履带自走式果园采摘作业平台果实输送装置的研制

时间：2024-05-24

李强，范国强，王学良，张晓辉,王金星

(1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安 271018；2.山东省园艺机械与装备实验室，山东泰安 271018)

0 引言

在果园种植生产作业过程中，采摘作业约占整个作业量的40%，机械收获可以解放劳动力、提高生产效率、降低生产成本[1]。目前，国内应用最多的采摘作业方式是以地面或借助简易梯子的手工作业为主，其次是通过撞击或者振动使果实与果树分离的半自动化采摘平台及采摘机器人[2-5]。

20世纪60年代中期，美国研制出液压式的升降平台车，并配合使用采摘工具，大大提高了采摘效率。日本是最早开始坡地果园机械化研究的国家，最终成功研制出适合在15°～30°坡度地区使用的自走式采摘车[6-7]。目前，国内果园专用机械缺乏，研发和应用的果园采摘机械技术功能单一，自动化程度低。为此，结合国外的研发现状，设计出了此款履带自走式果园采摘作业平台[8-9]。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

履带自走式果园采摘作业平台主要由履带自走式底盘、液压油箱、果实输送系统、采摘平台、滑移轨道、果实收集箱、果箱承载台和落果箱机构组成，如图1所示。输送系统包括主输送装置、子输送装置、垂直输送装置及摊铺滚筒等。

1.2 工作原理

履带自走式果园采摘作业平台采用分级汇总传送装置。整个平台分为上下两层采摘工作位，分布在主输送装置两侧：下层采摘工作位，采摘人员站在地面上进行采摘作业；上层采摘工作位，采摘人员站在采摘平台上进行作业。采摘工作台的水平移动及上下升降都采用液压缸来控制，根据果园的实际行间距、果树的高度，通过开关控制液压缸升降，使采摘平台到达适当位置。

子输送装置靠旋转轴和摩擦片进行圆周旋转。采用空气弹簧支撑固定，通过调节空气弹簧的伸缩来实现子输送装置的仰角范围。采摘人员将采摘下的水果放置到子输送装置上，多个子输送装置上的水果共同汇聚到主输送装置上，通过垂直输送装置，落入到水果收集箱中。水果箱在果箱承载台上不停地旋转，摊铺滚筒将下落的水果均匀的分散到收集箱中。垂直输送装置下端装有传感器，通过对收集箱内水果的检测，用单片机控制液压缸将垂直输送装置不断地提升，直到收集箱内收集水果自动停止。

当收集箱装满后，液压缸将果箱承载台前端顶起，收集箱自动滑落到落果机构上，通过落果机构滑落到地面；采摘人员将空收集箱放置到果箱承载台上，将垂直输送装置下调到合适位置，可继续进行采摘工作。

1.3 主要技术参数

外形尺寸/mm：3 250×2 600×2 200

配套动力/kW：17

落箱托盘车外形尺寸/mm：3 000×1 350×1 370

主传输带速度/m·s-1：0～0.6

子传输带速度/m·s-1：0.15

垂直传输带速度/：m·s-1：0～0.7

采摘工作台水平移动可调范围/mm：0～1 300

采摘工作台垂直升降可调范围/mm：0～1 000

1.履带行走底盘 2.液压油箱 3.采摘平台 4.子输送装置 5.果箱承载台 6.果箱滑落支撑肋板 7.落果箱底盘 8.水果收集箱 9.摊铺滚筒 10.滑移轨道 11.垂直输送装置 12.主输送装置图1 履带自走式果园采摘作业平台整体结构Fig.1 Comprehensive structure of self-propelled orchard picking operation platform

2 关键部件设计

2.1 子输送装置

子输送装置是将不同工作位采摘下的果实共同汇集到主输送装置上，子输送装置由固定座、转动支座、空气弹簧、减速电机、电机固定座、链条链轮、挡板及输送皮带等组成，如图2所示。

1.挡板 2.输送皮带 3.气弹簧支座 4.气弹簧 5.减速电机座 6.90W的减速电机 7.链轮 8.滚筒 9.转动支座 10.链条 11.旋转轴 12.固定座

工作时，子输送装置通过固定座固定到主输送装置两侧，调节旋转轴使子输送装置可水平摆动，通过空气弹簧和旋转轴实现子输送装置前端倾角的调节，让采摘人员更舒服地将水果放置到子输送装置上，降低了水果表皮破损率，提高了采摘效率。

用12V、90W、减速比为15、输出转速120r/min的直流电动机作为子输送装置的动力。采用链条传动方式，主传动齿轮和辅传动齿轮齿数都采用17齿，传动比为1:1，则

i=z辅/z主=17/17=1

式中n—直流电机转速；

z主—主动链轮齿数；

z辅—从动链轮齿数；

i—链传动比。

2.2 主传输装置

主输送装置将汇聚在一起的水果，通过皮带输送方式，将水果传递到垂直输送装置上，是整个采摘作业平台的主系统，主要由主输送皮带、电动机、滚筒等组成，如图3所示。

采用12V、200W、减速比为12.5、输出转速为144r/min的直流减速电机。主传动齿轮和辅传动齿轮都采用17齿的齿轮，则

i=z辅/z主=17/17=1

n滚筒=n/i=144r/min

式中n—直流电机转速；

z主—主动链轮齿数；

z辅—从动链轮齿数；

i—链传动比。

1.子输送装置固定板 2.主输送皮带 3.滚筒 4.电动机固定座 5.电动机 6.支撑链接肋板 7.子输送装置固定板 8.滚筒固定支撑板

2.3 垂直传输装置

垂直输送装置由固定连接板、液压缸、垂直输送装置、200W的减速电机、传动链条、链轮、摊铺滚筒、传感器及升降滑轮等组成，如图4所示。

1.固定连接板 2.液压缸 3.垂直输送装置 4.直流电动机 5.传动链条 6.链轮 7.摊铺滚筒 8.传感器 9.输送带滚筒 10.升降滑轮

垂直传送装置是整套传输系统中最重要的部分，要保证水果下落到收集箱中，且水果表皮尽量减少破坏。以直径90mm左右的苹果为标准，进行实际测试计算，最后确定出垂直输送装置传送皮带宽度为400mm、皮带上挡板高度为70mm、挡板间隔宽度为100mm，极大地减少了水果表皮损伤。

采用最高转速为1 000r/min、减速传动比为8.5的直流电动机。

由公式

nM=n1i1i2

i1=z2/z1=17/17=1

则

式中nM—直流电机最大转速；

n1—滚筒最大转速；

i1—链传动比；

i2—减速传动比；

z1—主动链轮齿数(齿数为17) ；

z2—从动链轮齿数(齿数为17)。

齿轮2与齿轮3同轴且齿数相同，则

i3=z4/z3

n摊铺滚筒=n1/i3=118r/min

式中z4—毯铺滚轴上齿轮齿数(齿数为17)。

2.4 垂直传输装置传动系统

垂直输送装置传动系统主要由链轮链条、输送皮带、200W的减速电机、液压缸、传感器、单片机及移动滑轮组成，如图5所示。

图5 传动系统框图

3 试验与分析

3.1 试验条件

为了检验采摘作业平台果实输送装置的可靠性及作业平台各部件的灵活性，在山东农业大学的南校区果园进行试验，采用果树上的新鲜苹果。

3.2 试验方法

通过计算得出主输送皮带传动速度为0.42m/s、垂直输送皮带传动速度为0.73m/s时，主输送带与垂直输送带的最优线速度比值约为0.58。为了方便试验的对比性，将主输送皮带的线速度设定为0.15、0.2、0.25、0.3m/s，垂直输送皮带线速度相对应分别为0.26、0.34、0.43、0.52m/s。在试验过程中，将苹果按照规律放置到输送带上，放置规律分3种。其中，A单个连续放置，传输带每个挡板之间只放置一个苹果；B单个间隔连续放置，传输带每隔1个挡板放置1个苹果；C多个连续放置，传输带每个挡板之间可放置2～3个苹果。

3.3 试验结果与分析

进行了多组对比苹果输送试验，苹果损伤率试验结果如表1所示。

表1 输送试验结果 Table 1 Transport experiment results

试验数据表明：随着皮带输送速度的提升，测试苹果损伤率呈直线递增；单个连续放置、单个间隔连续放置、多个连续放置3种放置方式对苹果的损伤率逐步增加；当传动线速度为0.15～0.20m/s时，单个连续放置方式的苹果损伤率不超过6%；传动线速度为0.25～0.30m/s时，苹果损伤率在7%左右。

苹果损伤率在7%以上时，将严重影响苹果后期的运输、储存、销售。以上结果表明：当输送带线速度不超过0.2m/s时，采用单个连续放置方式，损伤率符合采摘要求；传动线速度大于0.25m/s后，损伤率过大，不符合采摘要求。在后续的设计中，要着重解决优化输送方式、材料的缓冲减震、皮带材料的软硬度等问题，要尽最大限度满足采摘要求，提高采摘效率及采摘平台应用价值。