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1、山核桃采摘机周杭超 2111302120一、研究背景和意义野生山核桃为胡桃科山核桃属，为中国特有的干果和木本油料树种，是山核桃属中经济价值最高且大量栽培的3个种之一，多生长在海拔200600 m湿润的山林中。目前中国山核桃种植面积约有8.71万，主要分布在浙江的临安、淳安、桐庐和安徽的宁国、绩溪等地。其中浙江省临安市、淳安县和安徽省宁国市的山核桃产量接近全国的90% ,据估计，全国山核桃产业总产值约为30亿元,2011年浙江省山核桃总产值超过25亿元。山核桃不但具有丰富的营养价值和保健作用，还被应用在饲料加工和建筑材料等领域。但是山核桃树一般高20多米，生长在比较陡峭的山上，平均坡度在25度左
2、右，有的甚至达35至45度，很难通过机械方法进行采收，至今当地农民主要还是采取原始的方法爬到树上用竹竿打，这极易造成意外。临安市每年因山核桃采摘事故造成的死伤悲剧却不断在上演。2004年，共有7人在采摘山核桃过程中死亡，108人受伤；到了2006年这一数字上升为16人死亡200多人受伤；而到2009年，开摘仅8天即有9人死亡。这一组组血淋淋的数据，无时不刻地拷问着当地的山核桃产业。图1 工人采摘鉴于上述的社会背景，所以设计山核桃采摘装置，通过机械的方式来进行采摘作业，以减少人员的伤亡，提高劳动效率，减少经济的损失，使得山核桃产业能够更健康持续发展。二、国内外研究现状 山核桃采摘装置的研究主要有
3、人工采摘装备的研究，旋转敲打摘果器研究，机械振动采摘机研究。2.1人工采摘装备的研究人工采摘的装备主要有爬树器、安全带和蜈蚣梯等。2004年浙江淳安山核桃协会研制出“山核桃安全采摘安全带”。该安全带利用蹦极原理，可承受2000kg的拉力，意外坠落时能使人悬挂于空中，减少伤亡事故。2012年陈常威与浙江大学合作，研制一种TZC-05型果实采摘装置(图2-1)。这款新产品的绳索借鉴了汽车安全带的特点，采摘时基本感觉不到操作束缚，而一旦感应-到瞬间坠落的冲击力，防坠器会瞬间锁死安全绳，防止人员摔到地而上。图2-1 山核桃安全采摘带挪威研制的组合式采种梯，由多段铝合金制成，高度可达到27 m，该梯组合
4、与分解非常方便1。国内有方勤敏等2研究设计的1STZ-25型上树采种(果)设备，可适应山核桃采摘。该设备利用插入联结原理做成组合梯，可将梯身架设至所需的采种位置，采用可调节的定位支撑和可摆动小角度的梯身联接机构，具有更强的适应性。1989年曹双喜等3发明的水果采摘梯（图2-2），该梯由3根立柱组成三角架，1根立柱作为主梯，主梯两边带有向上倾斜的豁口，可利用带挂钩的脚蹬及折叠椅，随意上下采摘果实。图2-2 水果采摘梯 2011年大姚亿利丰农产品有限公司发明的核桃采摘装置，其由剪枝装置和储果箩构成，操作柄、伸缩杆和剪具构成剪枝装置，操作柄的活动拉手与剪具的活动刀片之间通过拉杆连接，拉杆位于伸缩杆内
5、部，操作柄的活动拉手与固定拉手之间连接有弹性装置，剪具的固定刀片与活动刀片之间通过销轴连接，储果箩通过挂绳挂在剪具上。图2-3 核桃采摘机2.2旋转敲打摘果器研究旋转敲打摘果器包括动力源、伸缩杆、传动轴、采摘头等，通过各种动力驱动传动轴，进而带动采摘头运动，依靠采摘头上工作件的冲击力敲落山核桃、银杏、香框等坚果。只是组成的布置形式和结构不同而已。国内20世纪70年代就研制出手持电动采果器，近几年许多研究人员在采摘头旋转运动方式上取得了研究成果。如2009年雷泽民等4研制了采摘头摆动运动方式的采摘器(图2-3), 配以振动盘，垂直于振动盘设置多个平行的振动杆，振动盘、振动杆成一整体，以及使上述整
6、体上下升降的升降机构、使上述整体摆动的驱动机构的采摘装置，实现了采摘的机械化，可代替人工，操作简便、高效。图2-3 枸杞采摘装置2009年雷泽明发明的果实采摘机（图2-4），该采摘机包括采摘头、带动采摘头摆动的驱动装置，其特征在于安装在壳体内的驱动装置为平面连杆机构，该平面连杆机构中的曲柄与可旋转安装在壳体内的输入轴上端固定相连，输入轴下端通过软连接与电机相连，平面连杆机构中的摇杆与采摘头相连。采摘时，将采摘头插入构祀或沙棘的枝条中，通过梳状采摘头的摆动，将成熟果实摇下，落入收集装置中，提高了果实的采摘效率。图2-4 果实采摘机2012年柴秀洪等研发了多功能坚果采摘机，其主要由自动感应负载变频
7、发电机、可调节伸缩特种材质管、阻尼式采打机械头及放线器组成，所述主拍打电机通过软硬轴动力传动组件与人工仿真拍打器连接，所述单轴双向自动伸缩器通过钢丝分别与升降辅助机构和软硬轴动力传动组件连接。调节高度为4.013.5 m，可360度任意旋转，且具有自动保护电路功能。图2-5 多功能坚果采摘机2012年浙江农林大学的张蔚发明的击打式山核桃采摘机（图2-6），包括一底板、一安装于该底板上的动力源、一采摘传动机构、一制动机构、及一击打装置。图2-6 击打式山核桃采摘机2.3机械振动采摘机研究机械振动采摘机的工作原理是通过机械自动振动果树的树干使要收获的熟鲜果品抖落，类似甩鞭时，鞭梢部分移动的速度可以
8、超过声速，细枝犹如鞭子，树梢上的果子便可抖落下来。20世40年代中期美国开始研究振摇式采摘机械，用来采摘胡桃和杏等果实，到50年代中期，出现了拖拉机驱动的振摇采摘机5。目前国外所采用的核桃采摘机具主要是美国、加拿大和澳大利亚生产的振动落果机6,7(图2-7)）。中国20世纪70年代也研制出与手扶拖拉机配套的机械振动式山碴采果机。东北林业大学研制了由集材拖拉机驱动的振动式采种机(图2-8)，由于消耗功率大，而且对树木损伤很大，在生产部门没得到推广使用。图2-7 振动落果机图2-8 振动式采种机2013年陕西科技大学发明的便携式核桃采摘机（图2-9），其包括驱动装置、传动软轴、振动装置以及树干夹持
9、装置，所述传动软轴的一端与驱动装置相连，另一端与振动装置相连，振动装置固定于树干夹持装置上，振动装置包括用于敲击树干的推摇杆。此便携式采摘机通过软轴传递动力，实现了夹持装置夹持树干的多方位、大范围的移动，高效、灵活。图2-9 便携式核桃采摘机2013年浙江农林大学的姚文斌等人发明的基于震动机理的便携式山核桃采摘机（图2-10），能够将初级树枝上的山核桃通过振动高效地采摘下来。图2-10 便携式山核桃采摘机三、分析与结论由于山核桃的生物学特性、生长环境及生长地理形貌，目前其采摘已是一种高危高强度作业，而实现机器人的智能化操作需要运用各种先进的智能控制技术，智能采摘机器人代替人类采摘作业之路并非一
10、蹴而就。由于山核桃自然生长的模式且经营规模较小，也不适合应用大规模大型的机械化装备，况且大规模的机械设备采摘对树木的破坏比较大，对于山核桃来年的收成有着巨大影响。鉴于各种因素多方面考虑，山核桃采摘机的设计，必然是人工与机械相结合人机互动的机械设计，可以设计一种便携式人工背在身上，通过伸缩杆，旋转采摘头或者高频拍打头，来采摘山核桃，提高了劳动效率，降低农民劳动负担，降低采摘山核桃当中的劳动伤亡。四、解决方案技术方案一：山核桃采摘机主要由背负式蓄电池、钢丝软轴、自动伸缩杆（中空）、电机、齿轮箱、拍打机构、拍打条等组成，总体布局如图所示。此山核桃采摘器，包括自动伸缩杆，其特征在于:还设置有电机和采摘
11、头，所述电机固定在伸缩杆一端；所述采摘头包括拍打机构和拍打条，所述拍打机构为曲柄摇杆机构，将输出的连续旋转运动转换为摇杆的往复运动，实现对山核桃的拍打；拍打条 由高弹性薄片外包软质橡胶组成，减少对树枝的伤害，但又不影响对山核桃的拍打；齿轮箱由一对锥齿轮构成，改变电机旋转的输出方向。使用时，调节好自动伸缩杆的长度后打开电源开关，电机启动，带动拍打机构的曲柄旋转，将拍打条对准山核桃，由于其具有很大的打击力，可以方便地将山核桃打下来。图4-11.电源2. 放线器3.自动伸缩杆 4.电机 5.齿轮箱 6. 采摘头技术方案二： 此山核桃采摘机，总体布局如图所示，其特征在于:还设置有电机和采摘头，所述电机
12、固定在伸缩杆一端；采摘头包括采摘头转轴和拍打条，拍打条固定在采摘头转轴上；拍打条由高弹性薄片外包软质橡胶组成，减少对树枝的伤害，但又不影响对山核桃的拍打；齿轮箱，所述电机的转轴与所述齿轮箱的输入轴连接，采摘头转轴与所述齿轮箱的输出轴连接。 使用时，调节好自动伸缩杆的长度后打开电源开关，电机启动，带动采摘头旋转。将采摘头对准山核桃，拍打条由于旋转的原因其具有很大的打击力，可以方便地将山核桃打下来。图4-2技术方案三：此山核桃采摘机，总体布局如图2所示，其特征在于:还设置有电机和采摘头，所述电机固定在伸缩杆一端；电机的输出端与凸轮相连接，将水平旋转方向的运动装换为垂直上下运动，带动采摘头振动。 使
13、用时，调节好自动伸缩杆的长度后，将采摘头夹持在山核桃枝桠上，打开电源开关，电机通过凸轮机构带动采摘头高频振动。山核桃由于惯性作用，脱离树枝，达到采摘的目的。图4-3五、参考文献 1 曾婉华.国外林木种子收集技术的分析(综述)J.林业机械， 1985(3):45-47.2 力勤敏，刘小燕，刘少山.1STZ-25型上树采种(果)设备的研究与设计J.林业机械与木工设备,2000,28(6):10-12.3 曹双喜，曹双边.水果采摘梯P.中国专利:CN 882149628 ，1989-12-27.4 雷泽民，宋春喜，赵永峰.果实采摘机P.中国专利:CN 201213381 751100, 2009-0
14、4-01.5 蓝峰，苏子吴，黎子明，等.国内外果园采摘机械的研究及发展探讨A.2010国际农业工程大会“十二五”低碳农业装备技术创新研究分会场论文集C.北京:中国农业机械学会， 2010.19-24.6 张进疆.澳大利亚的核桃采收与加工J.新疆农业科学,1999(6):281-283.7孙泽. 振动落果机P.中国专利:ZL 200620073972.4 ，2007-07-04.8SANDERS K F.Orange harvesting systems review J. Biosystems Engineering,2005,90(2):115一 125.9 KONDO N, MONTAM, FUJIURA T. Fruit harvesting robot in Japan J .Adv. Space Res,1996, 18 (1/2):181-184.
