振動(dòng)式林木采收機(jī)的設(shè)計(jì)

振動(dòng)式林木采收機(jī)的設(shè)計(jì)

0個(gè)社工占果園生產(chǎn)過(guò)程中的能耗收獲水果是整個(gè)果園生產(chǎn)過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)。果實(shí)收獲既費(fèi)力又高。傳統(tǒng)的人工采收方法每公頃需要幾百個(gè)工時(shí),占果園生產(chǎn)過(guò)程中用工量的50%左右,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且成本高。因此,果園收獲機(jī)械化一直是國(guó)內(nèi)外研究工作的重點(diǎn)2007-2009年,新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所對(duì)新疆紅棗等特色林果機(jī)械收獲進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)了機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī),并進(jìn)行了紅棗與沙棗的采收試驗(yàn)和性能測(cè)試,試驗(yàn)效果良好,各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。11.1機(jī)械研磨法1)采收對(duì)象。適用于機(jī)采的林果為采摘質(zhì)量要求不高、果皮較為堅(jiān)硬而不易損傷的大多數(shù)干果、堅(jiān)果和部分鮮食水果,如紅棗、沙棗、核桃和杏等。2)適合機(jī)采的果樹(shù)的直徑范圍為12~30cm。3)整機(jī)與配套動(dòng)力(拖拉機(jī))的連接采用前懸后掛的方式。振動(dòng)裝置采用前懸掛方式,油箱及配重采用后三點(diǎn)懸掛。4)該機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作均由液壓系統(tǒng)控制。5)采用機(jī)械振動(dòng)的方式推搖果樹(shù),使果實(shí)在瞬間慣性力作用下脫落。6)純小時(shí)生產(chǎn)率≥50棵/h,采凈率≥85%,可靠性≥90%。1.2動(dòng)力輸入轉(zhuǎn)速rt配套拖拉機(jī)動(dòng)力/kW:≥44外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)/mm:4560×1035×1677純小時(shí)生產(chǎn)率/棵·h采凈率/%:≥85可靠性/%:≥90整機(jī)質(zhì)量/kg:1175振動(dòng)頭質(zhì)量/kg:275油箱與配重質(zhì)量/kg:550伸縮支臂最大伸縮范圍/mm:1400振動(dòng)頭距地面最大工作高度/m:4夾持樹(shù)干直徑范圍/cm:12~30PTO動(dòng)力輸入轉(zhuǎn)速/r·min大流量泵最大流量/L·min大流量泵最高壓力/MPa:14小流量泵最大流量/L·min小流量泵最高壓力/MPa:1422.1樹(shù)振搖裝置裝置機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)主要由果樹(shù)振搖裝置、液壓控制系統(tǒng)、油箱及配重等組成,總體布局如圖1所示。果樹(shù)振搖裝置安裝在拖拉機(jī)前端,包括左右側(cè)面支架(懸掛架)(9)、主梁架(5)、伸縮支臂(4)、振動(dòng)頭懸掛叉(2)和鉗式振動(dòng)頭(1)。果樹(shù)振搖裝置俯視圖如圖2所示。為保證拖拉機(jī)前后懸掛平衡,油箱(6)及配重(7)三點(diǎn)掛接于拖拉機(jī)后。油箱及配重結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。2.2振動(dòng)為等溫方式下的果實(shí)加速運(yùn)動(dòng)機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)工作原理是基于機(jī)械振動(dòng)的果實(shí)脫落原理,主要過(guò)程是通過(guò)操作液壓控制閥控制5個(gè)液壓油缸動(dòng)作。首先,將果樹(shù)振搖裝置的鉗式振動(dòng)頭夾持樹(shù)干;然后,由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸PTO傳遞動(dòng)力經(jīng)由液壓控制回路到鉗式振動(dòng)頭;由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)頭內(nèi)置的偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu),從而使振動(dòng)頭振動(dòng);振動(dòng)頭產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)傳遞給果樹(shù);果枝在接受了外加的強(qiáng)迫振動(dòng)后,也以一定的頻率和振幅振動(dòng),從而就使果枝上的果實(shí)以某種形式的振動(dòng)而加速運(yùn)動(dòng);加速運(yùn)動(dòng)的物體要受到慣性力的作用,當(dāng)慣性力大于果實(shí)與果枝的結(jié)合力時(shí),果實(shí)就會(huì)掉落。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:樹(shù)干的振動(dòng)是一種無(wú)限多自由度的懸臂梁橫向振動(dòng),其一階基頻的計(jì)算機(jī)值和實(shí)測(cè)值相差在10%左右機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)作業(yè)程序如下:1)接果準(zhǔn)備。在果樹(shù)下鋪設(shè)收集網(wǎng)或使用專(zhuān)用接果收集裝置(倒傘形),準(zhǔn)備接收果實(shí)。2)夾持樹(shù)干。調(diào)整拖拉機(jī)前后位置,使采收機(jī)振動(dòng)頭正對(duì)樹(shù)干。打開(kāi)后傳動(dòng)軸,通過(guò)傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞給液壓泵,操作液壓控制閥各手柄,調(diào)整伸縮臂上下位置。根據(jù)樹(shù)冠和樹(shù)徑大小選擇振動(dòng)頭合適的夾持高度,一般夾持位置離地面應(yīng)不少于80cm,以避免振動(dòng)損傷樹(shù)根;張開(kāi)振動(dòng)頭夾持臂,通過(guò)調(diào)整上下和左右調(diào)整油缸將振動(dòng)頭夾持面調(diào)整到與樹(shù)干垂直;伸出伸縮臂,使振動(dòng)頭移向樹(shù)干,當(dāng)樹(shù)干處于夾持臂的中間部位時(shí)停止;合攏夾持臂,使振動(dòng)頭將樹(shù)干緊緊夾住。3)振搖果樹(shù)。降低伸縮臂,使振動(dòng)頭懸掛索松弛,振動(dòng)頭完全靠夾持臂的夾持力固定在樹(shù)干上。加大拖拉機(jī)油門(mén),提高拖拉機(jī)動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)速,打開(kāi)液壓馬達(dá)控制閥,驅(qū)動(dòng)振動(dòng)頭振動(dòng)果樹(shù)。4)縮回振動(dòng)頭。提升振動(dòng)頭懸掛叉及伸縮臂,使振動(dòng)頭懸掛索張緊;張開(kāi)夾持臂,使振動(dòng)頭脫離果樹(shù);縮回并降低伸縮臂,將振動(dòng)頭調(diào)整到水平位置。5)收集果實(shí)。33.1區(qū)域內(nèi)四周?chē)阅緲?gòu)的前后兩側(cè)支架和振動(dòng)頭懸掛架組成的組合機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)機(jī)架主要由左右側(cè)面支架(懸掛架)、主梁架、伸縮支臂、T型軸套和振動(dòng)頭懸掛架組成,其作用是通過(guò)液壓油缸驅(qū)動(dòng)主梁架、伸縮支臂和T型軸套,輔助振動(dòng)頭完成升降、前后移動(dòng)和上下左右偏轉(zhuǎn),直至找到樹(shù)干夾持的準(zhǔn)確位置。機(jī)架的左右側(cè)面支架(懸掛架)用螺栓固接在拖拉機(jī)前端兩側(cè),主梁架后端與兩側(cè)面支架連接,前端由側(cè)面支架的兩個(gè)液壓油缸支撐可高低調(diào)整。伸縮支臂鑲套在主梁架上前端的套管內(nèi),在套管和伸縮支臂之間設(shè)有一個(gè)推拉的液壓油缸,可使伸縮支臂在套管內(nèi)前后滑動(dòng)。振動(dòng)頭懸掛架通過(guò)T形軸套鉸接在伸縮支臂最前端,在伸縮支臂和T形軸套之間設(shè)有一個(gè)縱向液壓油缸,可使振動(dòng)頭懸掛架上下俯仰運(yùn)動(dòng)。在振動(dòng)頭懸掛架和T形軸套之間設(shè)有一個(gè)橫向液壓油缸,可使振動(dòng)頭懸掛架左右偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。鉗式振動(dòng)頭平行懸吊在振動(dòng)頭懸掛架下,其上設(shè)有一個(gè)操縱夾鉗開(kāi)閉的液壓油缸和一個(gè)驅(qū)動(dòng)內(nèi)置偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)振動(dòng)的液壓馬達(dá),上述的液壓油缸和液壓馬達(dá)所有操作均由液壓系統(tǒng)控制。3.2振動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇振動(dòng)機(jī)構(gòu)是把動(dòng)力源的運(yùn)動(dòng)和力轉(zhuǎn)換為振動(dòng)輸出的裝置。根據(jù)振動(dòng)產(chǎn)生原理為依據(jù),振動(dòng)機(jī)構(gòu)分為3大類(lèi)型,即偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)、軸向振動(dòng)機(jī)構(gòu)和多邊形沖擊機(jī)構(gòu)由于果樹(shù)振動(dòng)落果要求滿足激振力大和振動(dòng)頻率大、振幅小等條件,所以機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)選用單偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)。單偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)是指振動(dòng)結(jié)構(gòu)(該機(jī)為振動(dòng)頭)中僅有1個(gè)偏心塊的振動(dòng)機(jī)構(gòu),具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、振動(dòng)頻率大(一般振動(dòng)頻率為30~50Hz,最大頻率可達(dá)200Hz)、振動(dòng)較小(空載振幅一般小于8mm)和激振力大等特點(diǎn)圖4中:3.3合理設(shè)置油箱容量液壓油箱在液壓系統(tǒng)中的主要作用為儲(chǔ)油、散熱、分離油中所含空氣及消除泡沫。機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)液壓系統(tǒng)的油箱選用開(kāi)式油箱,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是油箱體為封閉容積,箱內(nèi)液面與大氣相通。為防止箱內(nèi)油液被大氣污染,在油箱頂部設(shè)置空氣濾清器,并兼作注油口用油箱容量的確定是液壓油箱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,油箱容量包括油液容量和空氣容量。在最高液面以上,要留出等于油液容量10%~15%的空氣容量,油面高度一般不超過(guò)油箱高度的80%。為保證液壓系統(tǒng)回油到油箱不至溢出,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),固定設(shè)備用油箱的油液容量應(yīng)是系統(tǒng)液壓泵流量的3~5倍,行走設(shè)備用油箱的油液容量為系統(tǒng)液壓泵流量的0.5~1.5倍機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)為行走設(shè)備用,其液壓系統(tǒng)中油箱容量按經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算。油箱容量為=式中對(duì)于行走機(jī)械和冷卻系統(tǒng)較好的設(shè)備,油箱的容量可選擇小些機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)的配重設(shè)置在油箱下方,左右對(duì)稱(chēng)布置,采用比重較大的細(xì)沙石填充。3.4多路換向閥串聯(lián)油路機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)液壓系統(tǒng)回路為多執(zhí)行元件控制回路,如圖5所示。動(dòng)力元件為液壓泵(雙聯(lián)齒輪泵),雙聯(lián)齒輪泵的大流量泵供油液壓馬達(dá),小流量泵供油液壓油缸。液壓油缸控制回路采用多路換向閥并聯(lián)的連接方式,利用5個(gè)單連換向閥控制5個(gè)液壓油缸的動(dòng)作,其中的2個(gè)油缸為單作用油缸,回油利用重力完成。各液壓缸分別驅(qū)動(dòng)5種運(yùn)動(dòng):一是伸縮臂的升降;二是伸縮臂的伸縮;三是振動(dòng)頭懸掛叉上下擺動(dòng);四是振動(dòng)頭懸掛叉的左右偏轉(zhuǎn);五是振動(dòng)頭的夾持。液壓馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)采用單獨(dú)的一個(gè)換向閥控制。多路換向閥安裝在果樹(shù)振搖裝置右側(cè)面支架上,拖拉機(jī)駕駛員伸手可及的位置。液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸供給,拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過(guò)傳動(dòng)軸(8鍵)與軸承座上的花鍵軸相連,而驅(qū)動(dòng)液壓油箱下方的液壓泵工作。液壓泵通過(guò)液壓油管與液壓油箱和多路換向閥相連。多路換向閥并聯(lián)油路功能為:從多路換向閥進(jìn)油口來(lái)的壓力油可直接通到各連滑閥的進(jìn)油腔,各連滑閥的回油腔又都與總油路相連,如圖5所示。并聯(lián)油路的多路換向控制閥既可控制執(zhí)行元件單動(dòng),又可實(shí)現(xiàn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)。復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí),若各執(zhí)行元件的負(fù)載相差很大,則負(fù)載小的先動(dòng),復(fù)合動(dòng)作成為順序動(dòng)作44.1田間試驗(yàn)設(shè)備2008年9-10月,項(xiàng)目組在新疆哈密農(nóng)十三師火箭農(nóng)場(chǎng)對(duì)機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)與性能測(cè)試。試驗(yàn)對(duì)象為沙棗和紅棗。試驗(yàn)測(cè)試的沙棗樹(shù)的樹(shù)冠較大,樹(shù)干直徑在20cm以上。機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)與47.8kW的輪式拖拉機(jī)掛接,將PTO動(dòng)力輸入轉(zhuǎn)速調(diào)至540r/min,操作液壓控制閥進(jìn)行作業(yè)。試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表2所示。4.2機(jī)械收獲特性1)采用機(jī)械振動(dòng)的方式采收紅棗和沙棗切實(shí)可行。經(jīng)測(cè)試,該機(jī)操作靈活、穩(wěn)定可靠。2)根據(jù)每棵樹(shù)的大小,可以通過(guò)改變拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速或通過(guò)液壓系統(tǒng)的多路換向閥的調(diào)節(jié),來(lái)改變振動(dòng)的頻率和幅度。3)采用間歇振動(dòng)方式,振動(dòng)頻率折算后約為900次/min,振幅為15~35mm。4)生產(chǎn)率較高,50~80棵樹(shù)/h,機(jī)械收獲的生產(chǎn)效率與人工相比約提高了4~11倍,而人工采收的生產(chǎn)率僅在0.03hm5)采凈率較高,總損失率小,可搖落全樹(shù)83%~98%的果實(shí)。6)按要求正確操作,不會(huì)對(duì)果樹(shù)有任何損傷,一年后再對(duì)果樹(shù)進(jìn)行觀測(cè),果樹(shù)沒(méi)有受到任何影響。機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)的工作質(zhì)量主要由振動(dòng)效果決定。振動(dòng)效果的影響因素與多種因素有關(guān)(如果樹(shù)種類(lèi)等),其果實(shí)與樹(shù)枝的連接力不同,抖落效果也就不同。振動(dòng)力的大小和振幅的高低對(duì)抖落效果有很大的影響(但振幅不能設(shè)計(jì)太大,否則對(duì)果樹(shù)有一定損傷),還有樹(shù)木的高度、直徑、樹(shù)冠大小、振動(dòng)點(diǎn)的高度、氣候條件以及果實(shí)成熟度等,都會(huì)影響抖落效果。此外,振動(dòng)次數(shù)和持續(xù)時(shí)間也是影響抖落效果的重要因素5機(jī)械振動(dòng)式林木采收機(jī)的前景展望機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)適用于樹(shù)冠較大、樹(shù)干直徑較粗且操作空間較大的稀疏果園。該機(jī)實(shí)現(xiàn)了依靠液壓控制偏心振動(dòng)推搖果樹(shù)落果,完成收獲多種林果的功能,為林果的機(jī)械化采收提供了新的技術(shù)與裝備。通過(guò)理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證,機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)能夠采收紅棗、沙棗、核桃和