往复式桑叶采摘机设计及采摘效益分析

胡迎春 ，闫　鑫，庄锦芳，牟向伟，廖　伟

(1.广西师范大学 职业技术师范学院，广西 桂林 541004；2.广西科技大学 机械工程学院 ，广西 柳州　545006)



往复式桑叶采摘机设计及采摘效益分析

胡迎春1，闫鑫2，庄锦芳2，牟向伟1，廖伟2

(1.广西师范大学 职业技术师范学院，广西 桂林 541004；2.广西科技大学 机械工程学院 ，广西 柳州545006)

摘要：以实现机械采摘桑叶为目的，设计一款能自动实现桑叶采摘的往复式桑叶采摘机。桑叶采摘机包括往复式桑叶采摘装置、桑枝定位装置和行走装置。为了使桑叶采摘机能够准确地完成桑枝定位、顺利地进行桑叶采摘，桑枝定位装置对桑枝进行定位，行走装置带动桑叶采摘机运动至工作位置，之后由往复式桑叶采摘装置进行桑叶采摘。通过查阅文献和调查，确定桑树的生长情况，结合往复式桑叶采摘机的运动进行机械采摘桑叶的效益分析，得到机械采桑效率为422.4kg/h，采摘6.67hm2桑园所需费用为2 093元。

关键词：桑叶采摘机；效益分析；往复式

0引言

长期以来，种桑养蚕一直在我国占据着重要的经济地位。现阶段，我国的桑蚕生产模式已经开始转为集中化生产[1-2]。然而，桑叶采摘的机械化程度依然不高，桑农劳动强度很大[3-4]。近年来，我国陆续设计了几款桑叶采摘机[5-9]，提高了桑叶采摘效率；但这些采摘机普遍自动化程度不高，没有减轻桑农采摘桑叶的劳动强度。为此，笔者设计了一款利用机械运动完成桑叶采摘的机械产品[10-11]，主要由行走装置、定位装置和桑叶采摘装置等组成。

1往复式桑叶采摘装置设计

1.1结构设计

往复式桑叶采摘装置由基架、皮带传动机构、长圆柱销、上下运动块、左右运动块和刀具组成，如图1所示。皮带传动机构固定在机架上，长圆柱销和皮带固接，随着皮带的运动而运动。上下运动块与机架上设置的竖直导轨组成滑动副相对于基架上下运动，中间开有长度大于皮带轮直径的矩形缺口，长圆柱销从该缺口中穿过，使上下运动块随着长圆柱销的运动做上下运动。上下运动块表面设有横向导轨，左右运动块通过横向导轨和上下运动块套接，相对于上下运动块做左右运动。左右运动块中间开有长度小于皮带轮直径的矩形缺口，长圆柱销从该缺口中穿过，当长圆柱销随着皮带运动至两个皮带轮上方或下方时，将逆时针向左或者顺时针向右运动，左右运动块会随着长圆柱销也向左或者向右运动，如图2所示。两个基架并排放置，安装有皮带轮机构的一面朝向同一侧。图1中，采摘桑叶时，左方皮带做逆时针转动，右方皮带做顺时针转动。

图1　桑叶采摘装置

图2　上下运动块与左右运动块

1.2桑枝定位装置设计

桑枝定位装置由间歇运动机构、改向机构、定位齿轮和定位杆组成，如图3所示。桑枝定位装置的间歇运动由槽轮机构提供，槽轮机构由拨轮和槽轮组成。其中，拨轮上设有2个拨针，槽轮上开有4个槽，发动机动力经由皮带轮传动、齿轮传动传递至拨轮后，槽轮在拨轮的带动下做间歇运动，且槽轮和拨轮旋转1周所用的时间比率为2:1。槽轮带动改向机构运动，运动的改向由涡轮蜗杆机构完成。在采摘装置下方配有定位装置，定位装置由2个齿轮、定位杆和定位抓组成。4个齿轮侧面分别伸出1根短轴，定位杆上开有孔与4根短轴配合。定位抓在定位杆的带动下随着齿轮做圆周运动，其运动方式为平动，行程与桑树行距相等为40cm。定位抓处于初始位置时与刀具处于同一竖直面。

图3　定位装置

1.3行走装置设计

行走机构的动力由采摘装置通过锥齿轮传动提供，锥齿轮带动槽轮机构转动实现行走轮的间歇运动。槽轮机构的拨轮上设有1个拨针，槽轮上开有4个槽，槽轮在拨轮的带动下做间歇运动，且槽轮和拨轮旋转1周所用时间比率为4:1。槽轮带动1个大齿轮转动，大齿轮又同时带动2个小齿轮转动；T型杆随着2个小齿轮做圆周运动，且运动方式为平动，另一端与行走轮套接，带动主动轮做圆周运动。行走装置如图4所示。

1.4采摘过程分析

桑叶非均匀分布在桑枝四周，往复式桑叶摘装置采用2个半圆环闭合式刀具包拢桑枝、自下而上运动的方式实现对桑叶的采摘。刀具处于初始位置A点时呈完全分开状态。桑叶采摘装置开始运动后，左右两边的皮带连接的长圆柱销在随皮带运动时，先带动左右运动块向中心方向运动使两个刀具闭合，然后向上运动至顶端B点时完成桑叶采摘；此时定位机构开始运动，定位抓在定位齿轮的带动下顺时针做圆周运动，同时长圆柱销再带动两边的左右运动块分别向左、向右运动，使两个刀具分开，之后带动上下运动块向下运动；当刀具运动至C点时，行走机构开始运动，行走轮在T型杆的驱动下带动采摘机向前运动，刀具继续向下运动直至回到初始位置。采摘桑叶过程如图5所示。

图4　行走装置

图5　运动阶段示意

2采摘效益分析

2.1采摘效率分析

有资料表明[12-16]，割刀切断禾杆的最小刀速为0.6m/s。由于桑叶叶柄比禾秆更容易切断，此处选取桑叶采摘刀具的最小速度v1=0.6m/s。皮带轮直径为d=0.4m，两个皮带轮中心距为a=1.2m。

记往复式桑叶采摘机采摘1棵桑树的时间为t1，则有

采摘完1棵桑树后，刀具分开，往复式桑叶采摘机会在行走轮的带动下向前运动至下一棵桑树的收割位置，此时刀具回到初始位置。往复式桑叶采摘机的1个工作周期包括采摘完1棵桑树并行走至下一棵桑树的采摘位置，也就是一棵桑树从定位到采摘完成所需时间为6s。

记桑叶收割机每小时可收割的桑树的数量为k棵，则

许动[17]在《圆筒形片叶采桑器的研究》一文中曾经对桑园中桑枝上芽的数量进行过调查，结果如表1所示。

表1　桑条上芽数调查

桑条上每片叶子有且仅有1个嫩芽，桑条上芽的数量可以认为是桑条上桑叶的数量。记所有桑条上桑叶数量的均值为b片，则

据调查，每500g桑叶大约为146片。记每片桑叶的质量为w克，则

w=500÷146=3.4(g)

取每棵桑树可以生长5棵桑枝，记每棵桑树上面桑叶的重量为W，则

W=5wb=704g

记桑叶收割机每小时收割桑叶的质量为G，则

G=Wk=422.4kg

根据调查，熟练桑农每小时采桑质量为15～30kg，以k1表示，取k1=30kg。记与手工采桑相比自动采桑效率提高量为ε1，则

2.2经济效益分析

以一块占地66.7hm2的桑园为例，该桑园大约为66 000m2，假设该桑园的长宽分别为300m和22m。记桑园种下的桑树为z棵，桑树种植行距为0.8m，株距为0.4m，则

即一桑园种植的桑树有20 625棵。记每0.67hm2桑园桑叶产量为W总，则

W总=20 625×W=14 520kg

1个熟练桑农每小时可以采摘30kg桑叶[18],如果同时雇佣5个工人在桑园采摘桑叶，则5个工人每小时可以采摘150kg桑叶。

机器与工人均每天工作8h，记人工与机械将桑园的桑树采摘完所用的时间分别为t人与t机，则

自动收割机收割动作功率为453W，持续34h。

整机的运动过程为：由静止加速至0.3m/s，向前运动0.4m后停止，以此循环，则收割0.67hm2地的桑树该动作共循环20 625次。查询资料可得：轮胎与土地之间的滚动摩擦因数为f=2～10，由于桑园地面极不平整，取f=10，整机质量m=600kg。记收割机收割0.67hm2地的桑园需要做功为E，则

=5×108J

其中，g为重力加速度，取g=10m/s2。

汽油的燃烧值为4.3×107J/kg，汽油机的热效率大约为0.25。记采摘0.07hm2地需要xkg汽油,则

据调查，汽油现阶段价格为7.31元/L，即10.44元/kg。记耗费汽油的总价为m汽，则

m汽=46.7×10.44=487元

自动桑叶收割机总造价估价11 802元，同类农业机械第1年的折旧一般定位总造价的8/36。记自动桑叶收割机收割桑园的折旧费用为m折旧，则

大型桑园请桑农采摘桑叶需要支付的工资大约为150元/天，记人工采摘66.7hm2桑园的费用为m1，自动采摘66.7hm2桑园的费用为m2，则

m1=5×t人×150=18 000(元)

m2=t机×150+m汽+m折旧=2 093(元)

记自动采摘比手工采摘节省费用百分比为ε2，则

根据以上数据绘制表2，并对人工采桑和自动采桑做比较。

表2　人工采桑与自动采桑的比较

3结语

设计了一种往复式桑叶采摘机，包括桑叶采摘装置、桑叶定位装置和行走装置。其中，由桑枝定位装置对桑枝进行定位，再由行走装置将桑叶采摘机带动至工作位置，最后由桑叶采摘装置完成桑叶采摘。通过查阅文献和调查，对桑叶采摘机的采摘效率和费用进行分析，并与人工采摘进行比较，桑叶采摘机的采摘效率提高1 308%，每6.67hm2桑园节省采摘费用88.3%。该机具有良好的应用价值，可以为桑叶采摘机的后续研究提供一定的理论和应用依据。

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Design of Reciprocating Machine of Picking Mulberry Leaves and Analysis of its Efficiency and Benefit

Hu Yingchun1, Yan Xin2, Zhuang Jinfang2,Mu Xiangwei1, Liao Wei2

(1.Teachers College for Vocational and Technical Education, Guangxi Normal University, Guilin 541004, China；2.College of Mechanical Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China)

Abstract：With the purpose of picking mulberry leaves mechanically, a reciprocating picking machine which can pick mulberry leaves automatically was designed. In order to locate ramulus moris’ positioning accurately and pick mulberry leaves smoothly, the reciprocating picking device, the ramulus mori locating device and the walking device formed a reciprocating picking machine. The ramulus mori locating device located ramulus moris, the walking device drove the mulberry leaf picking machine movement to work position, and then mulberry leaves were picked by the reciprocating picking device. The growth of mulberry was understood by literature and investigation, analyzed the efficiency and benefit of picking mulberry leaves by machine. The efficiency of picking mulberry leaves by machine was 422.4kg/h, the cost of picking 100 mu of mulberry field was 2093 Yuan. It has been provide the theoretical reference for picking mulberry leaves mechanically.

Key words：machine of picking mulberry leaves; analysis of efficiency and benefit; reciprocating

文章编号：1003-188X(2016)04-0076-04

中图分类号：S223.92；S225.53

文献标识码：A

作者简介：胡迎春(1971-)，女，广西柳州人，教授，博士，(E-mail)hyc_leeds@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51205071)

收稿日期：2015-03-18