基于亚行四边形抬臂伸缩机构的采枣装置研究与设计

引言

虽然我国枣子的产量和种类比较多,但对于枣子采摘还没有实现机械化,很多方面仍然存在不足。采枣采用大型机械效率比较低,而小型器械可使用的种类较少,不太齐全,以半自动化的辅助机械为主导,比如可移动水果采摘梯、可伸缩式采摘器,此类机械在一定程度上提高了水果采摘的效率。但枣分布在果树的各个部位,因此,需要半自动化的小型机械采摘设备,能适用于各种枣园环境,同时相比于传统的人工采摘,大幅度提升采摘效率。

本文研究设计了一款基于平行四边形抬臂伸缩机构的采枣装置,与传统的伸缩杆形式相比,实现打枣机构升降动作时,不再需要操作者举着伸缩杆进行作业,只需握住把手杆进行调节即可,使完成打枣机构的升降动作和前后移动都能轻松省力,能够实现长时间进行采枣作业,适用性强。

1采枣装置总体结构设计

基于平行四边形抬臂伸缩机构的采枣装置,包括平行四边形抬臂伸缩机构、打枣作业机构、操纵部、收集控制机构、收集箱及移动底盘。其中,收集箱设置在移动底盘底部,移动底盘上固定有底盘立杆,平行四边形抬臂伸缩机构中部设置于底盘立杆上部,操纵部设置在平行四边形抬臂伸缩机构一端,打枣作业机构与收集控制机构设置在平行四边形抬臂伸缩机构另一端,且打枣作业机构位于该端上部,收集控制机构位于该端下部。

基于平行四边形抬臂伸缩机构的采枣装置如图1所示。

1.1平行四边形抬臂伸缩机构设计

平行四边形抬臂伸缩机构由左平行四边形抬臂伸缩机构与右平行四边形抬臂伸缩机构组成,分别分布在底盘立杆的对立两侧,每个平行四边形抬臂伸缩机构由两根长杆和两根短杆构成,每侧的两根长杆通过活动关节安装在底盘立杆上。这种连接方式可使长杆相对底盘立杆任意滑动,可以改变长杆与立杆之间的角度,同时也能改变平行四边形相距地面的高度。

平行四边形抬臂伸缩机构中四边形的大小为0.4m×1m,一侧短杆上安装有把手杆,另一侧短杆上安装有打枣作业机构和收集控制机构。其中,打枣作业机构位于收集控制机构的正上方,由于平行四边形抬臂伸缩机构的特性,打枣作业机构和收集控制机构永远处于同一竖直线上,有利于打枣作业机构打下的枣子直接落入收集网中。操作者通过调节短杆上的把手杆高度来调节平行四边形的形状,由于打枣作业机构位于把手杆的对立短杆上端,因此能够调节打枣作业机构的高度,增大了打枣作业的高度范围。

1.2打枣作业机构设计

打枣作业机构由传动部分和采枣终端两部分所组成,位于平行四边形抬臂伸缩机构的短杆上部。传动装置为了实现一定规律的打枣运动,采用偏心轮机构,当电机带动偏心轮做周转运动时,即可带动偏心推杆做较高频率的往复直线运动。采枣终端采用尺梳式的长方形4×5均布排列的打杆齿梳,打枣齿梳的固定板下端与传动装置的推杆相连,与推杆做相同的较高频率的往复直线运动,用来震动树枝打下枣子。

传动部分为偏心轮机构,包括偏心驱动电机、偏心轴、偏心连杆、偏心推杆、偏心杆限位导向座,打枣终端包括打枣齿梳、齿梳安装板。传动部分与打枣终端通过安装板连接件连接,该连接件用于使打枣齿梳安装板始终在一个平面内上下震动,保证打枣终端与传动部分的位置保持相对固定。偏心轮机构能将偏心轮的周转运动转换成偏心推杆的往复直线运动,偏心轮的转速为300r/min,转换成偏心推杆的往复频率为5Hz,其中,频率转换公式为:

式中,f为频率(Hz):n为转速(r/min)。

打枣作业机构和偏心轮机构原理图如图2、图3所示。

1.3收集控制机构设计

收集控制机构包括左收集斜杆、右收集斜杆、左收集横杆、右收集横杆、收集网及收集箱。收集斜杆与收集横杆可活动连接,收集斜杆与平行四边形机构中的短杆活动连接,收集网安装在左部收集横杆与右部收集横杆上。左收集斜杆与右收集斜杆之间形成张角,左收集横杆与左收集斜杆之间、右收集横杆与右收集斜杆之间分别形成张角,通过控制各处张角以实现对收集网可收集面积大小的调整。

在进行打枣作业时,调整好各个张角的大小,即调整好收集网面积的大小,然后开启偏心驱动电机,使打枣终端进行高频率的往复上下直线运动,以便震动树枝打下枣子。由于伸缩机构采用平行四边形结构,其巧妙地使打枣作业机构与收集控制机构处于同一竖直线上,枣子打落后将直接掉到收集网上,顺着收集网落入收集箱中。

2采枣装置的工作原理及操作过程

进行打枣作业前,先将本装置移至需要采摘的枣树下,然后操作者握住把手杆可以实现平行四边形抬臂伸缩机构的升降动作和前后移动,进而带动打枣作业机构升降动作和前后移动,使打枣作业机构到达所需打枣的位置,调整好后开启偏心驱动电机,偏心轮机构将偏心轮的圆周运动转变为推杆的往复直线运动,进而带动打枣机构做相同的往复直线运动,实现打杆齿梳上下震动,枣子经过震动掉入收集网内,经过收集网汇集到收集箱中。操作者在收集完该处的枣子后,可以转动底盘立杆并加以固定,换一个位置,重复以上打枣过程的操作。

操作状态原理如图4所示。

3结语

本研究设计了一款基于平行四边形抬臂伸缩机构的采枣装置,在一定程度上可降低人工成本,提高工作效率。该装置采用较高频率的动作震动树枝,模拟了人工利用工具反复敲打树枝的动作来采摘枣子,可以减轻操作者的劳动强度,使其能够长时间进行采摘作业,大大提高了采摘效率。该装置对果园场地要求不高,能适用于我国任何类型的果园,应用范围广。