摘要：為提高香蕉采摘效率、減輕勞動(dòng)量、降低采摘成本、減少人員傷殘事故發(fā)生等，研究一種導(dǎo)軌移動(dòng)式香蕉采摘機(jī)，并對(duì)其關(guān)鍵部件移動(dòng)裝置、夾緊裝置和切割裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足香蕉采摘工序要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)香蕉果串進(jìn)行機(jī)械化采摘，與傳統(tǒng)的人工采摘方法相比導(dǎo)軌移動(dòng)式香蕉采摘機(jī)的采摘效率可提高90%。

　　關(guān)鍵詞：香蕉;采摘機(jī);導(dǎo)軌;移動(dòng)式

　　香蕉是熱帶及亞熱帶地區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)作物，特別是在中國的海南地區(qū)是極其重要的經(jīng)濟(jì)作物。海南具備發(fā)展香蕉產(chǎn)業(yè)的優(yōu)越生態(tài)條件，海南香蕉的種植面積逐年增加，是中國重要的香蕉生產(chǎn)基地，也是發(fā)展高產(chǎn)、高品質(zhì)香蕉最理想的生產(chǎn)基地[1_3]。香蕉屬草本植物，香蕉果串達(dá)到商品期時(shí)，果實(shí)整體為近似圓柱型，重量約為25h，直徑約為80CITt，高150cm的大重量、大體積圓柱狀果串。目前國內(nèi)外香蕉的采摘工作主要由人工完成，采摘效率低、勞動(dòng)量大、采摘成本高，約占生產(chǎn)成本的1/3，且人員傷殘事故常發(fā)生。當(dāng)前，國內(nèi)外香蕉采摘技術(shù)主要有以下2種方式：第一種，采摘香蕉時(shí)，利用輔助裝置對(duì)香蕉果串支撐保護(hù)¨]。

　　這種相對(duì)人工采摘可減少機(jī)械損傷，但勞動(dòng)強(qiáng)度還是很大;第種，利用牽引裝置配置機(jī)械手等部件來實(shí)現(xiàn)香蕉的機(jī)械化采摘口一。這種采收方式的前期投入非常大，維護(hù)成本高，對(duì)設(shè)備操作人員的技術(shù)水平要求也很高。目前在中國，特別是在海南還是以人工采摘為主，但香蕉采摘作業(yè)是季節(jié)性較強(qiáng)和勞動(dòng)密集型的工作，采摘作業(yè)勞動(dòng)量大，人工采摘效率低、用工量大，經(jīng)常發(fā)生在用工高峰期找不到工人的現(xiàn)象[6“]。

　　因此，香蕉產(chǎn)業(yè)迫切地要提高香蕉采摘的機(jī)械化及自動(dòng)化程度，降低香蕉果的損傷率，節(jié)省人工成本，提高蕉農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，讓工人從單調(diào)、繁重、危險(xiǎn)的采摘作業(yè)上解放出來。本設(shè)計(jì)將導(dǎo)軌移動(dòng)式香蕉采摘機(jī)固接在牽引裝置上，通過導(dǎo)軌的移動(dòng)使得采摘裝置達(dá)到指定的位置。擬通過液壓缸和導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用提高采摘精度和生產(chǎn)效率，降低蕉果的損失，減少人員傷殘事故的發(fā)生，使香蕉采摘工序做到精確、簡便、高效、安全。

　　1整機(jī)結(jié)構(gòu)和t作原理

　　1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

　　海南大部分香蕉種植地為坡地，導(dǎo)軌移動(dòng)式香蕉采摘機(jī)固接在牽引裝置上較為適合海南的蕉園地理環(huán)境，也便于牽引裝置一機(jī)多用，同時(shí)也有利于采摘的下一道工序——香蕉果串的運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化[9]。導(dǎo)軌移動(dòng)式香蕉采摘機(jī)整機(jī)主要由底座、移動(dòng)裝置、夾緊裝置、切割裝置等組成。

　　該機(jī)器在機(jī)械載體的牽引下到達(dá)指定的位置，機(jī)器通過升降、夾緊、切割3道工序?qū)崿F(xiàn)香蕉采摘。移動(dòng)裝置由液壓缸、導(dǎo)軌組成;夾緊裝置由液壓缸、滑塊、夾爪組成;切割裝置由皮帶連接伺服電機(jī)、刀具組成;底座固接在牽引裝置上，夾緊裝置、切割裝置都安裝在連接板上側(cè)的導(dǎo)軌上，夾緊裝置、切割裝置通過移動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)上下和右左的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾緊、切割，完成采摘。

　　1.2工作原理與技術(shù)參數(shù)

　　工作時(shí)，在底座液壓缸的作用下帶動(dòng)升降板實(shí)現(xiàn)向上移動(dòng)達(dá)到所需的高度，在控制前后移動(dòng)的液壓缸作用下，將刀具裝置和夾具裝置體帶動(dòng)著一起向前或后移動(dòng)，通過液壓缸的微調(diào)作用將夾爪對(duì)準(zhǔn)香蕉串軸徑，將香蕉軸徑引進(jìn)夾爪內(nèi)側(cè)，夾爪在液壓缸和滑塊作用下夾緊香蕉軸莖。同時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)，在控制前后的液壓缸作用下向前移動(dòng)，刀片對(duì)準(zhǔn)香蕉軸頸進(jìn)行切割，將香蕉果串與香蕉樹分離。在底座液壓缸的作用下帶動(dòng)升降板向下移動(dòng)到指定的高度，在液壓缸和滑塊作用下松開夾爪，實(shí)現(xiàn)香蕉的采摘。

　　2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

　　2.1移動(dòng)裝置

　　2.1.1整體結(jié)構(gòu)移動(dòng)裝置由液壓缸、導(dǎo)軌構(gòu)成。連接板內(nèi)側(cè)安裝的滑塊安裝在底座升降板上。

　　2.1.2移動(dòng)過程夾緊裝置和切割裝置都安裝在連接板導(dǎo)軌上，在底座液壓缸、升降導(dǎo)向板作用下實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。通過連接板上的液壓缸伸出桿的推力和導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)。為了降低零件的加工難度，采用導(dǎo)軌連接和板連接塊，在零件的右側(cè)利用螺釘將導(dǎo)軌連接板和連接塊連接。

　　2.1.3設(shè)計(jì)

　　底座液壓缸的行程為0.5m，若以安裝面為1m的機(jī)械載體安裝香蕉采摘機(jī)，該機(jī)構(gòu)的升降工作范圍為1.5～2.4m，香蕉需切果徑距地面約2m，該機(jī)構(gòu)的升降工作范圍符合香蕉果串采摘要求。香蕉采摘機(jī)的底座升降板是一個(gè)重要部件。

　　由于承受了整機(jī)的重量，且需要保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，所以升降導(dǎo)軌設(shè)計(jì)的強(qiáng)度、剛度要高于其他導(dǎo)軌的。升降板機(jī)構(gòu)下方連結(jié)使升降板實(shí)現(xiàn)上升和下降的液壓缸，利用液壓桿的伸縮使機(jī)構(gòu)進(jìn)行升降移動(dòng)，升降板的垂直面上安裝2個(gè)滑塊，兩滑塊的主要作用是與升降導(dǎo)向板連結(jié)，防止升降液壓桿在上升的過程中左右轉(zhuǎn)動(dòng)，這一設(shè)計(jì)提高了升降系統(tǒng)對(duì)外力的干擾作用，保證了導(dǎo)軌的上升、下降運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)和順暢。

　　夾緊裝置和切割裝置都安裝在連接板導(dǎo)軌上方，在前后、左右的液壓缸伸出桿的推力和導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用下實(shí)現(xiàn)前后、左右移動(dòng)。考慮降低零件的制作難度，在導(dǎo)軌連接板右側(cè)利用螺釘和連接塊進(jìn)行連接，避免升降板在上升過程中連接塊做不必要的轉(zhuǎn)動(dòng)，提高整機(jī)的剛性。

　　升降導(dǎo)向板通過導(dǎo)軌的導(dǎo)向，使得升降板在上升過程中避免不必要的轉(zhuǎn)動(dòng)，升降導(dǎo)向板上的導(dǎo)軌選用M8粗牙螺栓與垂直面連接，以防止導(dǎo)軌滑動(dòng)，底面使用M16粗牙螺栓與香蕉采摘機(jī)載體連接，提高系統(tǒng)剛性。導(dǎo)軌連接板是采摘機(jī)的樞紐，是連接底座、刀具體、夾具體的連接體。

　　夾具體和刀具體都安裝在導(dǎo)軌連接板上，在液壓缸伸出桿的推力和導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用下，夾具體、刀具體實(shí)現(xiàn)上下、左右移動(dòng)，夾具體對(duì)香蕉果軸夾緊，刀具體對(duì)香蕉果軸進(jìn)行切割，實(shí)現(xiàn)香蕉采摘。借鑒國內(nèi)升降類產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)參數(shù)[1“，升降平臺(tái)的升降時(shí)間設(shè)置為20s，最大上升時(shí)間為10s，其移動(dòng)速度為o.025～0.05m/s，設(shè)備運(yùn)行是平穩(wěn)的、安全的、高效的，相對(duì)傳統(tǒng)人工采摘，采摘效率可提高90%。

　　2.2夾緊裝置

　　2.2.1整體結(jié)構(gòu)

　　夾緊裝置由液壓缸、滑塊、夾爪組成。夾緊裝置固定在安裝板，夾爪上有2個(gè)安裝孔，用以安裝在標(biāo)準(zhǔn)件擺動(dòng)液壓缸上。考慮香蕉軸徑能順利滑入夾爪內(nèi)側(cè)，夾爪前部分向前張開呈8。這一設(shè)計(jì)解決了果串在空中搖擺，難于固定的問題，縮短對(duì)正時(shí)間，提高了固定準(zhǔn)確率，從而提高了生產(chǎn)率。

　　2.2.2夾緊過程

　　在控制前后移動(dòng)的液壓缸作用下，夾具體向前或后移動(dòng)，通過左右液壓缸的微調(diào)作用將夾爪對(duì)準(zhǔn)香蕉串軸徑，將香蕉軸徑引進(jìn)夾爪內(nèi)側(cè)，夾爪在液壓缸和滑塊作用下夾緊香蕉果軸。垂直面的螺栓孑L是和液壓缸伸出桿連接以推動(dòng)安裝在水平面上的夾具體，實(shí)現(xiàn)左右微調(diào)。這一設(shè)計(jì)解決了香蕉采摘過程中對(duì)香蕉果軸的固定，因香蕉果串不是工業(yè)產(chǎn)品，其形狀、重量、體積受自然因素的影響較大，同一批香蕉，會(huì)因陽光、風(fēng)向、位置等因素不同，最后產(chǎn)出的香蕉果串的形狀、體積、重量不一樣，香蕉果串的彎曲程度也不同。夾緊裝置保證了在香蕉采摘的整個(gè)過程中，蕉果不與裝備接觸，避免了蕉果受到機(jī)械損傷，有效地保證香蕉果的商品價(jià)值。同時(shí)采用此夾緊裝置可在完成采摘后，工人或裝置可順勢將香蕉串平放到指定的位置，有利于下一道工序(香蕉運(yùn)輸)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化及自動(dòng)化。

　　2.3切割裝置

　　2.3.1整體結(jié)構(gòu)切割裝置主要由伺服電動(dòng)機(jī)、皮帶輪、皮帶、刀片組成。伺服電動(dòng)機(jī)安裝在固定板上，固定板安裝在連接板上。本設(shè)計(jì)由皮帶連接伺服電機(jī)和刀具構(gòu)成的切割機(jī)構(gòu)，伺服電機(jī)為切割結(jié)構(gòu)提供平穩(wěn)可靠動(dòng)力;通過皮帶連接，使得伺服電機(jī)與刀片有一定的距離，有效地防止香蕉汁液對(duì)伺服電機(jī)腐蝕。因香蕉果串相對(duì)其他水果是大重量、大體積果串，其果軸由粗大纖維構(gòu)成，根據(jù)大量試驗(yàn)選用齒形為三角形、梯形的刀片，能保證對(duì)香蕉果軸切割穩(wěn)定有力，又可降低能耗，同時(shí)防止果軸在切割過程中出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，影響整串香蕉果商品價(jià)值。

　　2.3.2切割過程在夾緊裝置對(duì)香蕉果軸實(shí)現(xiàn)夾緊的同時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)，在液壓缸向前移動(dòng)的作用下，旋轉(zhuǎn)的刀片對(duì)香蕉軸頸進(jìn)行切割，將香蕉果串與香蕉樹分離。切割裝置是利用刀片旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切割香蕉桿莖使香蕉和果樹分離，而刀具旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力是通過固定在電機(jī)固定板上的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)和刀具通過皮帶連接，伺服電機(jī)通過螺栓和電機(jī)固定板連接，電機(jī)固定板固接在升降板上。皮帶輪與軸利用鍵連接來傳遞扭矩，同時(shí)為了避免在重力的作用下脫落使用緊固螺釘進(jìn)行安裝。刀片利用軸肩定位再用螺母和墊片對(duì)刀片進(jìn)行固定。

　　3結(jié)論

　　本研究在符合香蕉采摘農(nóng)藝要求及采摘工序的前提下，著重對(duì)各關(guān)鍵零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并使用CAD/CAM、Solid—works等軟件設(shè)計(jì)表達(dá)導(dǎo)軌移動(dòng)式香蕉采摘機(jī)零部件及整機(jī)裝備結(jié)構(gòu)。導(dǎo)軌移動(dòng)式香蕉采摘機(jī)滿足丘陵地區(qū)香蕉采摘，實(shí)現(xiàn)了香蕉采摘機(jī)械化，降低了人工成本(達(dá)30%～45%)，減輕了工人采摘的勞動(dòng)強(qiáng)度;提高了香蕉采摘精度，易于工人操作，與傳統(tǒng)人工采摘方法相比，采摘效率可提高90%。不過，導(dǎo)軌移動(dòng)式香蕉采摘機(jī)還未實(shí)現(xiàn)智能化，智能化是采用計(jì)算機(jī)智能視覺識(shí)別系統(tǒng)，準(zhǔn)確地確定香蕉軸徑的位置及識(shí)別香蕉的成熟成度，精確、快速地切割，實(shí)現(xiàn)精確的“標(biāo)靶”采摘，這是農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、自動(dòng)化的發(fā)展方向，也是未來采摘機(jī)械的努力方向。

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　　農(nóng)業(yè)論文投稿刊物：《廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)》是由廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)合辦的農(nóng)業(yè)綜合性科技期刊，一貫堅(jiān)持“立足本省，面向基層、普及與提高相結(jié)合、理論聯(lián)系實(shí)際”的辦刊方針，主要報(bào)道農(nóng)牧漁業(yè)科技新成果，研究報(bào)告、實(shí)用技術(shù)和科技著述等，被評(píng)為廣東省第一屆“十佳期刊”和等二、第三屆優(yōu)秀科技期刊一等獎(jiǎng)[1]，同時(shí)被入選中國期刊方陣。該刊讀者對(duì)象為農(nóng)牧業(yè)科技工作者，大專院校師生、各級(jí)農(nóng)業(yè)管理干部和農(nóng)業(yè)科技推廣人員等。