北方高丛蓝莓采摘机的设计与试验

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1、北方高丛蓝莓采摘机的设计与试验蓝莓是一种越桔植物，成熟的蓝莓果实是深蓝色或紫 色，它是真正的蓝色水果。其独特的保健营养价值，已被列 为联合国粮食和农业组织的五大健康食品之一，被称为世界 的第三代水果之王。近年来人们对蓝莓的需求逐步增长，蓝 莓已成为公认的健康水果。中国野生蓝莓地区的大小兴安岭 占世界野生蓝莓总量的70%，大小兴安岭是真正的野生蓝莓 故乡。黑龙江省野生蓝莓资源占世界的30%以上，其鲜果及 其加工制品已受到国内外市场的欢迎。黑龙江省蓝莓产量据 不完全调查，总储量约为20多万吨，是真正的寒地、原产、 野生、黑土、保健、无污染的有机产品，已成为全世界的稀 缺资源。受交通、劳动力、采摘手

2、段等因素的影响，每年的 实际采摘量仅为7 000吨左右。目前我国完全依靠人工采摘，采摘费用约占蓝莓生 产总成本的50% - 70%，严重制约了蓝莓大面积的推广与种 植。为实现蓝莓采摘的机械化和自动化，需要研究一种高效 智能的蓝莓采摘机械。机械采摘系统对节约蓝莓采收成本是迅速而有效 的，但机械采摘对果实的低效采摘和高度损害是目前限制机 械米摘的主要问题。解决这一问题的关键步骤是提高机械米 摘机的采摘技术。国内目前尚未开展行走式蓝莓采摘机械的 研究，关于林果采摘并适合于小浆果采摘的只有手持气吸式 的专利一项。美国作为蓝莓原产国和机械发达的国家，最早 研制了蓝莓采摘机，现在美国主要有三家公司研制采摘

3、机， 其中BEI公司的技术最先进，生产的蓝莓采摘机已经广泛用 于生产，推动了蓝莓的大面积种植，并已取得巨大的经济效 益。Brown等人在1996年就进行统计，商业的蓝莓采摘机可 以提高劳动生产率达6 000%，降低劳动成本85%。现今全球 蓝莓产量预计到2015年将达到675万吨，并持续增长。黑 龙江省预计到2015年将建设蓝莓原料基地8 3325万m2,鲜 果采摘量达4万吨同。因此，发展机械采摘已成为蓝莓产业 的必然趋势，而且随着我国蓝莓种植业的扩大蓝莓采摘机也 将成为我国蓝莓产业的迫切需求。1 旋转式蓝莓机械采摘机的设计1.1 采摘机技术研究现状蓝莓属于林果，林果的成熟期较短，采收时节相对

4、 集中，且采摘过程劳动强度大。目前林果采摘应用最多的机 械采摘方法即振动法。振动式机械采摘又分为气力式、连续 式、撞击式和接触式四种。在国内应用机械方法对林果进行 采摘的有东北农业大学王业成等对黑加伦的采摘，新疆农垦 学院农机研究所对红枣和核桃的采摘都取得了较好的采摘 效果。应用机械法对林果采摘主要解决的问题有果实的采净 率、果实的损伤度以及对果树的损伤度。国内目前还没有对 蓝莓采摘机进行研究的知识产权和相关专利。本文所设计的 采摘机是旋转接触式采摘机应用振动原理对蓝莓果实进行 批量采摘。1.2 旋转式蓝莓采摘机的机械系统设计机械采收在美国、西班牙等一些国家的果园应用较 为普遍。美国的采收技术

5、相对成熟，主要应用于成排果树的 采收，与以往的采收机相比大大缩短了采收时间。美国种植 的蓝莓主要是南方高丛蓝莓，蓝莓植株较高大都在15 m以 上，果实相对较大，蓝莓果皮相对较厚。黑龙江省以种植北 方高丛蓝莓为主，其植株与南方高丛蓝莓植株相比较矮，且 果皮相对较薄。因此我们在进行蓝莓采摘机的设计时主要针 对我省种植蓝莓植株的特点进行设计，美国的蓝莓采摘机结 构仅作为参考。旋转式蓝莓采摘机车架是门式结构，在采摘 过程中它横跨蓝莓植株，并按照蓝莓植株列的方向前进。根 据蓝莓生长状况和植株垄距，蓝莓采摘机的整体结构较大， 但采摘空间相对不大。采摘机由转向控制部分、驱动控制部 分、采摘部分、装箱部分和杂

6、质分离部分等组成。图1所示 为去掉蒙皮、液压系统、驱动系统等部分的采摘机三维图形。 只保留了与采摘干涉和轨迹规划有关的部分。旋转式蓝莓采摘机的采摘部分模仿人的手指外形， 将其称为振动指棒。振动指棒的外部包裹塑胶材料，工作时 指棒处于旋转状态穿透蓝莓灌木丛，对灌木丛进行振动摇 晃，以便于对蓝莓果进行有效采摘。旋转式采摘是机械采摘 方式中较为轻柔的采摘方式，采摘指棒对蓝莓灌木丛的振动 摇晃都是可以按照不同的地面条件进行调节的，以便使采摘 的蓝莓果实质量较高。采摘指棒还可以设计成频率可调的摆 动式。在指棒工作过程中，可以进行频率转换通过挤压及振 动两种施力方式把成熟的果实采摘下来。并针对不同植株的

7、灌木丛选择不同的振动频率。蓝莓采摘机主要由旋转塑胶棒、捕捉板、收割机隧 道和输送带这四个机械部件对蓝莓果实进行收获，如图2所 示。图中虚线表示蓝莓（圆点）在机械收获过程中的一个典 型的运动轨迹。圆点表示在收获蓝莓时，蓝莓在收割机上运 动的不同位置。旋转式机械收割机有两个主轴，每根主轴上 都安置16个圆形安装盘，每个安装盘上都均布18个塑胶指 棒。采摘机的驾驶员或操作员可对塑胶指棒的振动频率进行 设定，但指棒自身不能做旋转运动。当收割机向前移动时， 两个带有振动指棒的主轴进行旋转，将蓝莓灌木丛推开。采 摘下的果实跌落到倾斜的捕捉板上，然后蓝莓果经传输带将 被传送到蓝莓采摘机两侧的收集箱中。大多数

8、的机械式采摘 机更适用于采摘像桔子这类带有较厚果皮的果实，从植株上 采摘经传输带传输再到收集箱中整个采摘过程中，果实相对 完好度较高，而蓝莓果是非常容易被擦伤的。Pengcheng Yu 等人2012年最新研究结果显示机械采摘的捕捉板对蓝莓浆 果的机械冲击影响占30%以上，空的水果收集箱占20%,传 输带上的撞击和振动指棒一共产生的影响只占机械冲击影 响的25%。目前蓝莓机械采摘技术相对先进的是美国，Korv an公司生产的采摘机，其采摘时的行进速度保持在1. 85 k m/h，旋转主轴的速度是600 r / min。因此，我们在进行 蓝莓采摘机设计时将捕捉板的材质选用弹性较好的蜂窝硅 胶，这

9、样可以有效缓解在采摘后蓝莓果从植株到塑胶指棒再 到捕捉板的机械冲击。并根据北方蓝莓果实果皮相对较薄的 特点将采摘试验时采用的行进速度保持在04 km/h，旋转主 轴的速度是400 r/min。2 旋转式机械采摘的机理分析2.1蓝莓果实振动采摘原理分析采摘机开始工作，采摘机主轴进行旋转运动，塑胶指棒搅动蓝莓植株冠层, 植株的枝条则被旋转的主轴分开到采摘机的两侧器壁。一部 分蓝莓果实则在塑胶指棒的搅拌下脱离植株，另一部分则随 旋转的主轴多次受指棒搅动在采摘机的器壁附近脱离植株。 指棒多次反复拍打蓝莓枝条，对蓝莓枝条上果实所产生的振 动响应为当F惯上F采摘力时，便可使蓝莓果实脱落，实现 蓝莓果实采摘

10、。实际上，蓝莓植株质量是连续分布的，它属于多自 由度振动系统，最后作用于蓝莓果实所形成的振动响应为当F2F采摘力时，即可实现蓝莓果实的采摘。2.2 蓝莓植株系统振动分析应用机械系统采摘蓝莓时，机械对果实的伤害率 高，并且机械收获的果实不宜于进行长期的冷藏保存且保鲜 期短。因此，旋转式蓝莓采摘机设计时主要将采摘力作用于 蓝莓枝干，通过机械系统所产生的振动实现果实与枝条的分 离，尽量减少机械系统直接触碰果实。建立蓝莓植株系统的 振动模型最终目标是为计算机械系统所产生的振动响应输 出所产生的采摘力，并将其与最小采摘力进行比较分析，得 到蓝莓果采摘所需的临界响应。用数学模型来描述蓝莓植株是比较复杂的，

11、需对其 简化。蓝莓果实主要在蓝莓植株的侧枝，而侧枝是变质量、 变截面的，又由于结果期果实主要集中于枝条端部会形成侧 枝弯垂。故将侧枝假设为多自由度、变截面的刚性一弹性变 形体。则有应用以上假设得到蓝莓侧枝为密度恒定、质量均匀 变化的弹性体，属于连续振动系统，需要无限多个坐标描述 其运动，蓝莓侧枝受力振动输出响应为偏微分方程形式。采摘实验对象为“北陆”蓝莓，对枝条施加载荷求 解其振动响应。表1为蓝莓枝条具体参数。旋转式采摘机施 加蓝莓植株的激振力可分解为轴向和径向两个方向，表2为 蓝莓侧枝受振动时输出的响应。3 试验结果分析3.1采摘力测量旋转式采摘机主要应用机械系统产生的振动将果 实与枝条分离

12、，并将其进行现场采摘试验。在试验过程中， 收集箱中可见非成熟果实、成熟果实和树叶。将三者与枝条 分离的力进行测量，其结果见表3所示。从测量数据可看出, 三者从枝条上分离的力大小是不同的。在蓝莓结果期进行采 摘时，通过控制采摘力的大小，可实现熟果的机械化采摘， 大大提高采收效率。3.2米摘路径进行规划采摘机整体较大且需横跨于蓝莓植株，因此在进行 采摘作业时它不能像行驶的汽车那样可以随意改变方向，只 能左右小范围内进行转向，且在转弯时要有较大的转弯半 径，否则容易发生车体侧翻。在进行直线行走时，也需及时 矫正偏斜，几乎需要随时调整方向，否则蓝莓采摘机后踏板 会压倒蓝莓植株，并划伤树根。图3为采摘机

13、后踏板压倒树 丛的情况，图示中的右后踏板压倒树丛后通过。图4为蓝莓 采摘机采摘过后对蓝莓树根的损伤情况。4结论依据机器自身特点和试验结果分析得出，为有效降 低蓝莓采摘成本、提高采摘率、减少对植株划伤和果实损伤 需在设计时加强的环节主要有：(1) 在进行蓝莓米摘作业时，米摘机的运行路径以 直线为主，大角度转向情况较少，可以应用电动助力转向系 统EPS)来替代目前的液压转向系统，电动机只在转向时才 工作，不转向时几乎没有动力消耗，使采摘车体具有更高的 燃油经济性；(2) 蓝莓米摘时需对米摘路径进行规划，需要考虑到米 摘机车体的尺寸与蓝莓植株尺寸、植株间距离、垄距间安全 距离等因素以免采摘机刮伤植株；(3) 采摘机的工作部件塑胶指棒、门式框架挡板尽量都 选用弹性较好的材料，最大程度的减少机械冲击影响，以减 少对果实和果树的损伤；(4) 尽量减小果实跌落的高度或改善捕捉板、传输 带的表面材料对蓝莓果实所造成的损伤。只有更多的了解采摘机与蓝莓果之间的相互作用， 才能为以后更好的设计机械采摘机提供思路也可以为市场 提供质量更好的新鲜浆果。范长胜，李志鹏，郭艳玲(东北林业大学机电工程学院)