棉花采摘机（精选7篇）
棉花采摘机 篇1
0 引言
当前大型的棉花收获机械且使用较广泛的是自走式水平摘锭采棉机。但是受我国棉花种植模式的影响, 大型采棉机短期内难以进行大规模使用。多数地区主要依靠人工进行的棉花采摘, 不但效率低下而且任务繁重, 为此每年浪费大量的人力、物力、财力。微型采棉机采棉技术也是在几年才出现的, 这种采棉机体积小、便携易带、操作方便、成本低, 且效率高, 有较好的市场前景, 但是当前的手持式采摘机存在堵塞情况, 导致效率低下。为解决其效率低下的问题重新对其进行了优化设计。
1 整机的结构及工作原理
一代机主要由机架、外壳、铅蓄电池、充电器、低压直流高速电机、采棉装置部件组成。外壳选用较轻的工程塑料;电机选用微型高速电动机, 采棉机的壳体由两部分组合而成, 壳体后端是手柄, 壳体是主要的零件载体, 工作原理示意图。电机通过动力输出轴上的同步齿形带轮通过同步齿形带驱动采棉辊上动力输入轴的同步齿形带轮, 动力输入轴的另一端连接一个外齿轮, 外齿轮与镶嵌在采棉滚筒上内齿轮啮合, 驱动采棉辊转动, 16个采棉爪分四排呈90度分布采棉辊筒上, 通过一个同轴串接在一起。随着采棉辊的旋转采棉爪在正对棉朵时最长, 进行采棉作业, 当采棉爪背对棉朵时最短, 棉朵脱离采棉爪落入集棉袋内, 如此循环往复完成采棉作业的一个流程。
2 主要技术参数
外形尺寸: (长×宽×高) 270×85×100 (mm) ;
电池电压 (V) :12;
功率 (W) :12;
电动机转速 (r/min) :800;
采棉机重量 (kg) :0.95;
附带电瓶重量 (kg) :2.5;
齿轮转速 (r/min) :480;
采棉辊转速 (r/min) :240;
生产率 (kg/min) :≥10;
采净率 (%) :≥90;
含杂率 (%) :≤10。
3 零件的优化及设计和优化结果
首先通过UG三维设计软件对手持式采棉机进行建模, 建立手持式采棉机的各个零件的的模型, 然后对零件进行装配, 后倒入ADAMS软件中进行动态仿真。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库, 约束库, 力库, 创建完全参数化的机械系统几何模型, 其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法, 建立系统动力学方程, 对虚拟机械系统进行静力学, 运动学和动力学分析, 输出位移, 速度, 加速度和反作用力曲线.ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能, 运动范围, 碰撞检测, 峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。设置采棉头不同的转速和不同的受力大小、方向, 然后通过运动学仿真获取采棉头在不同转速下的模拟曲线, 并以此对比出比较合适的转速。
优化的结果:重新调整了伸缩齿的长度和偏心轴的位置, 使伸缩齿伸出滚筒的距离约在5mm处, 伸缩齿在回缩时恰好缩进滚筒;降低了采棉头的转速, 采棉头的转速由600n/min降到200n/min。
4 田间试验
4.1 试验条件
为了验证优化后手持式采棉机的采棉效果, 于2013年11月份在滨州市无棣县进行了手持式采棉机采棉试验。
试验条件为试验田棉花的行距为760mm, 株距为160mm, 棉花的株高为900mm, 每株棉花的棉铃数约在5~8个之间;采棉头的转速约240n/min, 手持式采棉机的重量约1kg。
4.2 试验方法
为了对比优化后手持式采棉机的性能, 在相同的时间内同时做了手持式采棉机优化前和优化后采摘棉花的重量。重复进行了两次试验, 试验数据统计如表1、表2所示。
4.3 试验结果分析
通过对表1中的每组数据进行比较可知, 优化后的手持式采棉机的在每段时间内采棉重量的都高于其对应组优化前采棉的重量。通过对采棉总量的对比发现优化后比优化前, 手持式采棉机的采棉效率提高了8%。在结合表格的情况分析, 不难发现, 优化手持式采棉机的堵塞次数明显高于优化后。
5 结论
优化后的手持式采棉机的效率明显提高, 比优化前提高了约8%;优化后手持式采棉机出现堵塞的情况也明显减少。
摘要：针对手持式采摘机效率低下的问题, 通过对其进行UG建模和ADANMS的仿的动态仿真进行优化设计, 并进行了田间试验对比。优化后的手持式采棉机效率明显提高。
关键词：棉花,采摘机,手持式,优化设计
参考文献
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[6]沈晓阳, 王平.棉杆压缩与剪切力学性能的研究[J].农机化研究2010, (09) :155-158.
棉花采摘机 篇2
哈密市总耕地面积29.43万亩, 其中棉花种植面积约19万亩 (2014年机采棉种植面积约为2.8万亩) , 棉花已成为带动哈密农村经济发展的支柱产业, 成为促进哈密区域经济发展、增加财政收入的重要组成部分。
截至2013年年底, 哈密市共拥有各类拖拉机6602台 (架) , 其中大中型拖拉机2794台;各类配套农机具13 447台, 其中棉花铺膜机1344台, 机动喷雾 (粉) 机47台, 旋耕机1191台, 秸秆粉碎还田机384台, 棉花加工机械7台, 残膜回收机113台。
二、棉花机械化技术推广应用情况
哈密市棉花生产机械化技术自20世纪90年代初开始推广, 首推棉花铺膜播种机械化技术, 20多年间棉花各生产环节已基本实现机械化生产, 但只有棉花收获环节仍为人工采收, 棉花人工采收已成为制约棉农增收的瓶颈。
哈密市于2013年首次进行了机采棉尝试性推广, 种植面积3000亩, 采棉收获均为租用当地兵团机具。为进一步推动机采棉技术的应用, 根据哈密市农业生产现有的经营模式, 引进了大宇轻便型采棉机和卡瓦斯便携采棉机进行示范性推广。结合土地流转政策的实施, 2014年机采棉种植面积已扩大到28 000亩。
三、机采棉技术的优势
机采棉技术是用机械化手段对籽棉与青僵棉桃进行采收的一项综合性技术。近几年, 随着用工费用的不断上升, 人工采摘棉花费用已达2元/kg (含食宿) , 棉花收购价平均为10元, 人工采棉费用占到了总成本的20%。而利用大型机械采收棉费用仅是0.6元/kg, 采净率达到96%, 且1台机采棉年采收量相当于500个人工采摘量, 机采棉技术的应用从很大程度上降低了棉花的生产成本, 扩大了规模效益, 从根本上解决了拾花劳动力紧缺的问题, 大幅度降低了拾花用工人数, 提高棉农经济效益, 并且避免了雇佣大量民工而带来的诸多社会问题, 同时, 因及时采摘, 为秋季土壤深翻赢得充足时间, 棉杆深埋还可以增加土壤的有机质含量, 提高耕地的肥力。
四、制约哈密市机采棉技术推广应用的因素
1. 规模化生产经营程度低
长期以来, 哈密市农业生产经营模式主要以家庭承包经营为核心, 棉花种植“小而散”, 一家一户耕地面积小, 种植田块零星分散, 规模小, 大型机械难以作业, 加大了大型采棉机械的推广和应用难度。
2. 农民购买力低
大型采棉机及运输、加工配套设备价格普遍较高, 一次性投资过大, 且投资回收期较长, 即使享受到农机购置补贴政策, 对于上百万元的采棉机价格也是杯水车薪, 以农民家庭为单元的主要购买主体根本无力购买, 从而使机采棉推广受到了限制。
3. 收购和加工服务发展相对滞后
因机采棉是一次性采收, 缺乏相关的等级区分标准和收购依据, 以品级定价的棉花收购和加工给机采棉的收购和加工带来了问题, 增加了棉农的后顾之忧, 影响了棉农种植机采棉的积极性, 阻碍了机采棉技术的推广。
4. 技术宣传和服务不到位
机采棉是一项全新的技术, 棉农虽然急于摆脱居高不下人工拾花成本的制约, 但由于对机采棉种植技术知识的无知及对后续配套技术服务的担忧, 因此, 增加了机采棉技术推广的难度。
五、建议和对策
1. 加快土地集约化经营
加快推行土地流转, 促进土地整合, 加快土地由分散经营向规模经营的步伐, 为机采棉技术推广提供基础条件。
2. 积极探索组建农机作业服务组织, 带动机采棉技术的应用
通过多种形式, 如成立农机作业服务队、或政府牵头由政府与棉农共同出资组建专业采摘组织, 以农机作业服务队和专业采摘组织为单位购买采棉机, 开展服务作业, 既解决长期存在小家小户买不起采棉机械的问题, 又满足了一家一户棉花收获的需求;同时, 各购机成员还可从采棉机对外开展采收服务作业中获得收益。
3. 加强政府协调或引导作用
由政府出面与收购企业协调, 在不损害棉农利益的基础上, 对采棉机械收获的棉花给予定价, 或对种植机采棉的棉农给予一定的经济补贴, 打消棉农售棉的后顾之忧, 提高棉农种植机采棉的积极性。
4. 加大机采棉技术的培训
牵引式小型辣椒采摘机设计 篇3
辣椒含有丰富的营养元素, 有利于人体健康, 同时从线椒中提取的辣红素是一种具有广泛工业用途的天然色素, 是国家鼓励发展的高技术产业之一。
近年来, 随着农业产业结构的调整, 甘肃省辣椒种植区主要分布在河西走廊的武威、张掖和酒泉等地区, 河西走廊因光照时间比较长、干燥少雨和昼夜温差大等得天独厚的辣椒生长条件, 辣椒与内地的相比, 具有品质好、色价高和产量高等特点。据不完全统计, 2013年甘肃省辣椒种植面积约3.4万亩 (1亩 =1/15 hm2, 下同) , 平均产量2 000 kg/ 亩左右, 折合毛收益产值3 000元/亩左右, 扣除生产成本投入, 纯收入在1 500元 / 亩左右, 辣椒种植投入产出比小麦、玉米等作物高3~4倍, 从而成为区域经济增长的稳定支柱。辣椒作为一种高效经济作物, 随着种植面积的扩大, 线辣椒收获作业方式———人工采摘, 劳动强度大、效率低且成本高, 严重制约辣椒的产业化进程。辣椒收获季节正值葵花、玉米等采摘期, 劳动力紧缺造成辣椒采摘费用逐年攀升。据不完全调查, 河西的辣椒产区2013年的采摘费用为0.4~0.6元 /kg, 辣椒产品售价为1.3~1.5元 /kg, 人工采摘费用占辣椒销售价格的30%~40%, 所以广大椒农迫切需要一种新型小型辣椒采摘机械来改变这种现状, 以达到节本增效的目的。针对现有的辣椒种植模式和地方区域特点, 研制小型辣椒收获机是解决辣椒生产机械化采收的有效途径。本文对牵引式辣椒采摘机的主要结构、工作原理、关键零部件设计和存在问题进行论述。
1 工作原理
本牵引式辣椒采摘机采用15 kW以上四轮拖拉机牵引, 总机架宽1.4 m, 可满足1.4 m覆膜宽度、4行种植模式下的辣椒收获作业, 可一次性完成采摘果实、输送、清选分离和集箱等作业。本机的采摘装置置于四轮拖拉机的前方偏右侧, 输送装置置于右侧, 收集装置置于拖拉机后方。进行田间工作时, 与四轮机拖拉机悬挂牵引装置连接, 由拖拉机的主带轮输出动力, 通过传动系统将动力输送至辣椒采摘机的整个工作部件, 如采摘装置、输送装置、清选装置等。辣椒收获机开始工作, 在扶禾轮作用下, 辣椒经由中速逆时针方向旋转的弹齿, 把辣椒从茎秆上采下, 并随滚筒旋转向后抛送至清选装置, 将椒秆、枝叶等清选分离后通过漏斗收集口落在输送带上, 由输送带输送至收集装置, 达到料箱所承载的质量后, 通过液压装置进行卸料, 完成辣椒的整个收获过程。
2 主要结构
本牵引式辣椒采摘机主要由弹齿式滚筒采摘装置、气流震筛组合式清选装置、传动系统、平带输送装置、机架 (可调节的牵引装置、主机架) 和收集装置等组成。可一次性完成采摘果实、输送、清选分离、集箱以及卸料等作业。设计作业速度为2~4 km/h, 采净率≥95/%, 辣椒破碎率低于5%, 机架采用液压装置调解作业高度, 以适应不同高度的田间作业。
2.1 采摘台装置
辣椒机械采摘主要是由采摘台实现的。采摘装置作为辣椒采摘机的重要工作部件, 直接影响整机的性能和采摘质量。辣椒采摘台的类型较多, 主要有螺旋杆式采摘台、滚筒式采摘台和梳齿式采摘台。螺旋杆式和滚筒式采用持续敲打方法, 对辣椒伤害较大, 本机参考几种采摘台的优缺点, 将弹齿沿滚筒径向螺旋排列成一排, 采用从下向上挑、滚筒旋转时带动弹齿做回转运动将辣椒果实从茎秆上采摘下来的方法采摘辣椒, 并与侧板、护板和机架等零部件组成螺旋式弹齿采摘台。其中, 弹齿和滚筒对采摘效果起着重要作用。考虑到对辣椒损伤等因素, 将复合材料制作的弹齿固定在滚筒上, 滚筒参数主要是滚筒转动的线速度、机组行进速度以及滚筒上弹齿距地面的高度等。辣椒收获机采摘滚筒主要由弹齿、幅板、护板和主轴等组成, 弹齿之间的排列间隙可调节, 可以采收不同的辣椒品种。
2.2 清选装置
清选装置作为整机的除杂系统, 其结构和性能对收获产品的清洁度有直接影响。本机采用机械振动筛与气力复合清选原理。机械式清选机构采用凸轮回转振动筛方式, 气力清选机构选用可调风量的风机, 主要清理枝秆等杂质。通过两级分离装置, 降低了辣椒含杂率, 提高了整机的机械性能。除杂后的辣椒果实通过漏斗式落口落到输送带送至收集箱。
2.3 机架设计
本采摘机机架主要由可调节的牵引装置、主机架和悬挂架等组成。为适应小地块作业调头、行走保护整机不拖及收获行走作业高度适时调整的要求, 将牵引装置设计为可适时调节的升降装置。
3 结语
本牵引式辣椒采摘机可一次性完成采摘、输送、清选和集箱等作业, 采净率达96%, 破损率为4%。通过试验, 该机主要存在以下问题。一是清选效果不太理想。本机中提供的清选装置在辣椒清选过程中, 出现排出机外的茎秆中混有辣椒果实的现象。二是机组的总长较大。由于是拖拉机牵引, 其在田间作业的转弯半径大, 出现转弯不灵活的现象。三是在采摘作业前, 需对作业地块进行采前割茬, 为机组留出足够的区域作业, 以免压坏作物, 因此降低了辣椒机械化采收的效率。
摘要：从牵引式小型辣椒采摘机的研究设计背景出发、阐述样机的滚筒弹齿式采摘装置、气流振筛组合式清选装置、传动系统、平带输送装置、可调节牵引装置和收集装置等关键结构的研制技术要点及需要解决的问题。
关键词：辣椒采摘,弹齿式滚筒,气流-振筛式清选装置
参考文献
[1]刘晓飞, 陈永成, 秦新燕, 等.4LS-1.6型线辣椒收获机的研制[J].农机化研究, 2012 (1) :135-138.
[2]秦新燕, 陈永成, 张福庆, 等.A4LZ-3.0型自走式辣椒收获机的设计研究[J].农机化研究, 2012 (8) :53-56.
便捷式核桃采摘机的试验研究 篇4
关键词：采摘机,振动试验,核桃
0引言
我国是核桃生产大国, 也曾是核桃出口大国。目前, 国内核桃采摘基本采用人工采摘方法, 用竹竿或长木杆敲击核桃所在的枝条或直接将其击落, 采收以及采收后处理技术手段落后。随着核桃产量的迅速增加和农村劳动力的减少, 核桃产业对机械化的需求将越来越迫切。因此, 研制适应核桃产业大发展的相关机械是当务之急, 必须加快核桃采收处理机械的研制与推广, 以满足核桃大面积盛产时对采收处理机械的大量需求, 保证核桃产业又好又快发展。
1结构设计与工作原理
1. 1结构设计
针对本地密植核桃林模式下采收作业空间小、机械化作业条件差的问题, 设计了便携式振动采摘机, 采用树干振摇的方式。根据采摘环境设计了整机和振动夹持部的便携式振动核桃采摘机, 如图1所示。 采用汽油机相比拖拉机、履带车移动更加方便, 适合密植核桃林的移动。汽油机的动力通过联轴器传至软轴, 软轴又通过联轴器传至激振器的输入轴。其中, 激振器的下壳体和夹持装置固定在一起, 使激振器的振动施加在树干上。工作时, 将支架圆弧部分靠着树干, 用链条绕着树干挂在支架的挂钩上, 通过手柄带动链轮的转动来拉紧链条, 从而实现对树干的夹紧。支架和激振器是固定在一起的。工作时, 汽油机将动力由软轴传至激振器, 激振器产生振动作用于核桃树树干; 果枝在强迫振动下以一定的频率与振幅振动着, 核桃在果枝的振动下获得加速度, 加速运动的核桃产生惯性力, 当惯性力大于果枝与核桃的结合力时, 核桃与果梗分离, 从而实现振动式采摘。采摘中可通过调节汽油机的油门来控制激振器中偏心轴的转速, 从而控制激振器的频率。
1. 汽油机 2. 联轴器 3. 软轴 4. 连接筒 5. 激振器 6. 支架 7. 链轮 8. 手柄 9. 销轴 10. 链条
主要技术指标: 生产率≥25棵/h, 采净率≥90% , 整机质量10. 5kg, 汽油机功率1. 8k W, 激振频率调节范围0 ~ 50 Hz, 最大激振力为13 k N, 即可用于人工背负作业。
1. 2工作原理与过程
采摘设备为手持式振动落果机, 由小型汽油发动机和伸缩杆两部分组成, 采用曲柄连杆机构产生振摇, 伸缩杆中有软轴用来传递动力; 采用汽油机为动力, 人工背负操作, 实现振动采摘, 降低劳动强度, 减少采摘作业量。作业时, 用伸缩杆顶端的链式卡条卡住枝干, 启动汽油机使伸缩杆做低频振动, 带动树枝摇晃, 使成熟的核桃掉落下来; 再配套收集装置, 振落的核桃就落入收集器中。
本试验是采用如图2所示的曲柄连杆机构实施的。当偏心轮转动时, 通过连杆机构使工作台做交变正弦运动来进行工作。振幅大小通过改变偏心距来调节, 频率通过改变电动机转速来调节。这样可以产生较大的振幅和较低的频率, 而且振幅与频率的变化无关, 但是波形失真度较大。
1. 曲柄 2. 连杆 3. 夹持结构 4. 树干
2核桃采摘试验
2. 1试验材料与方法
由于果树大小以及果实采收季节对采收效果影响较大, 试验选取核桃树进行试验。核桃树的主要树形特征参数如表1所示。
2. 2振幅测量系统
振幅测量系统由8通道DH5920动态测试分析系统、DH107压电加速度传感器、DHDAS动态信号控制与分析软件组成。采用压电式力传感器进行测量, 通过电荷调理器把电荷量转换为电压信号; 通过动态信号测试分析系统 ( DH - 5922) 把测量信号转换为数字信号; 最后通过DHDAS信号测试分析系统软件 ( 江苏东华测试技术有限公司) 进行分析, 如图3所示。
本试验使用DH5920的6个通道, 在主干布置3个DH107压电加速度传感器测量核桃树在激振过程中的水平方向的振动情况, 分别为1, 2, 3号传感器; 支干上布置3个DH107压电加速度传感器测量垂直方向的振动情况, 分别为4, 5, 6, 号传感器, 如图4所示。
3试验结果分析
3. 1激振频率对树干的影响
结果表明: 树体在37Hz为振动的峰值, 可能存在固有频率, 激振频率对树干全振幅具有显著性影响。 通过一定形式的振动机构, 将机械振动传递给核桃树, 树木接受了外加的强迫振动力后, 以一定的频率和振幅振动, 从而使树枝上的核桃以某种形式的振动而加速运动, 并受到惯性力的作用。当惯性力大于核桃树与树枝的结合力时, 核桃在连接最弱处与植株断裂, 完成分离过程, 使果实振落, 如图5、图6所示。
( 其中上为支干、中为主干、下为侧枝)
由此得出结论: 树体的1阶固有频率为37Hz, 2阶固有频率为111Hz, 3阶固有频率为149Hz, 4阶固有频率为185Hz。
mm
由表2可以得出结论: 随着高度的升高, 振幅也随着增大。
核桃采收率的大小与振动频率、作用时间、振动幅度有关, 而影响惯性力的因素主要有振动频率、振幅、振动位置。振动频率越大, 惯性力就越大, 摘果率高; 振幅过大, 树干、树枝的变形大, 容易损伤果树; 但振幅过小, 摘果率降低; 振动位置夹持部位过低, 树干过硬, 易伤果树; 夹持部位过高, 树枝细软吸振能力强, 影响收获效果。
3. 2果树损伤结果分析
试验测量出果枝频率与振动激振力之间关系, 结果表明: 在1阶固有频率和2阶固有频率之间近共振区域, 振动点受力较小, 激振力数值变化比较平坦。 在共振时, 节点出现枝条端部细软处, 处于枝长1 /4位置, 果枝弯曲较大, 个别果枝长在时间振动时出现端部小枝断裂现象, 因此振动收获时要避免长时间共振, 应选取近共振频率作为振动收获频率。在相同采收率下, 频率越大, 振幅越小。若减小果枝损伤, 应选用较小的振幅, 减小各枝条间干涉、刮落树叶。
4结论
1) 针对我国果园作业空间小的现状, 设计了一种便捷式核桃采摘机, 主要由汽油机、夹持机构、伸缩悬臂杆组成。采摘机满足密植核桃树采收作业要求。
2) 试验表明: 振幅过大会对果树树干造成损伤, 应研究夹持、振动等因素与核桃树损伤程度的关系, 以及这些因素对来年的生长和产量的影响。同时, 测定没有明显树体损伤情况下的最大振动参数, 作为设计参考的极限值。
参考文献
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椰果采摘机的现状分析及发展建议 篇5
椰子为棕榈科单子叶多年生常绿乔木,是一种典型的热带木本油科作物,目前共有约30多个品种,世界上的椰子主产国主要有菲律宾、印尼、印度、马来西亚等。在中国,海南岛是椰子的重要产地,并且椰子是海南的重要产业之一。由于椰子树是一种常绿乔木,树干挺直,高达15～30m,所以每当椰果的收获季节,椰农都会为椰果的采摘而头疼。在过去,椰农主要是靠用长竹竿钩果、人工爬树采果、训练猴子爬树采果或者等到椰果成熟后自然脱落。这些采摘方式机械化程度较低,浪费大量的人力、物力,所以对椰果采摘机的研究显得尤为重要。为此,根据椰果采摘的技术要求,设计一种椰果采摘机液压系统。该系统能克服采摘劳动强度大、效率低的缺陷;可以对果实采摘机械手进行创新设计,该机械手能实现结构轻巧,操作灵便,采用齿形剪,定位精度高;也可以对果实采摘机的快速柔顺夹持测试系统进行设计,可大大推进采摘机的自动化进程,并且系统稳定可靠,适用于采摘机的实验研究。目前,椰果采摘机的研究,仍然存在着很多亟待解决的问题,本文提出了一些实际性的发展建议,会对未来椰果采摘机的研究起到一定的推动作用。
1 椰果采摘机的研究现状
1.1 研究人员稳中有升
由于椰子不但为人们提供稳定的经济来源而且提供食品和营养保证,所以在过去的30年中,印度、印度尼西亚和菲律宾的椰子种植面积明显增加,萨摩亚的种植面积也成倍的扩大,而椰果的采摘问题恰好是制约椰子产业发展的重要因素之一。因此,椰果采摘机的研究大大吸引了科研人员的注意力,中国热带农业科学院也成立了专项的椰子研究所。
1.2 研究的原理基础逐渐走向多样化
随着现代技术的发展,在椰果采摘机的原理层面也逐渐走上多样和高科技化。在传动方面,大多采用效率较高、灵活多变的液压传动;在对果实的识别定位方面,正在逐渐地使用红外线遥感技术和光谱感应技术完成定位;在剪切方面,一改传统的镰刀剪法,而是采用多齿形自动剪切。同时,因为采摘果实的末端执行器的基本结构取决于工作对象的特征以及工作方式,所以在设计采摘执行器之前,要综合考虑采摘对象的生物特征、机械特性和理化特性,到目前为止,末端执行器都是专用的。为了避免碰伤果实,大多数的采摘末端的部位采用尼龙或橡胶材料。如果是工作在固定的工作路径上,则采用单片机编程来控制,效率较高。
1.3 科研技术、科研队伍力量薄弱
我国对椰子的专业研究起步较晚,椰子研究所自1980年成立至今虽已有30年。但受地理位置、交通、通讯等条件的限制,椰子的专业研究人员较少,与国外相关研究机构交流合作更少,椰子领域的研究技术不够成熟,而且研究经费不足等因素很大程度上制约着椰子产业的发展。尤其是近些年,在农业逐渐走向自动化的时代,我国在椰果采摘机的研究上更是欠缺很多。
1.4 机械式采摘向机器人采摘发展
20世纪70年代初,我国开始进行果园采摘机的研究,刚开始我国的研究成果大部分是一些简单的采摘机械,如手持电动采摘机和电机式采摘机等等,而对椰果采摘机的研究大多还是采用机械式的采摘。在20世纪70年代末,随着计算机技术和自动化控制技术的迅速发展,美国开始研究各种农业机器人。由于不断的学习和交流,我国在2007年新疆机械研究所研制了我国第一台多功能果园作业机,即LG-1型多功能果园作业机。这台机器的研制成功标志着我国在果实的采摘方面从机械化向机器人方向发展迈开了重要的一步。
2 存在的问题
2.1 采摘机的整体工作效率较低
目前,已经研制成功的椰果采摘机,大部分只能定点对某棵椰树进行采摘,而不能自动地转移到另外一棵进行采摘。即使在人工的帮助下转移的过程当中,将会大大降低时间的利用率,从而降低了采摘机纯工作的时间,并且采用的履带式或者滚轮式的行走机构磨损也会非常大,所以在采摘机的工作当中,需要大量的人工帮助才能顺利完成。虽然局部技术有较高的效率,但是从总体工作来看,效率仍然很低。
2.2 采摘机的自动化程度较低
对于现在的椰果采摘机,其实还不能称为真正意义上的全自动,因为在采摘机对椰果的定位方面还必须在人的帮助才能完成,也就是不能够自动定位识别。其实,机器视觉技术最早起源于1968年,美国学者Scherts和Brown提出用光信号对果实检测[8],即用果实和叶子在电磁光谱的可见光和红外区域反射率不同检测水果的思想。而至今,椰果采摘机的研究方面对这项技术的应用程度较低。
2.3 成果的可行性较低
椰子生长适宜的土壤是海淀冲积土和河岸冲积土,其次是砂壤土,再次是砾土,而在这样的工作环境下,椰果采摘机的固定和移动,以及工作的稳定性都会面临很大的挑战;其次是由于椰树的高度一般在15～30m范围内,所以椰果采摘机的高度也会很高,而对于现在的研究状况,大多是只考虑了椰果采摘机的传动、剪切、和定位问题,而对于高度延伸方面的综合考虑还很欠缺;另外,对现在的椰果采摘机的视觉系统技术还不够可靠,精确度还不够高,对果实的成熟与否还分辨不清,并且对果实的损伤率较高,所以工作的可行性的确很低。
2.4 椰果采摘机的科研体系不健全
农业科技创新和推广体系改革与发展的经验表明,消除不利于农业技术创新和推广的制度障碍是一项涉及到基本理念、法律制度、组织机构体系以及具体政策等一系列方面的综合性改革。而目前对于椰果采摘机的研究仅仅是因为某些人的爱好而进行的,所以就直接导致在科技的创新能力、储备能力和转化能力方面均明显落伍于其他农业科技的发展。而对于椰果采摘机的研究,健全的科研体系将会促进形成全国各地关注创新方法、践行创新方法的社会氛围,为研究的进程带来根本性的促进作用。
3 建议
3.1 建立专项研究中心
虽然现在对于椰果采摘机的研究有所加强,但是仍局限在一些地方的研究所还有一些大学的实验室,而真正意义上的属于椰果采摘机的专项的研究中心还没有诞生。要想在椰果采摘机的发明上取得真正的实用性突破,最好是能够建立专项的椰果采摘机研究中心,并且吸引一些专项的科研人员。本文设计了椰果采摘机的工作流程图,如图1所示。
3.2 加强示范基地建设和管理
海南是适合椰子生长的重要基地,坚持在不污染环境、不破坏资源、不搞重复建设的原则下集约发展新型工业,充分利用现有产业基础,支持海南新型工业化产业示范基地建设。同时,对于椰果采摘机的研究要基于对椰子的形状特征和生理习性的熟悉之上,为了让椰果采摘机的研究更有实用性,椰果采摘机的研究示范基地建设和合理的管理刻不容缓。
3.3 科学规划,统筹发展
尽管现在对椰果采摘机的研究技术还不够成熟,但是绝对不能急于求成,一定要科学规划,合理布局,考虑到综合经济效益。1992年2月,海南省第二届人民代表大会从实施可持续发展战略、发挥海南环境优势、打造海南特色和加快和实现全省经济社会协调发展的大局出发,做出了建设生态省的决定。而建设大型椰子种植基地响应了海南建设生态省的目标,所以机械化椰果采收模式的使用必然会有力地推动“百万亩椰林工程”的建设,促进椰子产业化的发展。同时,应注重基础性的人才培养,在年轻人群当中,树立有关椰果采摘机的研究意识,为培养优秀专项人才储备奠定基础。
3.4 加大政策和资金扶持力度
在中国,椰子的种植面积相对于其他作物还是较少的,更多的人考虑到研究成果的市场问题之后都选择了放弃。所以,对于这种地域性较强的科研项目,国家要加大政策和资金扶持力度,发挥政府在组织创新方面的鼓励、支持、引导和协调的重要作用,为合作组织带动型的发展创造良好的外部环境,这也能为中国海南建设国际旅游岛提供动力 。
3.5 加强地区以及国际间的技术合作
发展以热带农业为重点的国际合作是中国不可多得的外交资源。在农业技术交流与合作体制上,美国做的尤为突出并且由来已久,1862年,美国农业部就开始了国际农工业技术合作,并且专门设立了国际合作与发展项目;另外,亚非拉及南太平洋岛国主要是农业国,多属热带地区,中国是国际上为数不多的具有热带作物研究优势以及亚非拉农业生产条件相适应的农业生产技术援助能力的国家,通过联合国推动以支持亚非拉热带农作物发展为重点的合作具有战略意义[18]。在现代化技术的应用方面,我国正处在由传统农业向现代化农业转型阶段,我国可以向英国、丹麦等国家借鉴、学习,因为它们是现代农业的代表,更重要的是要学习它们的核心技术和创新思路。
3.6 综合考虑各种能源基础,开展绿色研究
在以往的椰果采摘机的能源供应方面,大多采用原始的传统能源,并且会带来很大程度上的环境污染。因此,以风能、核能、太阳能为主的清洁能源被认为是替代传统能源,解决能源危机的必然选择。尤其是2008年金融危机之后,世界范围内掀起了一场绿色能源的浪潮。我国“十二五”规划中也特别提出“加强现代能源产业,推动能源生产和利用方式变革”。
4 结束语
刮板毛刷式采棉机采摘部件的研究 篇6
棉花是新疆富有特色的支柱产业,连续多年其种植水平和规模均居全国领先水平,但“拾花难”一直成为新疆棉花产业发展的重要因素之一[1]。机械采棉是解决上述问题的重要途径,因此对采棉机的核心部件—采摘部件的研究至关重要,其性能的优劣直接影响到采棉机的综合作业指标,其结构设计和用材则直接影响采棉机制造工艺的难易,从而影响造价、能耗、使用成本、机器寿命和农艺[6]。
1 刮板毛刷式采棉机采摘部件的基本结构
1.1 采摘部件的基本构成
刮板毛刷式采棉机采摘部件由采棉滚筒、绞龙、仿形机构、扶导器、保护罩、传动装置等组成。采棉滚筒和绞龙与水平成一定角度安装,采棉滚筒上带有毛刷和刮板,两组滚筒并排排开。保护罩上带有弹性毛刷,弹性毛刷可以保持原状而具有一定的弹力。其基本结构如图1和图2所示。
1.2 结构参数和工作参数
刮板毛刷式采棉机采摘部件的结构参数包括采棉滚筒的结构尺寸、扶导器的结构尺寸、保护罩的结构尺寸、绞龙的尺寸以及装配位置参数。
刮板毛刷式采棉机采摘部件的工作参数包括采棉滚筒的转速ω、绞龙的转速ω绞、采棉机作业速度v。在采棉机系统中采棉滚筒末端的线速度与机器的前进速度之比λ[2,3]为
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在采棉机采摘部件结构一定的情况下,采棉机速比系数λ决定了采棉滚筒上点的运动轨迹形状。而采棉滚筒点的运动轨迹对采棉性能、采棉功率消耗有较大的影响。
1.仿形器 2.扶导器 3.保护罩 4.采棉滚筒 5.传动装置 6.绞龙
1.刷板 2.毛刷 3.轴 4.压条
2 刮板毛刷式采棉机采摘部件的工作原理
采摘部件在随着机器前进的过程中,棉株被扶导器推向内侧,接触防护罩时相对向后滑移,防护罩两侧固定的弹性钢丝束对植株上的籽棉梳刷,使籽棉棉瓣拉长以有助于毛刷和刮板的梳刷作用。左右两侧采棉滚筒绕自身中轴自转,转动方向相反,当棉株通过扶导器的挤压进入到采棉区,刮板和毛刷挤压棉株,并对采棉区内的籽棉进行挤压梳刷,利用刮板、毛刷自转产生的离心力以及摩擦力,使吐絮棉铃的籽棉从棉铃壳中脱离,并依靠毛刷的粘附力,将脱下的籽棉甩脱送入绞龙中,通过输送系统将籽棉送入采棉机清杂装置。
3 采棉滚筒运动轨迹分析
采棉滚筒工作时,一方面做旋转运动,另一方面随采棉机前进,因此采棉滚筒的绝对运动是采棉滚筒旋转和采棉机前进两种运动的合成,其运动轨迹是类长余弦曲线。取与地面平行且滚筒轴最低点所在平面为x,y坐标平面,取滚筒的前进方向为x轴的正方向,高度方向为z轴,向上为正方向,滚筒轴最低点为坐标原点。当滚筒自转时任意点A的运动轨迹为
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式中 ω—采棉滚筒的角速度;
α—滚筒与水平面的倾斜角度;
r—采棉滚筒的半径;
h—经过点A与滚筒中轴垂直的平面与中轴的交点到x,y坐标平面的距离。
当滚筒随采棉机沿x轴以速度v前进时:滚筒y轴和z轴方向的轨迹不变,只有x轴的轨迹随时间的增加而改变。其轨迹方程表达式为
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式(3)表示了滚筒末端的绝对运动,滚筒的轨迹只与滚筒转动的角速度ω、滚筒与水平面的倾斜角度α以及滚筒的前进速度v有关,其运动轨迹随着r,ω,v和α的不同而具有不同的形状和特性。
由式(1)得
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由式(3) 和式(4)可得
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由式(5)可知:采棉滚筒运动轨迹的形状,决定于滚筒的圆周速度ωr与机器前进速度V的比值λ。
4 采棉滚筒的运动轨迹仿真
虚拟设计与运动仿真是当前机械工程研究领域中的重要手段,在农业机械设计中早以应用[4]。本文采用Pro/ENGINEER软件,为方便研究,构建了刮板毛刷式采棉机采棉滚筒的抽象模型如图3 所示,实现了在Pro/ENGINEER机构分析模块环境下的采棉滚筒的运动轨迹分析。
根据采棉机作业的情况:前进方向为x轴,横向为y轴,铅垂向上为z轴,参数设置如表1所示建立采棉滚筒的边缘任意一点的仿真如图 4 所示,仿真结果如图 5 所示。
要使滚筒完成对茎秆的引导、扶持和梳刷作用,就必须使滚筒刮板、毛刷具有向上的水平分速度。轨迹曲线上各点切线的方向,就是滚筒在各种位置时的绝对速度方向。仿真运动轨迹结果如图5所示。由图 5(a)可知:滚筒的刮板、毛刷在一个周期内对棉株的梳刷做用有效时间为0.0005s。
5 结论
刮板毛刷式采摘部件的采棉原理与摘锭采棉原理完全不同,摆脱了摘锭用齿抓棉又缠棉然后再脱棉的框框。因此,不受籽棉潮湿和因摘锭受污染,直径又小,缠籽棉后又脱不掉的影响。而且棉瓣不被扯散成单粒籽棉,保持天然整棉瓣状态,可减少杂质与棉花的混合程度,从而便于籽棉清理。由于棉瓣是被相邻上下刷板、毛刷挟持拉下的方式采摘的,当刷板、毛刷转到出口处时,棉瓣被自然甩脱抛入绞龙,所以不需用专门脱棉机构脱棉。在结构上大为简单、小巧,使用一般钢材,制造工艺也不复杂,质量轻、尺寸小,用金属材料少,消耗功率也不大。这对使用者减少购买投资、折旧费和运行作业费是有益的。因此,从技术经济指标角度衡量,这种采摘部件是值得进一步探讨开发的[5,6,7]。
参考文献
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棉花采摘机 篇7
芒果为漆树科芒果属热带常绿大乔木,叶聚生枝顶,革质,长圆形、长披针形,圆锥花序生枝顶,花小,淡黄色,花后结核果,果大,歪卵形,树的高度一般9～27m。原产印度及马来西亚,印度栽培历史最久,产量最多,占世界产量的80%。我国芒果的经济栽培地区有广东、广西、海南、四川、福建、云南和台湾等省区。全国芒果种植面积为11.51万hm2,海南种植面积最大,有4.69万hm2,占全国种植面积的40.78%。海南是全国最适宜芒果种植的地区之一,按理说产量及品质都应该是最高的,但是芒果产量单产最高的是广东,为16.09t/hm2,海南芒果单产仅排在第4位,8.39t/hm2。海南近3年的统计芒果的使用价值与商业价值都很高,往往把它加工成糖水罐头、蜜饯、果酒、果干、果酱和果冻等。芒果蜜饯中的话芒果、蜜芒果和甘草芒果,早已名声在外。只要选择市场需求的优良品种种植,加强采后的保鲜和商品化处理,同时发展加工业,芒果市场前景必将看好。现今, 海南的芒果种植业得到了较快发展, 芒果的产量也有了显著提高。 但每到收获季节,由于芒果树的高度一般在10m左右,有的甚至更高,芒果采收就成了广大种植专业户的问题。目前,海南芒果的采收方法还是采用传统的人工采摘方式,存在效率低、劳动强度大、安全性差的缺点, 极大地制约了芒果产业化、商品化的发展。为此,设计一套基于PLC控制的芒果采摘机。
1 采摘机的设计要求及方案
1.1 果实的特性与采摘要求
一般芒果成熟时,果实体型较大,且成歪卵形。根据其果实形状,把抓取芒果的机械手设计成三爪的卡盘。爪的形状以芒果的外形歪卵形曲线为基础,用于夹紧果实,以备之后的电动刀具切割果树的枝干。由于芒果成熟后果实比较柔软,所以夹紧力不易过大以防破坏果实。果实之间的间隔较大,不必考虑采摘时果实与机械手之间的碰撞问题。
1.2 采摘方案对比
旋转摘取法:在机械手夹紧芒果后,机械手旋转是芒果的枝干被扭断而断开。采用此种方法方便、简洁,但是由于芒果成熟时果实较软枝干的柔韧性好,在旋转时会发生在枝干还没有断裂时枝干与果实连接的地方枝干连和果皮一起被旋下的问题,破坏了果实的完整性。由于果实的完整性对果实的运输与存放有很大影响,所以应尽可能地保证果实的完整性。
直接拉下果实法:在夹紧后,机械手直接下拉,使果实与枝干连接点分离。此种方法高效、快捷、方便,但是极易破坏果实与枝干连接处的果皮,对储存和运输不利。
刀具切割法:在加紧果实之后,利用电机带动刀具切割果实之上的一定长度的枝干使果实分离。由于是刀具直接切割枝干,对果实几乎没有什么影响,可以很大程度上保证果实被采摘之后的完整性。但是由于需要动用刀具切割,使机械的结构变得有些复杂,采摘周期变长。
综上所述3种方法,由于果实的完整性对果实之后的价值影响极大,所以选择对果实完整影响最小的刀具切割法。
2 机械手的设计原理及结构
采摘机的总结构示意图如图1所示。机器由柴油发电机提供总的动力源,各连杆为机械手提供必要的高度和方向。
机械手的结构简图如图2所示。
1.托盘 2.机械手 3.切刀 4.电机 5.刀架 6.支架
机械手的一系列动作由PLC进行控制。机械手的曲线形状根据芒果的歪卵形结构设计而成,每个爪之间相隔,3个爪分别由3个电机同时带动,用以夹紧果实。在爪的内壁上装有压力传感器,当夹紧果实到的力达到设定值时,传感器会给PLC信号,使其停止继续夹紧工作。同时,PLC控制刀具部分开始工作。刀具部分由图中的(4),(5),(6)等3部分以及图中未标出的两个行为开关组成。(4)和(5)两个电机是同时工作的,(6)是一个电机带动刀架绕着卡盘进行转动。在初始位置时,行位开关Ⅰ处于闭合状态,开始运动后行位开关Ⅰ断开。电机(4)带动刀具转动,在刀架带动刀具转动到正上方时切割芒果树的枝干,使果实与之分离。当刀架运动到行位开关Ⅱ时,开关Ⅱ闭合,电机停止运动。同时,机械手收回,机械手的拉力传感器感应到拉力时,证明树枝并未被切断,再次启动电机(4)和(6)进行第2次切割。当循环两次后,如果拉力仍存在,则放弃本次的抓取,且机械手收回。根据该工作顺序,PLC的程序设计流程图如图3所示。
3 PLC的程序设计及I/O接线
可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller),是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计。它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
根据上述的控制过程,现选用三菱公司生产的FX2N-32M型PLC,其I/O接线图如图4所示。
以STL(步进梯形指令)编写芒果采摘机的控制程序。其顺序功能图如图4所示。其中个转换条件和输出分别表示:
X0:机械手已到达果实位置,机械手开始工作;
X1:行位开关,表示机械手以张开一定的角度;
X2:压力传感器,表示机械手已经抓紧芒果;
X3:行位开关,用来控制图2中电机(6)的正传;
X4:行位开关,用来控制图2中电机(6)的反转;
X5:拉力传感器,用来检测机械手收回是是否存在阻力;
X6:人工按钮,在取出果实后其实再次进入下一个循环;
X7:行位开关,表示机械手以闭合至极限位置;
Y0:机械手张开;
Y1:机械手闭合;
Y2:启动刀具;
Y3:刀架正转;
Y4:刀架反转;
Y5:机械手收回。
4 结论
基于PLC的芒果采摘机简单实用,并且克服了果树高、果农不容易采摘的问题,大大提高了采摘的效率,缩短了采摘周期。采用刀具进行直接切割采摘,最大限度地保证了芒果的完整性,减小了果农的损失,其自动化的摘取动作使操作更加简便。海南地处热带, 相对于全国而言有着得天独厚的热带农业资源和条件。随着海南发展“国际旅游岛”上升为国家的重大战略部署,海南的热带农业尤其是热带水果等经济型作物急需要有一个高效、高质的发展。自动机械采摘机的高效性能够促进以芒果为产业的产业化、商品化的发展,为海南省提供充足的有关工业原料。笔者设计的自动采摘机不仅简单实用,而且使果农能够获得较高的经济效益。
摘要：针对芒果树较高、果农采摘困难、劳动量大等问题,设计基于PLC的芒果采摘机的控制系统。该采摘机能够快速、高效地采摘芒果,并能很好地保证采摘之后芒果的完整性,实现了从定位、采摘、送回一系列动作的自动化控制。采摘机械化的实现能很好地促进以芒果为基础的相关食品加工业以及香料提取等产业的发展。
关键词：芒果采摘机,PLC,自动化控制,STL
参考文献
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