1、振摇式红枣采收设备设计与仿真设计说明书前 言本研究针对南疆地区红枣种植面积大，红枣采收困难的现实问题，以红枣采收设备研制作为研究对象，基于振动的运动学和动力学特性，分析振动系统在外部简谐激振力的作用下产生的运动轨迹振动响应的基本条件和轨迹特征；进行振摇式红枣采收设备运动特性研究。进行采收试验，并对采收效率进行有效分析，为提高红枣采收效率的研究提供理论支持。振摇式红枣采收设备基本原理是摇杆晃动带动罩子晃动，罩子晃动带动树枝晃动；树枝在接受了外加的强迫振动后，也以一定的频率振动，这样就使树枝上的枣子也以某种形式的振动而加速运动。加速运动的枣子要受到惯性力的作用，当惯性力大于枣子与树枝的结合力时，枣
2、子就会掉落到罩子底部，达到收获红枣的预期效果。红枣为温带作物，适应性强，营养丰富，富含铁元素和维生素。红枣素有“铁杆庄稼”之称，具有耐旱、耐涝的特性，是发展节水型林果业的首选良种。由于经济的发展，特色农业的建立，红枣种植成为现代农业发展的一条新的产业项目，红枣产业已呈现出区域化布局、规模化发展、多种栽培模式尽显其效的新格局。各地根据自己的情况确立了不同的枣树种植面积，为农民增加了经济收入。随着红枣的种植面积的增加，红枣的机械化作业在红枣栽培中的重要性逐渐凸显。依据最近几年新疆林果业发展的态式分析，新疆果树种植每年以 10%的速度递增，由于林果业的快速发展，各地已形成了较大的种植规模, 每到收获
3、季节需要投入大量的劳力来完成水果采收。可以预见到, 再过 35 年, 新种植的果树进入盛果期后 , 水果采收作业将会出现因劳动力短缺、采收不及时, 而直接影响果品质量和造成大量损失的问题。这是因为, 水果采摘是一项劳动投入量很大的作业, 有些水果因成熟期不一致, 需要多次采摘才能完成收获; 而有些作为鲜食或作为加工用途的果品, 因市场对于果实外观要求较高, 不能有碰伤、刮伤、压裂等机械损伤, 采收这些水果时必须小心翼翼; 另外, 水果收获是在离地面有 35m 高的空中作业, 以上原因决定了水果采摘是一项费时、费工、费力的作业。人工采收水果的速度缓慢, 大面积发展水果种植时, 必须要依靠机械化来
4、提高采摘效率。据有关资料介绍, 有些鲜食水果的采收用工量较大, 约占水果生产总用工量的 50%以上,导致特色果品的生产成本过大 , 不能满足向果品加工企业提供数量充足、质量优越、价格相对低廉的原料, 这样极不利于企业直接参与市场竞争。悬挂式红枣收获机械的设计，就是针对新疆矮化密植红枣的采摘要求进行设计的新型机器，红枣的机械化收获对提高收获效率, 降低收获作业成本, 做到适时收获, 提高采收效率都有很大的帮助。目 录1.绪论 -11.1 课题研究的目的和意义 -11.2 国内外水果采摘机械的现状 -11.3 本课题主要研究内容及技术路线 -22.振摇式红枣采收设备结构设计 -22.1 总体设计方
5、案 -22.1.1 振摇式红枣采收设备结构原理 -32.1.2 振摇式红枣采收设备工作原理 -43.振摇式红枣采收设备具体部分设计 -43.1 圆形网罩结构设计 -43.1.1 圆形网罩 -43.1.2 漏枣导管 -53.1.3 加强连接处 -53.1.4 连接绳 -53.1.5 束紧绳导管 -53.2 束紧机构 -53.2.1 束紧绳 -63.2.2 束绳装置 -63.3 可调摇杆 -73.3.1 摇杆作用 -73.3.2 摇杆结构设计 -73.3.3 摇杆材料 -83.4 可调束紧带 -83.4.1 束紧带作用 -83.4.2 结构 -83.4.3 工作原理 -93.4.4 可调束紧带材料
6、 -94.振摇机构设计 -94.1 汽油机的选择 -104.2 减速器的确定 -104.3 振动机构 -104.3.1 曲柄滑块的动力学特性 -114.3.2 曲柄滑块的运动学特性 -124.4 液压传动 -134.5 结论 -155.结论 -16致 谢 -17参考文献 -18塔里木大学毕业设计11.绪论1.1 课题研究的目的和意义目前，我国果园收获主要靠人工手摘和借助云梯、采果刀等简单工具辅助采收。林果采收机械的研究在我国仍处于起步阶段，未见成熟先进的实用机具报道。目前，随着新疆特色林果，尤其是红枣等林果的规模化、产业化发展，依靠人工采收的方式已经不能满足红枣等产业化生产的需要。针对新疆红枣
7、人工采收效率低、劳动强度大、成本高的生产实际，需要设计一种专门针对矮化密植红枣的收获机具，尽量做到工作稳定可靠， ，采净率高且不伤树的特点。以满足当前日益产业化的红枣产业，促进红枣产业化的进程，推动红枣这一新兴产业在我国农产品的地位。枣树在我国的分布很广，一般来讲，小气侯冬季最低气温不低于-32，就可栽培植枣。枣树在我国大面积经济栽培主要在山东、河北、河南、山西、陕西五省的黄河流域，近年来安徽、甘肃、湖南、湖北发展很快。红枣为温带作物，适应性强，营养丰富，富含铁元素和维生素。红枣素有“铁杆庄稼”之称，具有耐旱、耐涝的特性，是发展节水型林果业的首选良种。由于经济的发展，特色农业的建立，红枣种植成
8、为现代农业发展的一条新的产业项目，红枣产业已呈现出区域化布局、规模化发展、多种栽培模式尽显其效的新格局。各地根据自己的情况确立了不同的枣树种植面积，为农民增加了经济收入。随着红枣的种植面积的增加，红枣的机械化作业在红枣栽培中的重要性逐渐凸显。依据最近几年新疆林果业发展的态式分析，新疆果树种植每年以 10%的速度递增，由于林果业的快速发展，各地已形成了较大的种植规模,，每到收获季节需要投入大量的劳力来完成水果采收。可以预见到，再过 35 年，新种植的果树进入盛果期后,水果采收作业将会出现因劳动力短缺、采收不及时，而直接影响果品质量和造成大量损失的问题。这是因为，水果采摘是一项劳动投入量很大的作业
9、，有些水果因成熟期不一致，需要多次采摘才能完成收获；而有些作为鲜食或作为加工用途的果品，因市场对于果实外观要求较高，不能有碰伤、刮伤、压裂等机械损伤, 采收这些水果时必须小心翼翼；另外，水果收获是在离地面有 35m 高的空中作业， 以上原因决定了水果采摘是一项费时、费工、费力的作业。人工采收水果的速度缓慢，大面积发展水果种植时, 必须要依靠机械化来提高采摘效率。据有关资料介绍，有些鲜食水果的采收用工量较大，约占水果生产总用工量的 50%以上,导致特色果品的生产成本过大，不能满足向果品加工企业提供数量充足、质量优越、价格相对低廉的原料，这样极不利于企业直接参与市场竞争。振摇式红枣采收设备的研究，
10、就是针对红枣的采摘时的要求进行设计的采摘机械，红枣的机械化收获对提高收获效率，降低收获作业成本，做到适时收获，减少收获过程中造成的机械损，保证红枣质量，促进枣业生产的规范化、标准化具有重要现实意义。1.2 国内外水果采摘机械的现状国外对水果机械化收获技术的研究较多，机械采收在美国、西班牙、俄罗斯、意大利、英国、德国、丹麦、匈牙利等国家的果园应用较为普遍。目前, 机采量较大的果树作物有苹果、葡萄、甜橙、桃、李、杏、樱桃、越桔、油橄榄、核桃、扁桃等。他们采用的机械收获方法主要有：震摇法、梳刷法、撞击法、水力法、半机械化采收等方法。但是，针对红枣收获的采摘机械比较少。据了解, 美国的坚果收获已全部实
11、现机械化，美国的葡萄、柑桔类水果的机械化收获问题也解决得较好。意大利生产一种鲜食水果收获机， 专用于苹果、梨、杏、李子等鲜食水果的收获, 虽然这种水果收获机需要人工辅助摘果，但摘下后水果的输送、装箱等过程全部是机械化操作，水果收获的效率可大大提高，同时也能避免和减少水果在收获过程中的机械损伤。除了收获机械之外， 还需要引进适于机械化收获的品种和果园修剪等管理技术。例如：在法国和意大利，为实现水果作业机械化，把葡萄树普遍栽成扁平形，并花了很大的力量栽培修剪。栽果树时，树与树排列成行， 既有较好的光照与通风， 又便于拖拉机进入行间松土、施肥、喷药和采摘。法国的勃拉特研究所据此设计制造了一种高架式葡
12、萄收获机，成功地解决了酿酒用葡萄的收获问题。国外有很多发展水果机械化收获的经验，值得我们学习和研究。日本的果园种植地形类似于我国南方地形，许多在平地上使用的果园机械在丘陵地形上并不适用。因此日本在本世纪年代初着手研究陡坡地果园的机械化，其四国农业试验场研制的采用枢轴式摆动悬挂机构作为行走部分的自走式采摘车，使用电视摄像机和无线电控制组合 该采摘车的轮距宽 重心低。故爬坡能力强 采用就地车轮正反转机构，故回转能力好，采用枢轴悬挂机构。因而使机体摆动小、行走稳定，适合在坡度的地区使用。目前国外对采摘机械的研究是以采摘机器人为主 70 年代末期 随着计算机和自动控制技术的迅速发展，美国首先开始研究各
13、种农业机器人。自 1983 年第一台采摘机器人在美国诞生以来，历塔里木大学毕业设计2经了 20 多年的研究和试验，以日本为代表的发达国家，包括美国、法国、荷兰、英国、西班牙等国相继试验成功了多种采摘机器人，如苹果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等果实采摘的具有人工智能的机器人采摘机器人主要由机械手、末端执行器、视觉识别系统和行走装置等四大系统组成。日本京都大学在 80 年代中期研制了五自由度关节型机械手，但这种机械手的工作空间并没有包含所有果实的位置而且机械手末端执行器的可操作度也低。同时韩国研制的苹果采摘机器人采用了极坐标机械手，旋转关节可左右移动，丝杆关节可以上下移动，从而工作空间可达 3m。20
14、 世纪90 年代，日本岗山大学在番茄采摘机器人上设计出了具有 7 个自由度的能够指定采摘姿态的机械手，自由度越高，其手部运动越灵活 控制越复杂。总之，国外的水果收获机械研究主要在鲜食水果的收获中，他们是着眼于市场针对性的研制的各种收获机械。他们不光强调机械一定要适应当地农(园 )艺的要求，而是从生物学角度、农( 园) 艺角度加大科研力度，开发利于机械化作业的新品种、新农( 园) 艺等，为机械化作业创造条件。这样就提高了水果的机械化采收作业率。根据全国各地调查资料显示，目前我国的水果机械化还只是停留在节水滴灌、灌溉施肥一体化、包装保鲜等有限的几个工序上，在清洗、分级中偶有使用，而水果采摘机械还是
15、很少。我国的水果采摘机械种类很少，大型的机械化设备使用率很低，只有少量的半自动机械在使用。比如，可移动水果采摘梯、可伸缩式高枝采果器这样的改进型机械。这些机械虽然在某种意义上是生产效率提升，提高了水果的采摘质量。但是对于大面积的果树收获还是不能满足要求，像红枣这样的果实数量多，结果时，红枣分布在果树的各个部位，所以如果要提高生产率就需要机械化程度比较高的水果采摘机械来完成。果园收获作业是果园生产全过程中最重要的环节，果树收获劳动强度大，用工量多。传统的人工收获方法，每公顷需几百个工时，占果园生产过程中用工量的 50%左右。目前，我国果园收获主要靠人工手摘和借助云梯、采果刀等简单工具辅助采收。林
16、果采收机械的研究在我国仍处于起步阶段，成熟先进的实用机具报道很少。随着新疆特色林果，尤其是红枣等林果的规模化、产业化发展，依靠简单的人工采收的方式已不能满足红枣等产业化生产的需要。2007 年，新疆农垦科学院机械装备研究所研制了 4YS24 型红枣收获机，采收效果受到红枣矮化密植的影响，机械设备无法进入枣园，后续清理还是需要人工拾取，采收效果不理想，推广遇到很大困难。特别是新疆南疆地区红枣种植的方式是矮化密植，这对机械采收提出更多难题。新疆各地州发展红枣的计划面积为 240 万270 万亩，尤其是阿克苏地区提出到 2015 年全地州发展红枣 150 万亩的宏伟目标。并申请注册“阿克苏红枣”商标
17、。各地州根据实际情况确定了红枣产业的重点发展县。近年随着南疆地区红枣种植面积快速增长，每年到红枣收获季节，对人工需求特别旺盛，导致红枣收获成本剧增，枣农的种植成本就会出现大幅度增加；一旦遇到阴雨天气，大量红枣来不及采收，淋雨后的红枣无论是在树上还是在地上都会出现大量腐烂；阿拉尔垦区 2010 年红枣收获期降雨，没有采收完毕红枣都出现 50%的腐烂。因此研制一种高效红枣采收设备是需求很迫切。近年来，作为鲜食上市的水果收获仍没有完全实现机械化。这是因为长在果树上的果实的生长形态不适于机械化采摘, 而市场对于商品果外观要求又较高，不能有碰伤、擦伤等机械损伤的缘故。虽然这种水果收获机需要人工辅助摘果，
18、但摘下后水果的输送、装箱等过程全部是机械化操作，水果收获的效率可大大提高，同时也能避免和减少水果在收获过程中的机械损伤。故果园收获机械化一直是国内研究工作的重点。根据摘果原理不同采果机械主要有两大类：一类是气力振动采收机；另一类是机械振动采收机。机械振动采收机又可分为两种，一是机械推摇采收机，另一种是机械撞击采收机。1.3 本课题主要研究内容及技术路线本研究针对南疆地区红枣种植面积大，红枣采收困难的现实问题，以红枣采收设备研制作为研究对象，基于振动的运动学和动力学特性，分析振动系统在外部简谐激振力的作用下产生的运动轨迹振动响应的基本条件和轨迹特征；进行振摇式红枣采收设备运动特性研究。2.振摇式
19、红枣采收设备结构设计果园收获机械化一直是国内研究工作的重点。根据摘果原理不同采果机械主要有两大类：一类是气力振动采收机；另一类是机械振动采收机。机械振动采收机又可分为两种，一是机械推摇采收机，另一种是机械撞击采收机。2.1 总体设计方案经过资料的查询和实际的观察，确定采收设备所具备的基本条件是：工作振幅小，易移动，塔里木大学毕业设计3采摘过程对树枝和果实的损伤小，经借鉴采用摇震式。众多学者广泛开展了振动采收机理研究，揭示了理论上可行。振摇式红枣采收设备的设计方案，要求采收设备设计简单，经济实用，操作简便。2.1.1 振摇式红枣采收设备结构原理图 2-1 振摇式红枣采收设备示意图1.枣树 2.束
20、紧绳 3.可调摇杆 4.加强连接处 5.圆形网罩 6.漏枣导管图 2-2 振摇式红枣采收设备示意图塔里木大学毕业设计41.枣树 2.束紧装置 3.可调束紧带 4.可调摇杆 5.圆形网罩 6.加强连接处 7.束紧绳8.漏枣导管 9.筐 10.振摇装置根据实践经验和搜集的资料确定振摇式红枣采收设备的设计结构主要包括：圆形网罩、可调摇杆、束绳装置、可调束紧带等几个部分。在网罩的四个方向，分别连接一个摇杆。摇杆可以通过振摇装置产生振动，总体结构如图。2.1.2 振摇式红枣采收设备工作原理设备工作原理是利用圆形网式结构，通过固定四个长杆，利用四根长杆将网把整棵枣树枝干包住，然后将下落圆网收拢，利用四根长
21、杆带动树干摇动，使树上红枣落入网的底部，然后打开漏枣口，枣子顺着漏枣导管，最后通过设置好红枣出口将红枣倒入框中；从而完成一个树的红枣收获。动力输出是人根据枣园实际情况，和摇晃树枝的强度具体情况量力而为，采摘时尽量减少对红枣和树枝的损伤。3.振摇式红枣采收设备具体部分设计3.1 圆形网罩结构设计圆形网罩的结构包括：圆形网袋、漏枣导管、加强连接处、束紧绳导管、连接绳。图 3-1 圆形网罩3.1.1 圆形网罩 功能从上到下，将枣树收入网罩内，收拢网口，捆于树干，使枣树处于锁紧微压缩状态，便于后面的振动采收收枣。尺寸枣树的所有的外围枝叶，看成近似球形，通过测量半径，来确定罩子的尺寸。假设测量的枣树的半
22、径为 ，那么枣树的表面积 ,设圆形网罩的面积为 ，半径为 ,那么 ，1R214sR2S2R12S。2S材料因为罩子与枣树紧密接触，所以枣树上的枝叶和倒刺都会造成罩子磨损和破坏，固需要使用耐磨损，并且抗破坏性能要强，达到耐用的目的。这里试用粗帆布材料，粗帆布具有良好的延伸性、吸湿性，同时又具有耐磨、耐碱、耐晒、耐虫蛀等一系列优点。由于帆布是多股线织造，所以质地坚牢、耐磨、紧密厚实。为防止枣树对罩子的损失过大，可以采用双层粗帆布。塔里木大学毕业设计53.1.2 漏枣导管图 3-2 漏枣导管功能红枣经过振动掉落在网底，通过打开漏枣导管，枣子顺着导管进入到框里。尺寸根据圆形网罩的尺寸和枣树树干的粗细，
23、漏枣导管的直径预计在 20cm40cm 之间。材料漏枣导管因为要反复与枣子接触，固也采用粗帆布；但是因为少去了很多枣树枝叶的磨损破坏，采用单层粗帆布即可。3.1.3 加强连接处功能防止反复振动，对网罩造成破坏，导致整个机具无法正常使用。减少力在传递过程中的损耗，提高工作效率。尺寸根据摇杆晃动布料的受力情况，可能受来自各个方向的力，固此处采用圆形加固，半径为15cm.如若加固效果不理想，可以相应的扩大加固半径。材料和后期处理此处可以增加 24 层的粗帆布，减小针距，致密缝合，达到预期的效果。3.1.4 连接绳功能把圆形网罩和可调摇杆连接在一起，实现杆动带动罩动。材料和尺寸使用 32 股编制棉绳，
24、棉绳摩擦因数比较大，质地柔软，可伸缩性小，耐磨，使用寿命长。预计长度为 50cm。绳粗 8mm。如若需要更改，可以因实际而定。加工处理绳头 1cm 处使用薄铁皮包裹，防止绳头因反复使用散开。绳子与圆形网罩采用致密缝补连接。注：连接处缝合强度高，能经受住拉伸力的反复作用。3.1.5 束紧绳导管功能为束紧绳子提供一个运动的轨道，方面网罩的后期束紧捆绑枣树。材料使用长纤维的布料，面料光滑柔软，摩擦系数小，耐磨性高，强度弹性都很好质地紧密且富有弹性。3.2 束紧机构本着操作简单，实用性强，本束紧机构由两个部分组成，分别是束紧绳和束绳装置。此机构能快速达到预期的束紧效果，并且满足设计的最初要求。塔里木大
25、学毕业设计63.2.1 束紧绳功能收紧网口捆与树干。尺寸长度因圆形网罩网口的半径而定，但总长要比网口周长要常 100cm，绳粗 8mm.材料根据需要采用尼龙绳，绳皮比较光滑，耐磨。根据情况可以选择更适用的绳子。3.2.2 束绳装置图 3-3 束绳装置工作原理：将构件 1 放入构件 2 内，在构件 1 和构件 2 之间有一个弹簧，在弹簧的作用下，构件 1 始终有向上的趋势。束紧绳同时通过构件 1 和构件 2 的孔洞，挡住了构件 1 向上的趋势，二者相互作用下，达到了束紧的目标。材料根据此装置束紧状态下。采用 ABS 塑料铸成。ABS 塑料是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯聚合的塑料，它色彩醒目，耐热、坚
26、固、外表面可镀铬、镍等金属薄膜。功能此装置主要有两个功能：（1）防止绳头不慎进入网罩的束紧绳导管，为束紧操作带来不必要的操作。（2）收拢网罩的时候，方便迅速，束紧与树干。弹簧功能为束紧装置提供束紧动力，保证束紧装置在正常的情况下，正常工作。材料根据需求，从机械设计手册上查得，碳素弹簧钢丝，强度高，性能好，适于做小弹簧，适用于本装置。查机械设计课程设计手册, 符合要求的是弹簧丝直径 ，弹簧中径1.6dm塔里木大学毕业设计7，节距 ，自由高度 ，实验负荷 。21Dm4.91tm04Hm105sPN3.3 可调摇杆3.3.1 摇杆作用(1)通过四个摇杆，把圆形网罩移动到枣树树顶再利用四根摇杆用网罩把
27、整棵枣树从树顶把所有枝干包住。(2)通过摇杆的振动带动网罩振动，带动罩子晃动，罩子晃动带动树枝晃动；树枝在接受了外加的强迫振动后，也以一定的频率振动，这样就使树枝上的枣子也以某种形式的振动而加速运动。加速运动的枣子要受到惯性力的作用，当惯性力大于枣子与树枝的结合力时，枣子就会掉落到罩子底部，达到收获红枣的预期效果。3.3.2 摇杆结构设计图 3-4 可调摇杆示意结构原理枣树的具体高度各有不同，根据枣树的高度不同，又为了方便实用，采用可调摇杆。摇杆主要有五部分组成，定位滑块、底座、外管、内管，连接头。外管直径为 25cm，内管直径 23cm，将内管放入外管内，相应的孔洞对齐，在弹簧作用力下，定位滑块始终处于顶起状态，滑块和内外管的相互作用力，达到定位目的，滑块可以通过弹簧压缩和任意的外管孔洞配合，从而达到可调高度的目的。弹簧图 3-5 弹簧根据需求，从机械设计手册上查得，碳素弹簧钢丝，强度高，性能好，适于做小弹簧，适用于本装置。查机械设计课程设计手册, 符合要求的是弹簧丝直径 ，弹簧中径1.2dm，节距 ，自由高度 ，实验负荷 。28Dm2.9tm04Hm68sPN
