多地形收枣设备研究与设计.pdf

第42卷 第1期 2020-01 【139】 多地形收枣设备研究与设计 Study and design of multi-terrain harvesting equipment 王鹏文1，胡志刚2，乔现玲2 WANG Peng-wen1, HU Zhi-gang2, QIAO Xian-ling2 （1.西京学院 机电技术系，西安 710123；2.陕西科技大学 设计与艺术学院，西安 710021） 摘 要基于陕西红枣种植区地形地貌研究，针对红枣接收时存在的采摘强度大、效率低、人工成本高 等问题，以红枣接收设备为设计对象，设计了一种可在多种地形上进行红枣接收的收枣机。 介绍了机具的整体功能及工作原理，并对其机构、结构、外观等进行了设计，且简述了收枣 设备的控制流程及使用方法。最后通过样机试制及试验，验证了该设备的收枣性能，推动了 国内复杂地形红枣采收设备机械化的发展，旨在提高红枣采收效率，降低劳动强度，并为相 关行业进行收设备产品开发设计提供参考。 关键词多地形；收栆设备；红枣；产品设计 中图分类号TD421 文献标识码A 文章编号1009-0134202001-0139-06 收稿日期2019-01-22 基金项目陕西省民办高等教育发展专项资金西京学院科研基金项目（XJ160231） 作者简介王鹏文（1991 -），男，山西人，讲师，硕士研究生，研究方向为产品设计、逆向工程等。 0 引言 随着我国对民生的关注，为农民增产减负成了政府部 门的一大工程。三农问题也多次在国家规划中出现。实现 农业持续稳定发展、长期确保农产品有效供给，根本出路 在科技[1]。红枣在陕西省产量大、种植区地形复杂。陕西 为我国主要的红枣的产区，尤其以陕北为代表[2]。陕北红 枣种植区地形复杂，有平地，有坡地，且坡地也不是一 种有规律的坡地。特殊的地貌特点使陕北红枣的采收有 别于新疆等其他红枣产区，很多适用于平地的采收装置 无法适用于陕北。复杂的地貌给红枣的采收带来了极大 的困难。枣农收枣问题显得尤为重要，红枣产量大，种 植区地形复杂，现有收枣方式效率低、劳动力需求大， 机械化采摘水平低[3～5]。 根据调研，陕北红枣采摘过程中，采用人工打枣的 方式将枣从树上打落。这种方式还有另外一个作用 去嫩枝，使枣树不至于成长过快，从而保证和提高红枣 的产量。在陕北黄土地貌地区，主要采用人工收枣的方 式，利用长杆击打枣树的方式使枣掉落到地面，再由人 手工一颗颗的捡拾。枣过程中90以上的劳动力用于捡 枣。近几年枣树种植面积的不断扩大，陕北本地的劳动 力已经不能满足需求，且捡枣过程极其辛苦，捡枣速度 最快仅为300公斤/人/天。因此，在项目的研发过程中， 保留了现有的打枣方式，而将重点放在了红枣的收集方 式上。本设计从陕北地区的地形地貌和红枣收集方式入 手，拟设计一款适用于多种地形，能实现高效收枣的收 枣设备。 1 设计分析 目前，中国是红枣种植面积最大的国家，但是全国 范围内关于红枣收获机的开发研究尚属起步阶段，目前 仅在新疆的红枣种植地区有部分收获机研发成功。 2009年，新疆农垦科学院机械装备研究所主持实施 “红枣等收获机械引进与开发”项目，成功研制开发出 “4YS-24红枣收获机”（如图1所示），并在南疆农二 师三十团三连枣园顺利通过田间试验与机具性能检测。 该机设计的原理为果实机械震动脱落的原理，采用金属 手环抱树干，通过震动的方式，摇落果实，适用于采收 种植模式为4m3m、树干直径8～20cm的红枣和核桃 等果树[6,7]。 2012年，石河子大学机械电气工程学院针对新疆矮 化密集种植红枣的收获问题，根据矮化种植模式，设计 试制了4ZZ-4型自走式红枣收获机（如图2所示）。该机 的适用条件为果园行距2.5m以上，果树树形为筒状，成 熟期集中，同一行内品种一致，果树高度在2.2m以下， 最低结果枝位置不低于0.4m[8,9]。 图1 4YS-24红枣收获机 万方数据 【140】 第42卷 第1期 2020-01 1 2 3 10 11 78 9 4 5 6 图2 4ZZ-4型自走式红枣收获机 这两种机型都是根据新疆红枣种植的“矮化密集” 特点以及地势平坦特点研发的，目前新疆地区的红枣收 获机并不适用于陕北红枣种植区。 目前国内关于红枣采集领域的专利一共有15项（如 表1所示），其中2项发明，13项实用新型。国内关于红 枣采集的两项发明专利中，都结合了红枣采摘过程中 “打枣”和“捡枣”两个方面。 其中1号专利（图1～图3）的装置具有旋枣笼，旋 枣笼的下端连接圆筒杆，圆筒杆下端连接布袋。使用 时，手持圆筒杆转动，带动旋枣笼在树木上旋转，枣子 被旋进笼内，然后顺着圆筒杆进入布袋。此专利有一定 的局限性枣树高度的不同会限制装置的适用范围，旋 转过程中会有部分红枣被直接击落，而非落入布袋，如 此一来增加了捡拾红枣的劳动强度，且效率不高。 表1 相关15项专利 序号专利名称专利申请号专利类型 1打枣器200910210250.7发明 2电动大枣采摘机201010501944.9发明 3简易摘枣机03253468.X实用新型 4落枣机200620162018.2实用新型 5冬枣选摘器200620162024.8实用新型 6打枣杆200920017822.5实用新型 7方便摘枣器201020187139.9实用新型 8酸枣采摘器201020226331.4实用新型 9电动大枣采摘机201020555311.1实用新型 10 专用于采摘红枣 的手持式采收装置 201120048256.1实用新型 11多功能果树采摘车201220411457.8实用新型 12红枣核桃采集器201220469121.7实用新型 13小枣采摘器201220498594.X实用新型 14沙枣采摘器201220527343.3实用新型 15红枣采摘器201220524777.4实用新型 2号专利（图1～图4）的装置采用直流电驱动，其 原理是通过滚筒上的橡胶皮条抽打果实并使果枝产生颤 动形成抽打力和离心力的双重作用，使大枣脱离枣枝而 落入收集装置。此专利也受枣树高度的影响而限制其适 用范围，而且装置的重量也会增加枣农的劳动负担。 1 2 3 图3 发明专利打枣器 10 11 2 8 4 3 9 5 6 7 图4 发明专利电动大枣采摘机 上述的13项实用新型专利中，4号专利和7号专利 是指针对于红枣采摘过程中的“打枣”环节，由于枣农 的主要劳动强度存在“收枣”环节，不能有效地减轻枣 农负担。10号专利、11号专利以及12号专利是针对于采 摘过程中的“收枣”环节，但装置的安装较麻烦且操作 复杂，耗费在装置本身中的时间成本过高，增加效率的 效果不够明显。其余8项专利都结合了红枣采摘过程中 “打枣”和“捡枣”两个环节，但操作方式都是逐个地 采摘红枣，虽用到了半机械化式的农机设备，但效率还 不及枣农的手工劳作，效率低下。 综上所述，所有的15项专利各有其优势所在，但对 于减轻农民负担，增加工作效率的成效上具有一定的局 万方数据 第42卷 第1期 2020-01 【141】 限性。本项目采用的收枣技术完全不同于以上专利和设 备，能够解决目前最关键的捡枣效率和劳动强度问题。 2 整体结构与工作原理 2.1 整体结构 根据对陕西地形地貌调研以及专家组成员共同探 讨，设计了一种能够适应陕西红枣种植区多种地形的红 枣采收设备。该设备采用电力/人工两种驱动方式，能 够实现机械化作业、提高红枣采收效率。该采收机由主 体支架、两节伞骨、网布等部分构成，如图5所示。 第2节伞骨收缩到第1节伞骨内后， 伞骨可以向内合拢 第2节伞骨可以收 缩到第1节伞骨内 1234576 1.第2节伞骨；2.网布；3.手柄；4.第1节伞骨；5.驱动滑块；7.抱爪 图5 收枣设备结构示意图 该设备所有功能均可由1～2人操作，蓄电池可拆 卸，方便充电，设备在无蓄电池情况下也可以使用，从 而保证设备的使用率。蓄电池可分开携带，从而减轻设 备重量。 图6 收枣设备功能框架 2.2 工作原理 本设备的功能原理如下将处于折合状态的设备打 开；驱动滑块在驱动装置作用下向后动作，在连杆（图 7中9）驱动对称结构的两个抱爪张开（即打开状态）； 将设备推至树根，使树置于两抱爪之间；驱动滑块在驱 动装置作用下向前动作，抱爪合上（抱合状态）；第2 节伞骨伸出，带动固定其上的网布张开；接枣；收缩第 2伞骨，网布自动折叠；驱动滑块向后动作，抱爪张开 至打开状态；拖离树根，至下一棵树，重复动作。网布 最大角度为135左右。 2.3 基本参数 根据陕西红枣种植区红枣采收作业模式的要求，确 定了红枣采收机的主要技术参数，如表2所示。 表2 红枣采收机主要参数 主要技术参数单位数值 自重kg45 网布直径mm6 设备折合后尺寸mm15004040 底部滚轮数量个2 蓄电池容量V/AH12/50 伞骨数量个5 伞骨节数节2 承重Kg30 设备设计总重不超过45kg，蓄电池可拆卸从而减轻 自重，折合高度不超过1.5m，并配备有两个轮子，实现 单人背负或拉动上坡地；接枣比率大于95，因此，本 设备在接枣机构的设计上采用倒伞形网布360度抱合树 干，打落的红枣沿网布滚向树干方向，并通过网布下部 开口滚入枣框。为使接枣比率增高，其伞口开合度应该 大于6m（在调研过程中，我们发现开口直径应大于6m 方可提高接收率），因此需要提供倒伞形支撑结构即 伞骨两根，网布的伞骨为2节可伸缩结构，方便收纳； 设备使用12V/50AH电瓶供电（电瓶可方便拆卸和安 装），也可以使用手动方式驱动，方便在远处坡地上使 用，亦可在无电瓶状态下工作；操作人数我们设定1～2 人即可对设备进行操作，以节省人工，提高效率。因此 我们设计一台适用于多种地形的、手动电动两种方式驱 动，多根伞骨支撑的倒伞形网布为接枣机构、能实现高 效收枣的收枣设备。 打开状态 抱合状态 1 8910 234567 1.手柄；2.轮子；3.机架；4.网布；5.第1节伞骨；6.第2节伞骨； 7.抱爪；8.驱动滑块；9.连杆；10.抱爪旋转轴 图7 收枣设备抱合动作示意图 万方数据 【142】 第42卷 第1期 2020-01 3 设计实施 3.1 机构设计 红枣采收设备具有构造简单、方便操作，以及收栆 效率高的优点。通过对地形地貌分析和红枣收集方式研 究，设计一台适用于多种地形的、手动电动两种方式驱 动，多根伞骨支撑的倒伞形网布为接枣机构、能实现高 效收枣的收枣设备，其中伞骨为2节式伸缩结构，倒伞 形网布可在是伞骨作用下实现绕树360抱合。围绕这 个目标，项目将重点解决采摘设备主体支架、伞骨开合 方式、伞骨支撑方式、网布开口位置的研究。 1）主体支架结构研究。支架指支撑伞骨、连接轮 子和手柄、保证设备整体性的框架，本设计采用铝合金 框架式结构。 2）伞骨开合机构设计。本设备主要在红枣成熟季 节适用，闲置时间很长，为了节省空间和便于远距离搬 运，设计为伞式的可开合结构。该开合机构采用5根伞 骨，采用连杆机构。 3）伞骨伸缩机构设计。设备拟采用2节式伸缩伞 骨，主要研究伞骨伸缩方式、定位方式。采用机构自锁 或锁紧离合两种定位机构。 4）网布抱合机构设计。网布固定于伞骨上，随着 伞骨的开合、伸缩而动作。同时伞骨固定在网布抱合机 构上，可以支撑网布实现绕枣树的360抱合动作。 3.2 草图方案 在整个收枣设备中，机身是其主体部分，占据色 彩比重较大，在整个设备色彩的把握上起着至关重要的 作用。机身的色彩偏向于无色彩的白色和灰色，而对于 用户需要操作的、可以活动的部件使用颜色较为明快的 色彩，能有效缓解设备从操作者的沉闷、乏味等心理感 受。轮子结构线使用颜色纯度较高的黄色，在整个产品 形象中起着决定性的作用，它使产品的色彩变得强烈且 鲜明，为产品增加了最具特点的活泼元素，同时黄色也 是安全色，具有提醒用户操作产品时注意安全的作用。 在外观设计中，绘制了如下三个方案，如图8所示。 a 方案一 b 方案二 c 方案三 图8 方案草图 通过专家组成员对以上3个方案进行比较，最终选 出第三个方案作为红枣采摘设备的最佳外观方案，并绘 制效果图9、图10所示。 图9 手绘效果图 3.3 产品外观设计 根据手绘效果图，在三维软件Pro-E中构建产品模 型并渲染，得到以下收枣设备效果图，如图11～图13 所示。 万方数据 第42卷 第1期 2020-01 【143】 图10 手绘细节图 图11 效果图展示 图12 展开效果图展示 图13 产品细节展示 4 产品试验与结果 在陕北红枣种植地区进行收栆设备接枣比率的测 万方数据 【144】 第42卷 第1期 2020-01 试，由测试结果可以看出在红枣采收过程中，仍有部 分枣子滚落地面，但经过统计，接枣率超过95，大大 的减少了人工拾枣的强度，缩短了收栆周期。采用该方 式采摘较传统方式效率提升了4～5倍，节省了80以上 人工。 5 结语 本项目重点对收栆设备进行创新设计，针对特有的 地形地貌和收栆方式进行研究，进而对收栆设备进行功 能框架搭建，完成产品的方案设计、结构设计、机构设 计，为相关行业进行收栆设备产品开发提供参考。 1）该产品设计实施促进了我国农机机械化的发展 进程，为陕北红枣种植产区收获机械发展起了一定的推 动作用，促进了当地农业经济的良性发展。 2）该项目实施改进了红枣传统人工采集方式，收 集方式科学化。解放了农民“面朝黄土背朝天”的作业 形态，减轻了农民身体上的劳动负担，进一步促进了陕 北红枣种植区的民生发展。 3）采用机械化作业，大大降低了对人工的依赖， 解放了劳动力。 4）项目实施后，降低了红枣成本，提高了枣农的 收入，增强了红枣的市场竞争力，加速了陕北红枣种植 区人民向小康生活迈进的步伐。 参考文献 [1] 竹子俊.科技武装现代农业[J].中国对外贸易,20120460-61. 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