冬枣辅助采摘车的设计与试验

刘广新，王淑君，赵玉刚，蔡善儒

(山东理工大学a.机械工程学院；b.农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049)

0 引言

近年来，沾化冬枣因其味道甘甜、皮薄肉脆、营养价值高等特点很受人们欢迎。冬枣种植于山东、陕西等地，以位于沾化区下洼镇的冬枣最为出名，产量也在逐年增加，到2020年预计产值可达40亿人民币。根据冬枣的成熟情况，沾化冬枣的采摘过程一般分为前期的筛选采摘和后期的集中采摘，采摘过程费时费力，属于典型季节性强和劳动密集型的工作[1]。加之当地从事农业劳动的人口逐年减少，冬枣种植逐年增加，出现了采摘效率低、劳动量大及劳动力短缺等问题，如果采摘收获不及时会带来更大经济损失。目前，冬枣的采摘方式主要依靠人工采摘。采摘高处的果实时，人的手臂和脖子很容易出现疲劳感，采摘效率低[2]，同时还要借助人字梯等工具，很容易发生安全事故。因此，冬枣采摘实现机械化极为重要。国外的大型采摘设备很难适应国内的种植模式，而国内西北农林科技大学彭俊[3]研制的基于振动理论的冬枣收获机不适应收获皮薄肉脆的沾化冬枣，其原因是振动采摘过程中会损伤冬枣，不利于冬枣的运输和储存。熊俊涛[4]等人研制的基于机器人视觉采摘多类水果的机器人系统，采摘效率低，成本高，维护费时费力。因此，研制出能够适应沾化冬枣种植模式、成本低、维护简单、操作简单的机械化采摘车极为重要。根据以上分析，课题组研制出一款采用电驱动多作业单元的冬枣辅助采摘车，可以适应沾化冬枣的种植和采摘特点，具有成本低、维护简单、枣果损伤小及效率高等优点。

1 整车结构与工作原理

1.1 冬枣种植模式与机械化采摘要求

冬枣采用行作种植，依据合理密植对冬枣树进行修剪，使树高小于行距。沾化冬枣的行距规格因枣树品种的不同也会采用不同的行距，一般行距为3m和4m。图1为行距3m的种植示意图。

1.冬枣园地面 2.冬枣树 3.冬枣树树冠

在机械化采摘冬枣过程中，对采摘车有如下要求：采摘车工作过程中对枣树损伤尽可能小，能从行与行的狭小空间里通过；采摘车行驶过的地面土壤硬化程度小；采摘作业者能够采摘不同高度的冬枣，操作简单。由上述可知：要求采摘车整车质量要小，采摘过程中要一次性通过行间，也就是说采摘车每走1次要采摘两行树，采摘车要有能够承载作业者安全上下移动的装置。

1.2 整车结构和主要技术参数

考虑到沾化冬枣作为当地的经济作物，主要种植在平缓地带，对采摘车的爬坡能力要求不高，故采用电驱动。车架由不同规格的矩形钢管焊接而成，其它部件均通过不同的连接方式组成冬枣辅助采摘车。该辅助采摘车主要由车架、旋转支座、升降四杆机构及站立筒等组成，旋转支座固定在车架中轴线上，以适应冬枣园内行与行之间的狭小空间。其结构简图如图2所示，主要技术参数如表1所示。

1.采摘车方向轮 2.采摘车支架 3.驾驶员座椅 4.方向盘 5.周转箱放置区 6.旋转支座 7.升降液压缸 8.升降四杆机构杆 9.周转箱支架 10.周转箱 11.站立筒 12.冬枣滚道 13. 控制盒 14.驱动轮 15.旋转液压缸

参数单位数值工作状态外形尺寸(长×宽×高)mmmax4520×4000×2840运输状态外形尺寸(长×宽×高)mm3550×1650×2840整车质量kg1650采摘最大高度mm4000工作行数行125.25轮胎直径mm600

1.3 工作原理

工作前，采摘车处于运输状态，由驾驶员一人驾驶采摘车行驶到冬枣园，到达指定位置后，采摘作业者进入站立筒做准备工作。驾驶员负责将冬枣周转箱放置到周转箱支架上，此时作业者操纵控制盒升高或者转动靠近待采摘冬枣的位置。作业时，将采摘到的冬枣直接放入站立筒靠近冬枣树的一侧的冬枣滚道，冬枣慢慢滚入周转箱，树叶等杂质通过固定于滚道末端的风机吹走；待周转箱满时，冬枣作业者协同驾驶员将其放置到周转箱放置区，随后驾驶员再次放置新的周转箱至周转箱支架处，采摘作业者继续工作。采摘作业者根据所采摘的范围内待采摘冬枣的多少，通知驾驶员先前移动采摘车，并继续协同工作。旋转液压缸驱动两套采摘单元可以在各自的扇形可行域内进行扫描，达到单独作业互不干扰的目的。升降液压缸驱动采摘单元上下移动，接近待采摘冬枣。旋转液压缸和升降液压缸结合采摘车的向前行驶，完成一次行驶采摘双行。此设计可以减小采摘车对地面的硬化程度，同时也能最大化地提高采摘效率，工作原理如图3所示。

1.作业单元 2.采摘车 3.扇形采摘作业区 4.冬枣树

2 关键部件设计与参数确定

2.1 旋转支座的设计与力学分析

考虑到采摘作业者需要能够借助升降四杆机构上下移动和左右移动，设计了旋转支座。旋转支座下部通过轴承连接着车架同时连接着旋转液压缸，上部通过销轴链接着升降四杆机构，受力比较复杂，也很容易收到来自路面和液压站的激励，是冬枣辅助采摘车的重要部件。通过有限元动静力学分析和模态分析来判断旋转支座的设计是否合理。使用Pro/E对旋转支座建模并对模型进行简化[5]，将简化后的模型导入workbench中选择旋转支座极限工况进行动静力学分析。静力分析结果如图4所示。

图4 旋转支座静动力学分析结果

由图4可以看出：最大位移位于旋转支座的升降液压缸下部固定孔板圆弧处，为0.047mm；最大应力位于旋转支座矩形板与升降液压缸下部固定孔板连接处，为35.137MPa，远小于材料的许用值(旋转支座材料为Q235，σmax=235Mpa)。根据模态理论可知，低阶频率对零件本身的影响最大，所以选择前4阶固有频率进行分析[6]。前4阶频率及最大变形结果如表2所示。旋转支座承载的升降四杆机构和站立筒,其转动时产生的激励频率主要来自路面和液压站工作时的激励。液压站工作时的转速在600r/min以下,激励频率低于10Hz，公路路面面车速最大40km/h时，发动机振动频率可达80 Hz[7]。由上述分析可以得出，旋转支座的低阶频率远远高于外部激励造成的振动频率。通过静力学分析和模态分析，表明旋转支座的设计是合理的。

表2 旋转支座前4阶频率及最大变形

2.2 升降液压缸的设计

升降四杆机构在液压缸的加力下进行升降。选用液压缸时，不仅要考虑其外径，还要考虑升降高度用以满足达到最大采摘高度,因此需要对液压缸各参数进行优化求解。选用的液压缸应满足以下条件：缸体外径小于升降四杆机构左右两矩形钢管之间的距离；工作行程S与安装距离X的比值尽可能小[8]。

在升降四杆机构中上双联四杆机构为主要的受力部件，简化后受力如图5所示。

图5 升降四杆机构受力图

其中，上双联升降杆AC处于水平位置时(实线)，采摘车处于运输状态；升降四杆机构在液压缸的推动下绕A点顺时针转动(双点划线)，采摘车处于工作状态。图5中，B点为液压缸的安装点；θ为升降四杆机构的运动范围角(°)；G为采摘作业者、站立筒、满载的冬枣周转箱等物体总质量的重力(N)；F为升降液压缸的推力(N)；Fy为升降液压缸的推力在y方向的分力(N)；α为升降液压缸与上双联升降杆之间的夹角(°)。当θ=0°时，升降液压缸所需的推力达到最大。由于升降液压缸采用单作用无背压的液压缸，缸体内径为[9]

(1)

其中，p1为液压缸的工作腔压力(MPa)；D0为缸体内径(mm)。

根据已知条件S=220mm，X=478mm，lAC=1200mm，lBC=478mm，θ=[0°,53°]，α=[22°,35°]，G=1 400N，缸体材料许用应力[σ]=100MPa[10]，计算可得升降液压缸外径D1max=100mm、p1=15.9MPa。

液压缸的壁厚δ为

(2)

其中，D1为缸体外径(mm)。

升降液压缸的缸体长度为

L0=S+X+H+Y+Z

(3)

式中X—活塞长度，取X=0.8D0(mm)；

H—活塞杆导向长度，取H=1.2D0(mm)；

Y—活塞杆密封长度，取Y=10mm;

Z—其它长度，取Z=25mm。

由式(1)～式(3)得升降液压缸的内径D0=30mm，外径D1=60mm，缸体总长L0=315mm。

2.3 升降四杆机构的设计

升降四杆机构是连接旋转支座和站立筒的重要部件，如图2所示。每个作业单元的升降四杆机构由长度相同的4根矩形钢管组合而成,每根矩形钢管长1 200mm。位于上侧的两平行杆件为上双联升降杆，位于下侧的两平行杆件为下双联升降杆，整个结构主要起到调整站立筒的升降和保证采摘作业者安全的作用。

2.4 站立筒的设计

站立筒是采摘作业者的站立装置，由冬枣滚道、冬枣周转箱支架、除杂设备及控制盒等组成。冬枣滚道由内滚道和外滚道组成内，内滚道为柔软材料，如图6所示。冬枣在重力和振动的共同作用下，滚入冬枣周转箱，除杂设备位于冬枣滚到末端，将采摘作业者采摘冬枣过程中的树叶等杂质吹走；树叶等杂质较冬枣质量轻、受力面积大，在微型风机的作用下易被吹走。考虑到采摘作业者的安全和舒适性，设计站立筒的直径为450mm，高度为900mm。

1.冬枣外滚道 2.冬枣内滚道 3.振动电机 4.振动块图6 冬枣滚道原理图

3 采摘车的功率计算

3.1 行走功率计算

采摘车处于运输状态下的行走功率要大于工作状态下的行走功率，所以计算运输状态下的功率作为行走功率。行走过程中，驱动轮与地面接触会产生法向和切向的相互作用力[11]。采摘车行走过程中地面对其阻力Ff为

Ff=Gucosα

(4)

其中，G为整车满载质量的重力，取G=2×104N；u为阻力系数，取u=0.08；α为坡度角，取α=0°。

采摘车处于运输状态下的行走功率P1为

P1=Ffvm

(5)

其中，取vm=20km/h。

由式(4)和式(5)得出P1=8 896W，取整P1=9kW。

3.2 液压站功率计算

采摘车具有两个互不干扰的作业单元，每个作业单元各有1个旋转液压缸和1个升降液压缸：升降液压缸主要对升降四杆机构起到升降的作用，推力较大；旋转液压缸主要起到拨动旋转支座旋转的作用，推力较小；旋转液压缸与升降液压缸不同时工作。因此，升降液压缸为主要负载，液压站的功率主要是液压站电动机的功率。液压站电机功率P2为[12]

(6)

式中Q—两个作业单元的总额定载质量，取Q=360kg；

V—上升速度，取V=50mm/s；

η—液压体统及传动机构效率，取η=0.79。

计算得P2=283W。

4 试验和结果

冬枣辅助采摘车试验分为路试和采摘试验：路试主要考察采摘车的转换状态和行驶转弯状况；采摘试验主要考察采摘效率和枣果损伤率。

4.1 采摘试验条件与设备

2017年10月，在山东省沾化冬枣研究所冬枣种植基地进行试验。此时，冬枣采摘处于后期的集中采摘阶段。土壤类型为黄土，土壤含水率14.1%；行距4m，株距4m，双行，长度18m。试验所用仪器与设备为皮尺、秒表、电子秤等。

4.2 试验方法

采摘试验前，将试验枣树分为3段，每段长6m；采摘车分别以3种不同的速度行驶，进行3次试验；每次试验过后，对冬枣周转箱内的冬枣进行称重，挑出破损的冬枣称重。

4.3 试验结果与分析

试验结果如表3所示。结果表明：冬枣辅助采摘车在冬枣园实际工况下，以0.04km/h的速度作业时，冬枣采摘量为184.3kg/h，冬枣破损率低于2.0%，采摘量是人工采摘的8～10倍，破损率仅为人工采摘的32%；各执行机构的动作执行均未受到干扰。图7为采摘试验图。

表3 枣园试验结果

图7 采摘试验

4.4 道路试验

道路试验如图8所示，试验结果如表4所示。

图8 道路试验

参数状态转换用时/min最小离地间隙/mm接近角/(°)离去角/(°)设计要求≤2≤300≥5560测量结果0.92506370

2017年10月，于某机械加工厂内平坦水泥地面进行试验,结果表明：冬枣辅助采摘车采摘状态与运输状态转换灵活，通过性能优良。

5 结论

设计的4DD-2型冬枣采摘车满足沾化冬枣种植模式和农艺要求，结构紧凑，采摘效率高。结合采摘车的实际工作环境，对驱动电动机和液压站马达进行参数计算，升降液压缸与旋转支座均满足设计要求。枣园采摘和道路试验表明：采摘车作业速度以0.04km/h的速度作业时，冬枣采摘量为184.3kg/h，冬枣破损率低于2.0%，采摘量是人工采摘的10倍，破损率仅为人工采摘的32%；冬枣辅助采摘车采摘状态与运输状态转换灵活，通过性能优良。