shè)計出整體收取方案。設(shè)計的創(chuàng)新點(diǎn)在于采用了橡膠套金屬輥回轉(zhuǎn)式收取頭。在裝配好樣機(jī)后進(jìn)行了室內(nèi)收取試驗,驗證收取效果和收取過程中花蕾的保護(hù)情況,結(jié)果表明：夏威夷果收取過程受到果實(shí)本身的直徑和橡膠套金屬輥組間距的影響：當(dāng)橡膠套金屬輥組間距大于果實(shí)直徑時,無法使夏威夷果從樹枝上脫落;當(dāng)橡膠套金屬輥組間距小于果實(shí)直徑時,可以有效地將夏威夷果與樹枝分離。當(dāng)設(shè)備的回轉(zhuǎn)組件轉(zhuǎn)速為28r/min、橡膠套金屬輥組間距為30mm時,收取直徑30mm以上的夏威夷果的效果較好,且橡膠套金屬輥組間距遠(yuǎn)大于夏威夷果花蕾的直徑,花蕾在收取過程中不會受到明顯傷害。