基于亞行四邊形抬臂伸縮機構(gòu)的采棗裝置研究與設(shè)計

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(dǎo),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(shè)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(shè)計了一款基于平行四邊形抬臂伸縮機構(gòu)的采棗裝置,與傳統(tǒng)的伸縮桿形式相比,實現(xiàn)打棗機構(gòu)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(diào)節(jié)即可,使完成打棗機構(gòu)的升降動作和前后移動都能輕松省力,能夠?qū)崿F(xiàn)長時間進行采棗作業(yè),適用性強。

1采棗裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于平行四邊形抬臂伸縮機構(gòu)的采棗裝置,包括平行四邊形抬臂伸縮機構(gòu)、打棗作業(yè)機構(gòu)、操縱部、收集控制機構(gòu)、收集箱及移動底盤。其中,收集箱設(shè)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(gòu)中部設(shè)置于底盤立桿上部,操縱部設(shè)置在平行四邊形抬臂伸縮機構(gòu)一端,打棗作業(yè)機構(gòu)與收集控制機構(gòu)設(shè)置在平行四邊形抬臂伸縮機構(gòu)另一端,且打棗作業(yè)機構(gòu)位于該端上部,收集控制機構(gòu)位于該端下部。

基于平行四邊形抬臂伸縮機構(gòu)的采棗裝置如圖1所示。

1.1平行四邊形抬臂伸縮機構(gòu)設(shè)計

平行四邊形抬臂伸縮機構(gòu)由左平行四邊形抬臂伸縮機構(gòu)與右平行四邊形抬臂伸縮機構(gòu)組成,分別分布在底盤立桿的對立兩側(cè),每個平行四邊形抬臂伸縮機構(gòu)由兩根長桿和兩根短桿構(gòu)成,每側(cè)的兩根長桿通過活動關(guān)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(gòu)中四邊形的大小為0.4m×1m,一側(cè)短桿上安裝有把手桿,另一側(cè)短桿上安裝有打棗作業(yè)機構(gòu)和收集控制機構(gòu)。其中,打棗作業(yè)機構(gòu)位于收集控制機構(gòu)的正上方,由于平行四邊形抬臂伸縮機構(gòu)的特性,打棗作業(yè)機構(gòu)和收集控制機構(gòu)永遠處于同一豎直線上,有利于打棗作業(yè)機構(gòu)打下的棗子直接落入收集網(wǎng)中。操作者通過調(diào)節(jié)短桿上的把手桿高度來調(diào)節(jié)平行四邊形的形狀,由于打棗作業(yè)機構(gòu)位于把手桿的對立短桿上端,因此能夠調(diào)節(jié)打棗作業(yè)機構(gòu)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(gòu)設(shè)計

打棗作業(yè)機構(gòu)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(gòu)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(gòu),當(dāng)電機帶動偏心輪做周轉(zhuǎn)運動時,即可帶動偏心推桿做較高頻率的往復(fù)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(fù)直線運動,用來震動樹枝打下棗子。

傳動部分為偏心輪機構(gòu),包括偏心驅(qū)動電機、偏心軸、偏心連桿、偏心推桿、偏心桿限位導(dǎo)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(nèi)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(gòu)能將偏心輪的周轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成偏心推桿的往復(fù)直線運動,偏心輪的轉(zhuǎn)速為300r/min,轉(zhuǎn)換成偏心推桿的往復(fù)頻率為5Hz,其中,頻率轉(zhuǎn)換公式為:

式中,f為頻率(Hz):n為轉(zhuǎn)速(r/min)。

打棗作業(yè)機構(gòu)和偏心輪機構(gòu)原理圖如圖2、圖3所示。

1.3收集控制機構(gòu)設(shè)計

收集控制機構(gòu)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(gòu)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(diào)整。

在進行打棗作業(yè)時,調(diào)整好各個張角的大小,即調(diào)整好收集網(wǎng)面積的大小,然后開啟偏心驅(qū)動電機,使打棗終端進行高頻率的往復(fù)上下直線運動,以便震動樹枝打下棗子。由于伸縮機構(gòu)采用平行四邊形結(jié)構(gòu),其巧妙地使打棗作業(yè)機構(gòu)與收集控制機構(gòu)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(gòu)的升降動作和前后移動,進而帶動打棗作業(yè)機構(gòu)升降動作和前后移動,使打棗作業(yè)機構(gòu)到達所需打棗的位置,調(diào)整好后開啟偏心驅(qū)動電機,偏心輪機構(gòu)將偏心輪的圓周運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的往復(fù)直線運動,進而帶動打棗機構(gòu)做相同的往復(fù)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(nèi),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(zhuǎn)動底盤立桿并加以固定,換一個位置,重復(fù)以上打棗過程的操作。

操作狀態(tài)原理如圖4所示。

3結(jié)語

本研究設(shè)計了一款基于平行四邊形抬臂伸縮機構(gòu)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(fù)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(yīng)用范圍廣。