山核桃采摘機-周杭超

山核桃采摘機周杭超2111302120一、研究背景和意義野生山核桃為胡桃科山核桃屬，為中國特有的干果和木本油料樹種，是山核桃屬中經(jīng)濟價值最高且大量栽培的3個種之一，多生長在海拔200~600m濕潤的山林中。目前中國山核桃種植面積約有8.71萬，主要分布在浙江的臨安、淳安、桐廬和安徽的寧國、績溪等地。其中浙江省臨安市、淳安縣和安徽省寧國市的山核桃產(chǎn)量接近全國的90%,據(jù)估計，全國山核桃產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值約為30億元,2023年浙江省山核桃總產(chǎn)值超過25億元。山核桃不但具有豐富的營養(yǎng)價值和保健作用，還被應用在飼料加工和建筑材料等領域。但是山核桃樹一般高20多米，生長在比擬陡峭的山上，平均坡度在25度左右，有的甚至達35至45度，很難通過機械方法進行采收，至今當?shù)剞r(nóng)民主要還是采取原始的方法——爬到樹上用竹竿打，這極易造成意外。臨安市每年因山核桃采摘事故造成的死傷悲劇卻不斷在上演。2004年，共有7人在采摘山核桃過程中死亡，108人受傷；到了2006年這一數(shù)字上升為16人死亡200多人受傷；而到2023年，開摘僅8天即有9人死亡。這一組組血淋淋的數(shù)據(jù)，無時不刻地拷問著當?shù)氐纳胶颂耶a(chǎn)業(yè)。圖1工人采摘鑒于上述的社會背景，所以設計山核桃采摘裝置，通過機械的方式來進行采摘作業(yè)，以減少人員的傷亡，提高勞動效率，減少經(jīng)濟的損失，使得山核桃產(chǎn)業(yè)能夠更健康持續(xù)開展。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀山核桃采摘裝置的研究主要有人工采摘裝備的研究，旋轉(zhuǎn)敲打摘果器研究，機械振動采摘機研究。2.1人工采摘裝備的研究人工采摘的裝備主要有爬樹器、平安帶和蜈蚣梯等。2004年浙江淳安山核桃協(xié)會研制出“山核桃平安采摘平安帶〞。該平安帶利用蹦極原理，可承受2000kg的拉力，意外墜落時能使人懸掛于空中，減少傷亡事故。2023年陳常威與浙江大學合作，研制一種TZC-05型果實采摘裝置(圖2-1)。這款新產(chǎn)品的繩索借鑒了汽車平安帶的特點，采摘時根本感覺不到操作束縛，而一旦感應-到瞬間墜落的沖擊力，防墜器會瞬間鎖死平安繩，防止人員摔到地而上。圖2-1山核桃平安采摘帶挪威研制的組合式采種梯，由多段鋁合金制成，高度可到達27m，該梯組合與分解非常方便[1]。國內(nèi)有方勤敏等[2]研究設計的1STZ-25型上樹采種(果)設備，可適應山核桃采摘。該設備利用插入聯(lián)結原理做成組合梯，可將梯身架設至所需的采種位置，采用可調(diào)節(jié)的定位支撐和可擺動小角度的梯身聯(lián)接機構，具有更強的適應性。1989年曹雙喜等[3]創(chuàng)造的水果采摘梯〔圖2-2〕，該梯由3根立柱組成三角架，1根立柱作為主梯，主梯兩邊帶有向上傾斜的豁口，可利用帶掛鉤的腳蹬及折疊椅，隨意上下采摘果實。圖2-2水果采摘梯2023年大姚億利豐農(nóng)產(chǎn)品創(chuàng)造的核桃采摘裝置，其由剪枝裝置和儲果籮構成，操作柄、伸縮桿和剪具構成剪枝裝置，操作柄的活動拉手與剪具的活動刀片之間通過拉桿連接，拉桿位于伸縮桿內(nèi)部，操作柄的活動拉手與固定拉手之間連接有彈性裝置，剪具的固定刀片與活動刀片之間通過銷軸連接，儲果籮通過掛繩掛在剪具上。圖2-3核桃采摘機2.2旋轉(zhuǎn)敲打摘果器研究旋轉(zhuǎn)敲打摘果器包括動力源、伸縮桿、傳動軸、采摘頭等，通過各種動力驅(qū)動傳動軸，進而帶動采摘頭運動，依靠采摘頭上工作件的沖擊力敲落山核桃、銀杏、香框等堅果。只是組成的布置形式和結構不同而已。國內(nèi)20世紀70年代就研制出手持電動采果器，近幾年許多研究人員在采摘頭旋轉(zhuǎn)運動方式上取得了研究成果。如2023年雷澤民等[4]研制了采摘頭擺動運動方式的采摘器(圖2-3),配以振動盤，垂直于振動盤設置多個平行的振動桿，振動盤、振動桿成一整體，以及使上述整體上下升降的升降機構、使上述整體擺動的驅(qū)動機構的采摘裝置，實現(xiàn)了采摘的機械化，可代替人工，操作簡便、高效。圖2-3枸杞采摘裝置2023年雷澤明創(chuàng)造的果實采摘機〔圖2-4〕，該采摘機包括采摘頭、帶動采摘頭擺動的驅(qū)動裝置，其特征在于安裝在殼體內(nèi)的驅(qū)動裝置為平面連桿機構，該平面連桿機構中的曲柄與可旋轉(zhuǎn)安裝在殼體內(nèi)的輸入軸上端固定相連，輸入軸下端通過軟連接與電機相連，平面連桿機構中的搖桿與采摘頭相連。采摘時，將采摘頭插入構祀或沙棘的枝條中，通過梳狀采摘頭的擺動，將成熟果實搖下，落入收集裝置中，提高了果實的采摘效率。圖2-4果實采摘機2023年柴秀洪等研發(fā)了多功能堅果采摘機，其主要由自動感應負載變頻發(fā)電機、可調(diào)節(jié)伸縮特種材質(zhì)管、阻尼式采打機械頭及放線器組成，所述主拍打電機通過軟硬軸動力傳動組件與人工仿真拍打器連接，所述單軸雙向自動伸縮器通過鋼絲分別與升降輔助機構和軟硬軸動力傳動組件連接。調(diào)節(jié)高度為4.0~13.5m，可360度任意旋轉(zhuǎn)，且具有自動保護電路功能。圖2-5多功能堅果采摘機2023年浙江農(nóng)林大學的張蔚創(chuàng)造的擊打式山核桃采摘機〔圖2-6〕，包括一底板、一安裝于該底板上的動力源、一采摘傳動機構、一制動機構、及一擊打裝置。圖2-6擊打式山核桃采摘機2.3機械振動采摘機研究機械振動采摘機的工作原理是通過機械自動振動果樹的樹干使要收獲的熟鮮果品抖落，類似甩鞭時，鞭梢局部移動的速度可以超過聲速，細枝猶如鞭子，樹梢上的果子便可抖落下來。20世40年代中期美國開始研究振搖式采摘機械，用來采摘胡桃和杏等果實，到50年代中期，出現(xiàn)了拖拉機驅(qū)動的振搖采摘機[5]。目前國外所采用的核桃采摘機具主要是美國、加拿大和澳大利亞生產(chǎn)的振動落果機[6,7](圖2-7)〕。中國20世紀70年代也研制出與手扶拖拉機配套的機械振動式山碴采果機。東北林業(yè)大學研制了由集材拖拉機驅(qū)動的振動式采種機(圖2-8)，由于消耗功率大，而且對樹木損傷很大，在生產(chǎn)部門沒得到推廣使用。圖2-7振動落果機圖2-8振動式采種機2023年陜西科技大學創(chuàng)造的便攜式核桃采摘機〔圖2-9〕，其包括驅(qū)動裝置、傳動軟軸、振動裝置以及樹干夾持裝置，所述傳動軟軸的一端與驅(qū)動裝置相連，另一端與振動裝置相連，振動裝置固定于樹干夾持裝置上，振動裝置包括用于敲擊樹干的推搖桿。此便攜式采摘機通過軟軸傳遞動力，實現(xiàn)了夾持裝置夾持樹干的多方位、大范圍的移動，高效、靈活。圖2-9便攜式核桃采摘機2023年浙江農(nóng)林大學的姚文斌等人創(chuàng)造的基于震動機理的便攜式山核桃采摘機〔圖2-10〕，能夠?qū)⒊跫墭渲ι系纳胶颂彝ㄟ^振動高效地采摘下來。圖2-10便攜式山核桃采摘機三、分析與結論由于山核桃的生物學特性、生長環(huán)境及生長地理形貌，目前其采摘已是一種高危高強度作業(yè)，而實現(xiàn)機器人的智能化操作需要運用各種先進的智能控制技術，智能采摘機器人代替人類采摘作業(yè)之路并非一蹴而就。由于山核桃自然生長的模式且經(jīng)營規(guī)模較小，也不適合應用大規(guī)模大型的機械化裝備，況且大規(guī)模的機械設備采摘對樹木的破壞比擬大，對于山核桃來年的收成有著巨大影響。鑒于各種因素多方面考慮，山核桃采摘機的設計，必然是人工與機械相結合—人機互動的機械設計，可以設計一種便攜式人工背在身上，通過伸縮桿，旋轉(zhuǎn)采摘頭或者高頻拍打頭，來采摘山核桃，提高了勞動效率，降低農(nóng)民勞動負擔，降低采摘山核桃當中的勞動傷亡。四、解決方案技術方案一：山核桃采摘機主要由背負式蓄電池、鋼絲軟軸、自動伸縮桿〔中空〕、電機、齒輪箱、拍打機構、拍打條等組成，總體布局如下圖。此山核桃采摘器，包括自動伸縮桿，其特征在于:還設置有電機和采摘頭，所述電機固定在伸縮桿一端；所述采摘頭包括拍打機構和拍打條，所述拍打機構為曲柄搖桿機構，將輸出的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為搖桿的往復運動，實現(xiàn)對山核桃的拍打；拍打條由高彈性薄片外包軟質(zhì)橡膠組成，減少對樹枝的傷害，但又不影響對山核桃的拍打；齒輪箱由一對錐齒輪構成，改變電機旋轉(zhuǎn)的輸出方向。使用時，調(diào)節(jié)好自動伸縮桿的長度后翻開電源開關，電機啟動，帶動拍打機構的曲柄旋轉(zhuǎn)，將拍打條對準山核桃，由于其具有很大的打擊力，可以方便地將山核桃打下來。圖4-11.電源2.放線器3.自動伸縮桿4.電機5.齒輪箱6.采摘頭技術方案二：此山核桃采摘機，總體布局如下圖，其特征在于:還設置有電機和采摘頭，所述電機固定在伸縮桿一端；采摘頭包括采摘頭轉(zhuǎn)軸和拍打條，拍打條固定在采摘頭轉(zhuǎn)軸上；拍打條由高彈性薄片外包軟質(zhì)橡膠組成，減少對樹枝的傷害，但又不影響對山核桃的拍打；齒輪箱，所述電機的轉(zhuǎn)軸與所述齒輪箱的輸入軸連接，采摘頭轉(zhuǎn)軸與所述齒輪箱的輸出軸連接。使用時，調(diào)節(jié)好自動伸縮桿的長度后翻開電源開關，電機啟動，帶動采摘頭旋轉(zhuǎn)。將采摘頭對準山核桃，拍打條由于旋轉(zhuǎn)的原因其具有很大的打擊力，可以方便地將山核桃打下來。圖4-2技術方案三：此山核桃采摘機，總體布局如圖2所示，其特征在于:還設置有電機和采摘頭，所述電機固定在伸縮桿一端；電機的輸出端與凸輪相連接，將水平旋轉(zhuǎn)方向的運動裝換為垂直上下運動，帶動采摘頭振動。使用時，調(diào)節(jié)好自動伸縮桿的長度后，將采摘頭夾持在山核桃枝椏上，翻開電源開關，電機通過凸輪機構帶動采摘頭高頻振動。山核桃由于慣性作用，脫離樹枝，到達采摘的目的。圖4-3五、參考文獻[1]曾婉華.國外林木種子收集技術的分析(綜述)[J].林業(yè)機械，1985(3):45-47.[2]力勤敏，劉小燕，劉少山.1STZ-25型上樹采種(果)設備的研究與設計[J].林業(yè)機械與木工設備,2000,28(6):10-12.[3]曹雙喜，曹雙邊.水果采摘梯[P].中國專利:CN882149628，1989-12-27.[4]雷澤民，宋春喜，趙永峰.果實采摘機[P].中國專利:CN202313381751100,2023-04-01.[5]藍峰，蘇子吳，黎子明，等.國內(nèi)外果園采摘機械的研究及開展探討[A].2023國際農(nóng)業(yè)工程大會“十二五〞低碳農(nóng)業(yè)裝備技術創(chuàng)新研究分會場論文集[C].北京:中國農(nóng)業(yè)機械學會，2023.19-24.[6]張進疆.澳大利亞的核桃采收與加工[J].新疆農(nóng)業(yè)科學,1999(6):281-283.[7]孫澤.振動落果機[P].中國專利:ZL200620073972.