仿生冬棗采摘機的設計

劉同 王婧怡 崔秀慧 韓金龍 張國茂 朱娜

摘 要：為解決冬棗采摘時消耗勞力大的問題，運用仿生學和數(shù)據(jù)分析法，設計了一種便攜式仿生冬棗采摘機。該設計通過硅膠條相向運動，相互擠壓使冬棗脫離棗吊滑入伸縮式輸送管從而落入收納箱。并且闡述了采摘機的各部件設計原理，確定各部件結構，并對主要受力部位進行了有限元分析，分析結果表明，伸縮桿的最大應力 11.65MPa 遠小于屈服極限 325MPa，最大合 位移僅約為桿長的 0.12%，伸縮桿的剛度滿足工作要求。

關鍵詞：冬棗；采摘機；伸縮桿

冬棗自古以來為皇家貢品，迄今已有千年的歷史，屬國內(nèi)外珍稀樹種。冬棗品系純正，享有百棗之王的美譽，其特點為：果大、皮薄、核小、汁多、肉質細嫩酥脆、色澤鮮艷、凝重、富含鈣、鐵、鋅等多種礦物質，每百克維生素C含量為四百零八毫克，居于百果之首。但是中國作為水果生產(chǎn)大國在果園采摘中所需勞力占整個果類產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的35% ～ 45% ，而我國果園采摘機械化程度卻較低，當前果園機械采摘方法主要分為： 機械輔助采收和機械化采收兩種形式。因此本文設計的仿生冬棗采摘機就主要應用機械輔助采收，大大提高了原來的采摘效率。

一、仿生冬棗采摘機設計原理

我國目前采摘冬棗的方法多為人工采摘，同時包括幾種機械輔助人工采摘方法，如氣息梳刷式冬棗采摘機、便攜式冬棗采摘機等。由于冬棗果殼薄亮，肉質酥脆，采摘過程中由于不確定因素，時常導致果實損壞；同時需投入大量勞動力。本研究就是根據(jù)冬棗的生長情況及冬棗的性狀特征，基于機械理論的基本知識設計出適于冬棗的采摘工具。旨在提高我國機械化采摘率，降低人工工作強度。

仿生冬棗采摘機，主要構件包括（1）調(diào)速器、（2）腰帶、（3）蓄電池、（4）伸縮桿、（5）導線伸、（6）采摘裝置、（7）縮式輸送管、（8）卡樹扣。

1.工作原理

一種基于模擬人手采摘的冬棗采摘裝置，包括機架、護罩、滾筒、傳動機構、輸送管和電源，所述機架采用了鉸鏈四桿機構通過其運動實現(xiàn)了萬向采摘，能實現(xiàn)其空間的三維運動。從而擴大了采摘范圍。其與所述護罩連接，在護罩的前端形成有開口；所述滾筒在所述護罩內(nèi)平行安裝有兩個，在每個滾筒的外壁上間隔形成有多個彈性突起。所述采摘機傳動裝置包括電機、聯(lián)軸器、軸、齒輪，其工作原理為聯(lián)軸器和軸相連并帶動軸兩端齒輪轉動，從而使硅膠滾筒相向運動將冬棗采摘下來。

主要采摘原理是通過滾筒上硅膠條的相向運動使冬棗脫離棗樹，滑入伸縮式輸送管進而落入收納箱內(nèi)。硅膠條上端細、下端粗，自身彈性較好，具有不傷枝、不纏枝、不傷果等特點。為實現(xiàn)齒輪密封和滾筒的支撐，在齒輪外圍設置起保護和支撐作用的罩體。工作時，滾筒在微型電機的帶動下旋轉，從而達到了模擬人手采摘的效果，手柄順延果實枝條向上運動，硅膠條連續(xù)不斷地相向運動，從而方便地對果實進行采摘。動力源為12V直流電源，簡便易行，降低機器成本。

2.裝置介紹

（1）傳動裝置：包括設置在手柄內(nèi)的聯(lián)軸器、軸、齒輪，其工作原理為聯(lián)軸器和軸相連并帶動軸兩端齒輪轉動，從而使硅膠滾筒相向運動將冬棗采摘下來。

（2）護罩與手柄：兩者通過螺栓連接。

（3）硅膠滾筒：設有若干個T型插孔，所述硅膠條底部設有凹槽，凹槽兩邊為凸臺；硅膠條通過凹槽塞入T型插孔內(nèi)，并通過兩邊的凸臺卡緊T型插孔。

（4）電動機：轉速為可調(diào)式，其手柄外部設有調(diào)節(jié)旋鈕。

3.性能對比

本產(chǎn)品與現(xiàn)有采摘器相比，結構與功能上有較大提高：

（1）利用柔性采摘輪相向運動的原理進行采摘，效率高、果實破損率低。

（2）節(jié)省人力、縮減采摘時間。

（3）結構巧妙，攜帶方便，操作靈活，可靠性強。

4.各主要構件的強度和剛度校核

（1）齒輪傳動的計算和說明。

根據(jù)所選電機的類型設計齒輪傳動，將動力傳送至工作部分進行受力分析，所以特列傳動軸和齒輪的強度校核。根據(jù)查閱資料，選定功率為20W，轉速為400r/min的555-1280直流電動機，已知傳動比為i=1，每天工作8h。

該齒輪Z1=Z2=40，α=20°，

d1=d2=40×1.5=60mm，

模數(shù)m=1.5，此處是非金屬齒輪，因此φd=0.5

齒寬b=φdd1=0.5×60=30mm，

此處b_1=b_2=30mm

嚙合角α=cos-1[（（a cos α ））/a]=20°，

zε=z1+z2=40+40=80，

Xε=X1+X2=0， y=0，

因為該齒輪為閉式軟齒面齒輪，所以此處我們只校核它的彎曲疲勞強度。

該許用彎曲疲勞強度為，查表可知，KN=50，σlim=1，S=1.5，

所以[σF ]1=33MPa

根據(jù)≤，

查表可知KF=KA KV KFα KFβ=1.14，

T1=17N， YFa=2.4，YSa=1.65，Yq=1，

因此σF=0.057MPa

（2）軸的扭矩計算及扭矩圖（圖4）。

扭轉切應力應滿足

查表得τT≤[τT ]

扭矩

二、結語

本文設計的仿生冬棗采摘機的主要優(yōu)點是，能大幅減少人工撿果量、電動化，便攜，降低了勞動強度。采用硅膠滾輪，模擬人手的采摘過程，保證棗樹不受傷害，對棗樹下一年產(chǎn)果量影響較小，能夠方便棗農(nóng)采收冬棗果實，有效提高采收安全性、采收率和采收速度。該采摘機結構簡單，質量小，攜帶、操作都很方便，加工制造非常容易，造價低廉，維修簡單方便，是一種既能降低棗農(nóng)的勞動強度，提高勞動效率，結構簡單，使用方便，提高棗類果實收獲效率，是人工采摘的 5-8 倍，提高棗農(nóng)種植冬棗的積極性和勞動生產(chǎn)效益，又能為生產(chǎn)廠家?guī)砝麧櫟碾p贏產(chǎn)品。我國冬棗種植面積非常廣闊，發(fā)展速度也很快，該產(chǎn)品具有良好的推廣應用前景。

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