丘陵山地桑葉采收機轉運裝置設計與試驗

魯磊 李麗 盧世博 唐華林

摘要：針對丘陵山地桑葉采收機械缺乏、桑葉采摘收集困難、手工采摘勞動強度大等問題，研制一種丘陵山地桑葉采收機，并著重對轉運裝置進行設計與試驗。首先分析桑葉采收機工作環境與桑葉采收流程，完成轉運裝置接料機構、導料機構、送袋機構的工作原理分析與結構設計計算。其次根據設計參數制作出桑葉采收機樣機，在丘陵山地桑園進行轉運裝置試驗。最后根據試驗得到結論：桑葉采收機轉運裝置撥料器轉速為80r/min，自動脫鉤長度尺寸b1=25mm、寬度尺寸b2=25mm、深度尺寸b3=15mm，掛鉤厚度h3=8mm時，接料機構轉運過程桑葉平均轉運率為95.78%，導料機構桑葉平均入袋率為97.88%，送袋機構掉袋率為1.25%，自動脫袋成功率為98.75%，桑園田間試驗表明桑葉采收機轉運裝置可以滿足桑葉采收的功能需求，驗證設計的正確性及可行性。

關鍵詞：桑葉采收機；轉運裝置；接料機構；導料機構；送袋機構

中圖分類號：S225.93? 文獻標識碼：A? 文章編號：2095-5553 （2024） 03-0133-07

Design and experimentation of the transport mechanism for mulberry leafharvesting machine in hilly terrain

Lu Lei 1， 2， Li Li1， 2， Lu Shibo1， Tang Hualin1

（1. College of Engineering and Technology， Southwest University/Chongqing key Laboratory of AgriculturalEquipment for Hilly and Mountainous Regions， Chongqing， 400715， China; 2. Yibin Academy of SouthwestUniversity， Yibin， 644000， China）

Abstract：

Aiming at the lack of mulberry leaf harvesting machinery in hilly and mountainous areas， the difficulty of mulberry leaf harvesting and collection， and the labor intensity of manual harvesting， developing a mulberry leaf harvesting machine for hilly and mountainous terrains. and mountainous areas， and focused on the design and test of the transfer device. Firstly， analyze the working environment of the mulberry leaf harvester and the mulberry leaf harvesting process， and complete the analysis of the working principle and structural design and calculation of the receiving mechanism， guiding mechanism and bag feeding mechanism of the transfer device. Secondly， according to the design parameters， the prototype of mulberry leaf harvester is made， and the test of?the transfer device is carried out in the hilly and mountainous mulberry gardens. Finally， according to the test to get the conclusion： mulberry leaf harvester transfer device toggle speed for 80 r/min， automatic decoupling length size b1=25mm， width size b2=25mm， depth size b3=15mm， when hook thickness h3=8mm， the receiving mechanism transfer process mulberry leaves average transfer rate of 95.78%， the guide mechanism mulberry leaves into the bag of the average rate of 97.88%， the bag feeding mechanism bag drop rate of 1.25%， the success rate of automatic bag removal is 98.75%. The field test in mulberry orchard shows that the mulberry leaf harvester transfer device can meet the functional requirements of mulberry leaf harvesting， which verifies the correctness and feasibility of the design.

Keywords：mulberry leaf harvesting machine； transport mechanism； receiving mechanism; guide mechanism; bag feeding mechanism

0 引言

中國是世界蠶桑商品出口大國，具有悠久蠶桑歷史文化，國家出臺了一系列政策促使蠶桑產業快速發展［1， 2］。桑葉是蠶桑行業前端原料，并且桑葉具有藥用價值豐富［3］以及抗氧化性與抗衰老功效［4］，是我國重要經濟作物，但其機械化采收是目前該產業卡脖子問題［5］。針對丘陵山地桑葉采收機械缺乏、人工勞動強度大、采收作業成本高的問題，其中桑葉采收機的轉運裝置是桑葉采收機的重要組成成分，但每株桑樹枝條多，采摘收集困難，因此研究丘陵山地桑葉自動采收機轉運裝置對桑葉采摘機械化具有重要意義。

目前對桑葉采收機的研究較少，國外設計了一種適合桑枝的莖葉分離器［6］；國內提出了自動往復式、搖桿式、具有定位裝置的桑葉采摘機［7， 8］；以上研究應用于桑葉采摘，并未在收集部分做出相關研究。針對桑園環境研究了復雜自然環境下桑葉采摘枝干的識別方法［9］，為桑葉采摘的識別與收集展開了研究，在此基礎上桑葉采摘的自動定位變為現實。Fragapane等［10］主要將轉運裝置運用到大型產線實現生產效率的提高，較少運用到農業機械上。徐勤超等［11］提出了一種間歇式柑橘育苗缽機械裝填轉運機；劉宏新等［12］研發了玉米播種機轉運平臺，解決播種機作業轉場困難的問題；王相友等［13］研究了輸送線速度、引流板角度、裝袋高度等對馬鈴薯的裝袋裝置的影響，上述轉運機構為桑葉轉運裝置的研究提供不同方法。鄭占賀等［14］研究了一種連桿式自動撐袋裝置。根據不同采收裝置研究為桑葉采摘與收集裝袋相結合提供了思路［1520］。

以上研究并沒有將桑葉收集裝袋與桑葉采摘相結合，針對上述研究現狀，結合丘陵山地桑園桑葉特殊作業環境、桑葉尺寸大小等綜合因素，研制一種符合桑葉采收機完成桑葉采收的轉運裝置，對關鍵部件進行理論分析與結構設計，并制作出樣機完成轉運裝置試驗與桑園試驗，驗證設計的可行性與正確性，為丘陵山地桑葉采收機收集技術與機具研究提供方法與技術理論支撐。

1 整機結構與送料裝置工作原理

1.1 整機結構

我國大部分桑園處于丘陵山地地區，本文對重慶市某桑園基地，進行前期測量，得到該地區桑樹間距2m，坡度為0～25°，因此采用履帶式底盤作為桑葉自動采收機的行駛工具。

根據該地區條件，完成桑葉采摘機的方案設計，丘陵山地桑葉采收機結構如圖1所示，整體裝置主要由桑葉采摘裝置、桑葉轉運裝置、桑葉取袋裝置、履帶行走底盤組成。

為滿足桑葉采收機完成桑葉采摘裝置作業后，與桑葉收集裝袋功能之間的銜接更為流暢，考慮桑園桑葉采收的空間狹小，對采收作業有時序等要求，提出了一種桑葉轉運裝置實現對桑葉的轉運入袋，其中桑葉轉運裝置結構如圖2所示，可完成在桑葉采摘后，桑葉的轉運入袋功能。

接料機構固定在機架上，通過推桿作用實現伸縮，在接料機構伸展時完成桑葉接取，收縮實現桑葉轉運入導料機構。導料機構上設置有撥料器，沿著順勢方向旋轉，對轉運桑葉實現撥料入袋。送袋機構上袋盤與自動脫袋掛鉤在鏈輪鏈條作用下完成有序編織袋的供給。各機構聯合作業，實現桑葉采收機桑葉的轉運功能。

2 關鍵部件設計

2.1 桑葉大小參數

對6～8月份桑葉生長大小情況做出判斷，隨機對桑樹上中下三個位置桑葉進行最大長度與最大寬度的測量，得到桑葉生長數據如表1所示。

2.2 接料機構設計

設計滿足桑葉采摘接料功能，及時將采摘桑葉轉運裝袋。接料機構的最大展開距離要確保大于桑葉采摘裝置的張開距離，考慮結構緊湊性與空間有限性，將電動推桿橫向安裝在固定架上，實現動力輸出與控制，電動推桿的最大工作長度將決定接料機構的最大展開長度L1，接料機構上安裝有自動伸縮布，受彈簧的拉力，隨著接料機構的伸縮而伸縮。接料機構原理示意圖如圖3所示。

桑葉轉運順利完成過程，要求桑葉能完全落在預設接料區域，桑葉采摘機執行機構單邊最大張開距離Lmax=480mm，支架到采摘機執行機構中間距離為760mm，得到最大展開距離需要大于1240mm。

電動推桿工作帶動接料機構的伸縮，最大間距受到電動推桿工作范圍h1-h2影響，其中設置接料機構所有短邊長度l相等，并且考慮到伸縮架伸縮性能與結構性能，要求h2大小的設置需要大于總長度h1的一半，當不滿足時，接料機構最大展開狀態下滑塊位置受力增大，穩定性變差。因此可得

L1=n1l2（1－cosα2）（1）

h1=l2（1+cosα1）（2）

h2=l2（1+cosα2）（3）

h2≥12h1（4）

式中：L1——接料機構子伸展，mm；n1——接料機構單邊設置個數；l——接料機構短邊長度，mm；α1——接料機構完全收縮時短邊夾角，mm；α2——接料機構完全展開時短邊夾角，mm；h1——固定架安裝與滑塊設置最大長度，mm；h2——固定架安裝與滑塊設置最小長度，mm。

在桑葉采收機工作過程中，接料裝置最大展開距離L1需大于1240mm，α2的參數大小由總體推桿長h1與推桿長度h1-h2共同決定，綜上展開距離L1由n1、h1、h2、l的參數大小決定。根據整機結構設計要求，固定架安裝與滑塊設置最大長度h1受到限制，h1長度過長，整機尺寸高度方向尺寸變大，整機穩定性變差。結合如圖1采收機整機結構，接料機構展開后最大高度應該低于桑葉采摘機構完成采摘后的最大抬升高度，避免發生干涉。最后得到參數n1=5，h1=320；h2=170；l=160，此時得到接料機構最大展開長度L1=1355mm。

2.3 導料機構設計

接料機構作業將桑葉從桑葉采摘裝置運轉進入導料機構，導料機構的設計會影響桑葉最終入袋效果，因此，導料機構設計過程中需要綜合考慮桑葉采收機整體空間因素與實際作業因素。

2.3.1 料框與撥料器設計

桑葉導料過程中，采摘桑葉大小決定了機構設計的尺寸參數，桑葉最大長度尺寸為282mm，為了完成采收過程中桑葉轉運與入袋，限制了桑葉導料機構的尺寸大小、撥料器的大小與個數，導料結構示意圖如圖4所示，最終設置桑葉轉運裝置料框尺寸L2×W2×H2為510mm×400mm×395mm。

為完成桑葉的順利裝袋，在導料機構中設置撥料器，采摘完成的桑葉在具有導向性的撥料器作用下順利入袋，完成桑葉的轉運入袋。導料機構之間設置撥料器的數量與間距依據桑葉大小生長情況設定，設置數量為n2，則有

L2=（n2－1）d+n2q+2s+2δ（5）

式中：L2——料框長度，mm；n2——撥料器個數；d——兩撥料器相互間距離，mm；q——撥料器的厚度，mm；s——撥料器與料框壁之間距離，mm；δ——料框厚度，mm。

料框的材質選擇考慮整機輕量化、加工實際條件與經濟性能，最后采用Q235，δ=1mm厚的碳素結構鋼為料框材料，在完成焊接工藝同時具有較輕重量。

桑葉采摘過程中，為了桑葉二次發芽，進行二次采摘，需要對嫩葉進行保護，其中嫩芽部分主要分布在桑樹上部區域。本案例桑葉采收機采摘過程為從下往上有序采收，從下部區域開始，采摘到達上部區域30%左右時停止采摘，達到保護嫩葉作用。所以桑葉的采摘主要為下部區域和中部區域，桑葉采收區域比例可按3∶10∶10（上、中、下）來進行計算。桑葉采摘的大小平均長度尺寸l與寬度尺寸w尺寸計算如式（6）、式（7）所示。

l-=323lt+1023lm+1023lb（6）

w-=323wt+1023wm+1023wb（7）

式中：l-——桑葉平均長度，mm；lt——上端桑葉長度，mm；lm——中端桑葉長度，mm；lb——下端桑葉長度，mm；w-——桑葉平均寬度，mm；wt——上端桑葉長度，mm；wm——中端桑葉長度，mm；wb——下端桑葉長度，mm。

根據公式得到l-=219.4mm，w-=175.6mm，其中最小長度和寬度均值分別為l-=180.4mm，w-=143.6mm。為保證導料機構順利完成桑葉的轉運與入袋，要求設計最小距離尺寸小于最小平均值，并考慮實際桑葉最小寬度尺寸為134mm，桑葉在轉運過程中多數以無規則狀態進入料箱，最終選擇撥料之間距離d=130mm。撥料器工作時，側邊間距過短可能將導致桑葉堵塞在撥料器底部與影響撥料器后續工作，側邊間距長度將影響撥料器作業時的桑葉撥料性能，桑葉堆積在撥料器兩側，結合料框與桑葉生長大小，初步確定撥料器到兩側壁之間距離s=110mm。結合L2尺寸限制，設置撥料器個數為3，撥料器厚度q=6mm。

2.4 送袋機構設計

在有限空間為滿足桑葉在轉運過程中及時裝袋入袋，提出一種鏈條式送袋機構，送袋機構結構圖如圖5所示。

送袋機構作業時，能自動完成桑葉送袋功能，避免多次人工套袋與上袋，提高采摘效率。其中電機傳輸動力到主動軸，帶動鏈輪鏈條逆時針方向旋轉工作，實現編織袋的輸送，其中編織袋一端與自動脫袋掛鉤相連，另一端與上袋盤相連。

其中送袋機構包含送袋過程、裝袋過程、脫袋過程，送袋機構示意圖如圖6所示。在送袋的過程中，電機工作帶動鏈輪鏈條逆時針旋轉，鏈條向前移動兩個節距（2P），帶耳板鏈條上裝有上袋盤，將帶有編織袋的一端移至待取袋的位置。此時，取袋裝置開始工作，完成編織袋取袋與展開操作，完成送袋過程。

其中送袋機構因占據空間較小，受力不大，考慮選用06b號鏈條，節距P=9.525，鏈輪齒數為17。裝袋過程中電機保持靜止狀態，桑葉采收機開始桑葉的采摘裝袋，編織袋桑葉滿袋時，裝袋過程完成。脫袋過程發生在桑葉采摘機完成裝袋后，電機再次工作帶動鏈輪鏈條逆時針旋轉，鏈條向前移動四個節距距離，在這個運動過程中，自動脫袋掛鉤到達極限脫落位置，使編織袋能夠自行脫離。

自動脫袋掛鉤與上袋盤的尺寸幾何參數會對編織袋的送袋和自動脫袋過程產生影響，這兩者之間的匹配和調整非常關鍵，可以確保送袋和脫袋能夠順利完成。脫袋效果與自動脫袋掛鉤長度尺寸b1、寬度尺寸b2、深度尺寸b3、掛鉤厚度h3的參數相關，取袋效果與上袋盤內圓直徑r1的參數相關，其結構示意圖如圖7所示。

送袋機構自動脫袋掛鉤參數b1、b2、b3參數的不同配置將影響編織袋自動脫落效果，為了探尋自動脫袋掛鉤自動脫袋效果，對其進行前期預實驗分析。因為桑葉采收機空間限制，得到b1距離不能大于25mm，否則易造成運動過程中的干涉，過小影響桑葉袋掛帶性能；b2決定自動脫袋掛鉤與袋口橫跨幅度，b2過小時，寬距變小，經測試小于25mm時效果欠佳；b3決定自動脫袋掛鉤與袋口嵌入深度，深度太大不容易脫落，太小則不能將袋口成功掛??；h3為掛鉤厚度，將影響編織袋與掛鉤內陷深度與整體強度。上袋盤參數r1決定磁吸石最大外徑，上袋盤參數r1選擇過大時在送袋機構運行過程中易于料箱發生干涉，過小時磁吸石最大外徑小，與取袋裝置電磁吸鐵作用面積小，影響送袋效果。

3 樣機試驗

完成桑葉采收機轉運裝置設計后，加工出桑葉采收物理樣機，對樣機進行試驗驗證。

3.1 接料機構試驗

桑葉采收機采摘機構完成桑葉采摘作業，后續接料機構需對完成采摘的桑葉承接轉運。為驗證桑葉接料機構桑葉轉運功能，進行轉運機構驗證試驗。其中通過分析桑葉采摘過程，隨機向桑葉接料機構輸送固定數量桑葉實現控制變量過程，以桑葉成功運轉率為指標，判斷機構設計的正確性，桑葉成功運轉率計算如式（8）所示。

P=Ne－Nf－NrNe×100%（8）

式中：P——運轉率，%；Ne——轉運實驗桑葉試驗數量；Nf——轉運實驗桑葉掉落數量；Nr——轉運實驗桑葉滯留數量。

試驗結果如表2所示。在接料機構伸縮向料框轉運采摘的桑葉過程中，部分桑葉沿接料機構邊緣位置滑落，原因在于桑葉采摘完成后，桑葉隨機落入接料機構中，處于接料機構邊緣的桑葉在接料機構回縮過程中靠邊掉落。并且存在一定桑葉滯留接料機構上，原因在于接料機構回縮過程，底部桑葉與自動伸縮布發生粘連，導致較少桑葉滯留接料機構上。根據試驗結果可得桑葉轉運過程平均轉運率為95.78%，符合桑葉轉運設計要求。

3.2 導料機構試驗

接料機構完成工作后，桑葉進入導料機構，在撥料器作用下，桑葉掉入編織袋，為探究導料機構將桑葉轉運入袋的功能，以入袋率為指標進行導料機構試驗驗證，其中入袋率是桑葉成功在導料機構作用下轉運入袋的概率。

撥料器工作轉速過快會將桑葉拋出預定入袋區域，所以對撥料器進行轉速預試驗，得到在轉速為80r/min時桑葉能在撥料器作用下成功入袋。在取袋開袋試驗中得到編織袋種類為550×550×550方形編織袋、上袋盤r1決定的磁吸石的尺寸大小為20時，開袋取袋效果最佳，所以本文以撥料器轉速為80r/min、編織袋種類為550×550×550方形、磁吸石的尺寸大小為20進行試驗驗證，試驗結果如表3所示。結果表明，導料機構桑葉平均入袋率為97.88%，滿足桑葉導料機構設計要求。

3.3 送袋機構自動脫袋掛鉤脫鉤試驗

根據條件分析，b1越大時掛袋性能越好，最大上限為25mm，h3設計時需考慮鏈條耳板外側寬度，測量得到耳板外側寬度大小為10mm，為避免與鏈條干涉，h3應小于10mm；h3過小會導致自動脫袋掛鉤強度不夠，則最終確定b1為25mm，h3為8mm。在三維軟件中對b1、b2進行評估分析，考慮模型的可建立性與功能性，對b1、b2進行不同搭配試驗，如表4所示。

探究不同自動脫袋掛鉤組合下的自動脫袋效果與掛袋效果，以成功自動脫袋率與掉袋率為指標，成功脫袋率越多、掉袋率越低，自動脫袋掛鉤的效果越好。掉袋率與自動脫袋率分別進行80次試驗，試驗結果如表5所示，根據試驗結果最終確定自動脫鉤參數為b1=25mm、b2=25mm、b3=15mm，h3=8mm。

3.4 桑葉采收機轉運桑園試驗

試驗在重慶市合川區某桑園基地，桑園行寬2m，坡度0°～25°，選用農桑14號品種進行試驗，桑葉平均長度大小l-為219.4mm，平均寬度大小w-為175.6mm，樣機試驗如圖8所示。

對桑葉采收機進行丘陵山地桑園采收試驗，由試驗可知，桑葉采收機轉運裝置能完成桑葉采摘轉運入袋，機器能夠流暢完成桑葉的采收作業，整機在桑園運行穩定，驗證了桑葉轉運裝置設計的正確性及可行性。

4 結論

1） 針對丘陵山地桑園地理條件與農桑14號桑葉大小，提出一種桑葉采收機轉運裝置，可實現桑葉采收過程中的轉運、桑葉入袋、送袋一體化作業，有效降低勞動強度，提高桑園桑葉采摘效率。

2） 完成對桑葉采收機轉運裝置的接料機構、導料機構、送袋機構的設計，并根據實際要求與預試驗完成關鍵參數的確定，最終得到接料機構最大伸展距離L1=1355mm、導料機構撥料器個數n1=3，撥料器厚度q=6mm。通過驗證試驗，得到接料機構平均轉運率為95.78%；撥料器轉速為80r/min時桑葉撥料平均入袋率為97.88%；在自動脫袋掛鉤長度、寬度、深度參數b1=25mm、b2=25mm、b3=15mm，掛鉤厚度h3=8mm時，掉袋率為1.25%，自動脫袋成功率為98.75%，桑園田間試驗運行穩定，滿足桑園桑葉采收轉運要求。試驗表明桑葉采收機轉運裝置可以滿足桑葉采收的功能需求，驗證了設計的正確性及可行性。

參 考 文 獻

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基金項目：重慶市杰出青年科學基金項目（2022NSCQ—JQX0030）；宜賓市雙城協議保障科研經費科技項目計劃（XNDX2022020015）；“西南大學先導計劃”2023年度自然科學領域項目（Swu—XDJH202302）

第一作者：魯磊，男，1998年生，四川瀘州人，碩士研究生；研究方向為智能農業裝備。E-mail： 507719784@qq.com

通訊作者：李麗，女，1982年生，重慶人，博士，教授，博導；研究方向為智能農業裝備及應用示范。E-mail： cqulily@163.com