摇晃式摘枣机的设计研究

摇晃式摘枣机的设计研究

沈铤施卓奇沈浩杰

（浙江师范大学,金华市321004）

摘要：本研究针对目前国内人工采摘枣子效率低下的问题，使用计算机辅助设计solidworks，建立摇晃式摘枣机结构模型。具体分析了该结构静止、制动或启动及摇晃工况下的强度。并在此基础上进一步改进结构，再次通过CAD对结构进行重构，优化后的结构可以连续采摘枣子且频率无级可调，收集效率高，能适应不同的地况，适用于一切果子小于50cm且成长与树上的果树，收货效率kg/h≥300，极大提高果农收产效率。

关键词：摇枣机；无级调速；收集效率高；结构优化；CAD

前言

枣树是我国第一大干果树种，是生态价值最高的经济林之一[1]。同时枣产业是许多贫困地区破解经济与生态协调发展难题的抓手产业，因此我国红枣产业种植面积十分大。在这种情况下，就急需人力去采摘枣子，但是人工采摘枣子效率低。因此在保障采摘效率、果实新鲜度和果农身心健康的情况下，采摘枣子的机器应运而生[2]。

该作品主要是通过不同的频率摇晃树干以实现枣子的自由脱落。该作品采用整体焊接式[3-4]，结实可靠，保证了足够的强度和刚度。传动机构利用电机通过V带传动和曲柄连杆机构连接，与曲柄连杆机构相连的滑柱会前后移动，在滑柱上有两块可调节的抱鼓，可以根据树干的大小调节两板间的距离，同时会有柔性橡胶垫保护树干，且在控制频率和力度的情况下不会对果树造成任何伤害；在机器下方有限位轴用于固定树干，在机器运作时，上方的网罩可以通过开关打开，围住果树，在摇晃过程中枣子会掉落到网兜内，方便收集。同时，机架还预留了柴油机安装位，方便在大面积种植的情况下使用，该机器可以大幅度减小人力、提高效率、保障枣子的新鲜度。

1研制背景及意义

我国枣产业种植面积十分大。如果这些枣子的采摘由人工的方式进行，效率低下且劳动强度大，而且枣子遇雨容易腐烂，也极易遭蚊蝇叮咬而受到污染，因此很多枣子未等到采摘就腐烂了造成了经济损失。国外枣子采摘机有较早研究，虽然采摘效率高但是设备庞大且结构复杂，操作复杂且价格昂贵。国内虽然研制出小型枣子装置，但仍然未能大幅度地减轻果农的工作量，效率也不高[5]。因此，对摇枣机的开发和研究具有了重大意义。

普通摘枣机杆构简单，在一根伸缩杆的基础上加上了一把可以通过手柄控制的剪刀，使用者需要长时间手持该工具，时间一长容易产生疲劳且单颗采摘效率比较低下[6]。本机操作简单，轻松可控，效率大幅超过普通摘枣杆。

2主要功能和性能指标

2.1主要功能

（1）高效率的采摘枣子

（2）枣子收集方便

（3）频率可调，启动平稳

（4）装有可调的抱箍，可针对不同粗细的枣树

（5）展开式网兜，方便收集

2.2性能指标

（1）晃动频率：0-600HZ（建议使用0-400HZ)，最大推力1200N，能实现无极调速，并具备软启动的功能。

（2）驱动电机：YE2-90L-4星型接法三相异步电动机，负载转矩10Nm，额定电压220V；JGY370型直流减速电机，负载转矩0.5Nm，额定电压24V。

（3）机械运动方案力求简单。

3设计方案

3.1总体结构设计

设备主要分为以下三个部分：机械结构、动力部分、执行部分、辅助部分

（1）采摘机整体采用焊接式，结构可靠，在保证足够的刚度强度下，大大的节约了成本。

（2）本设备操作方便，果农只需将采摘机推至果树前，启动开关，将采摘机的网打开，包住整棵果树，然后启动电机开关，调节适当频率，进行果实的采摘与收集。

（3）本设备利用皮带轮将电机动力最终传递至曲柄摇杆机构，执行往复直线运动进行采摘。

（4）针对不同粗细的果树，可以调整抱箍来抱紧果树；使用柔性冲击锤，在晃动过程中最大程度保护果树。

3.2机械结构

因采摘机在采摘过程中，晃动严重，采用一般结构会有隐患存在。故设计整体焊接式，将整个采摘机用角钢、钢板连接固定。如下图所示，在保证机构有足够的牢固性下，大大的节约了成本，并且增加了自重，增大惯性，适当减轻电机负载，提高工作效率。底部装有轮子，可以方便果农移动。

3.3动力部分

采摘机电机选用三相异步电动机[7]，功率1.5KW，转速1400r/min，电机本身采用三角形接法，方便家用电使用。采摘机装有变频器，操作方便，只需按下绿色RUN键即可启动电机，。采用VVVF，扭动黑色旋钮进行频率调节，摇晃频率无级可调，启动平稳，加减速性能好。根据果园的实际情况，我们预留了柴油机的安装位置，可供果农选择。

3.4执行部分

摘枣机执行部分为曲柄连杆机构，利用皮带轮将电机的输出动力传递至曲轴，曲轴上装有连杆，连杆与连接轴固定，轴两端装有两根滑柱，利用螺纹连接固定。曲轴转动最终推动滑柱进行往复直线运动，实现摇枣功能。

3.5辅助部分

摇枣机滑柱上装有可调节的抱箍，如下图所示。果农可以针对不同的果树来调节抱箍的大小，同时会有柔性橡胶垫保护树干，防止蹭破树皮，且在控制频率和力度的情况下不会对果树造成任何伤害。

4工作原理及性能分析

根据上述分析，辅助人工摇枣机要求完成的工艺动作有以下四个部分：（1）将摇枣机推至枣树前，根据枣树的粗细程度调节抱箍的大小。（2）接通电源，利用网兜开关将网兜闭合，直至完全包住枣树，停止。（3）按下变频器绿色RUN按键，旋转黑色旋钮，调节合适的频率摇晃枣树。（4）按下红色STOP键停止电机，利用网兜开关将网兜张开至合适位置，收集完成。

5结论

本研究通过计算机辅助设计对摇晃式摇枣机进行三维建模，并对该结构进行重构优化，优化设计后不但使得结构的设计时间缩短，节约了材料，同时在符合静、动态特性要求的前提下，实现了轻量化的目标，对农产品机械设备的设计方面具有指导意义。主要的研究结果如下：

（1）整体采用焊接结构，在保证足够的稳固性下节约成本。

（2）采用VVVF技术，在使用普通的三相异步电动机的情况下实现转速无级可调，即摇晃频率无级可调，启动平稳，加减速性能好，适用于不同粗细的果树。

（3）使用摇晃的方式摘果大大提高了效率。

（4）在工作时机器与果树一起晃动，由于机器的自重，会增大惯性，适当减轻电机负载。

（5）使用柔性冲击锤，在晃动过程中最大程度保护了果树。

（6）展开式网兜将果树全部包住，收集效率高。

（7）采用可调式抱箍，可以适用于不同粗细的果树。

参考文献

[1]大枣采收分选一体化装置[J].韩策,张兴宇,付利荣,曹雷天,郭桥雨.数码设计.2017(11)

[2]大枣收获机设计[J].艾建军,高韶坤,刘建敏,张德田,张东升.江苏农业科学.2015(12)

[3]论我国工业焊接技术的现状及发展[J].张欣,郭金宇,车益达.南方农机.2017(05)

[4]型工业设备安装工程中焊接质量控制的重要性分析探讨[J].熊文.广东建材.2009(07)

[5]林果业生产机械化水平评价与实证研究[J].曹卫华,王家忠,黄凰,杨敏丽,黄玉祥.系统工程理论与实践.2015(11)

[6]林果采摘设备发展现状与需求[J].金征,张伟,杨光,杨建华,王双永.木材加工机械.2015(01)

[7]三相异步电动机调速机械特性仿真分析[J].朱春鸯,周政新.上海第二工业大学学报.2012(04)

作者简介：沈铤（1998-），男（汉族），浙江省余姚人。浙江师范大学工学院本科生。