一種拉切式水果采摘器的設(shè)計(jì)

周瀟 曾欽 嚴(yán)燦

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)水果采摘方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、現(xiàn)有采摘器對(duì)復(fù)雜地形果園的水果采摘不便的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種由拉切裝置、收集裝置、支撐桿和拉繩裝置等組成的拉切式水果采摘器，對(duì)該采摘器零件進(jìn)行加工和裝配得到其實(shí)物模型，并使用該實(shí)物模型進(jìn)行了水果采摘實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該采摘器具有攜帶方便、重量輕、操作靈活，可以在復(fù)雜的地形當(dāng)中使用，且采摘過(guò)程對(duì)水果有保護(hù)作用的特點(diǎn)，且隨著采摘時(shí)間越長(zhǎng)其采摘效率越高，應(yīng)用前景廣泛。

關(guān)鍵詞：拉切式;水果采摘器;加工和裝配;實(shí)物模型

中圖分類(lèi)號(hào)：S225.93 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.01.002Open Science Identity（OSID）

Abstract： According to the problems of high labor intensity of traditional fruit picking methods and inconvenience of existing harvesters for fruit picking in orchards with complex terrain， a kind of pull-cut fruit picker was designed， which was composed of pull-cut device， collection device， support rod and pull rope device. Its parts were processed and assembled to get its physical model， and fruit picking experiment was carried out on the physical model. The experimental results show that the device has the characteristics of easy carrying， light weight， flexible operation， can be used in complex terrain， and has the protective effect on fruit. The longer the harvesting time， the higher the harvesting efficiency， and broad prospect of application.

Keywords： pull-cut; fruit picking device; machining and assembly; practicality model

0 引言

由于我國(guó)山地丘陵地區(qū)面積廣闊且大部分種植果樹(shù)，僅西部地區(qū)果園面積就達(dá)286萬(wàn)hm2[1]。近年來(lái)，為轉(zhuǎn)移農(nóng)村勞動(dòng)力，統(tǒng)籌城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，大量壯年勞動(dòng)力外出務(wù)工，留在家里的主要是老、弱、病、殘、婦女、兒童。而水果采摘期短，勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)采摘人員有較高體力要求，這種矛盾更突顯了果業(yè)采摘難度大的問(wèn)題[2-3]。在偏遠(yuǎn)的山區(qū)，果園分布比較廣泛，果樹(shù)和果實(shí)的分布高低落差大，且一般種植于地形地貌崎嶇復(fù)雜之地，該類(lèi)地區(qū)果農(nóng)目前普遍使用的采摘方式為人工使用剪刀采摘，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且效率低，對(duì)于分布在果樹(shù)中高空的水果采摘費(fèi)力且不安全，使得該類(lèi)地區(qū)對(duì)于中高空水果的采摘率非常低[4-5]。同時(shí)，市面上現(xiàn)有的水果采摘機(jī)器笨重且造價(jià)昂貴，操作復(fù)雜，維修成本高，不適合復(fù)雜地形的果園使用[6]。基于以上原因，急需設(shè)計(jì)出一種新的水果采摘裝置，使其具備操作方便、價(jià)格便宜、能適用復(fù)雜地形果園采摘、且對(duì)于中高空水果采摘統(tǒng)一適用的特點(diǎn)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)水果采摘方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、現(xiàn)有采摘器對(duì)復(fù)雜地形果園的水果采摘不方便等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了拉切式水果采摘器，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、便于攜帶、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、對(duì)于中高空水果采摘同樣適用等特點(diǎn)。拉切式水果采摘器主要由拉切裝置、收集裝置、支撐桿、拉繩裝置四大部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采摘水果時(shí)，由拉繩裝置驅(qū)動(dòng)拉切裝置對(duì)水果果柄進(jìn)行剪切，剪斷的水果由收集裝置回收到水果儲(chǔ)藏裝置中。

1.1 拉切裝置

拉切裝置主要由前擋板、后擋板、刀片滑道支撐板、導(dǎo)桿、刀片、連接頭、壓縮彈簧、拉繩過(guò)線支架、收集裝置掛鉤等部件組成，如圖2所示。刀片滑道支撐板開(kāi)有滑槽，刀片置于滑槽內(nèi)部進(jìn)行前后移動(dòng)，前、后擋板與刀片滑道支撐通過(guò)螺栓連接構(gòu)成整體拉切框架，前擋板內(nèi)部還粘貼有尼龍材料的緩沖板，以保護(hù)刀片在剪切過(guò)程中不被損壞。刀片后端部通過(guò)螺紋連接的方式連接有2根導(dǎo)軌，導(dǎo)軌穿過(guò)后擋板的通孔，導(dǎo)軌上安裝有壓縮彈簧，同時(shí)刀片后端部中間的螺紋孔用來(lái)連接拉繩，通過(guò)控制拉繩便可使刀片在滑道內(nèi)前后移動(dòng)進(jìn)行剪切。拉繩往下拉時(shí)彈簧壓縮，伸開(kāi)拉繩依靠彈簧的恢復(fù)力推動(dòng)刀片移動(dòng)進(jìn)行剪切。拉切裝置的2塊刀片滑道支撐板下端面焊接有4個(gè)收集裝置掛鉤，用來(lái)安裝收集裝置，后擋板下部焊接有連接頭，連接頭外側(cè)焊接有拉繩過(guò)線支架，連接頭外螺紋用來(lái)安裝支撐桿。

1.2 收集裝置

收集裝置主要包括收集罩和收集軟管2部分，如圖3所示。收集罩采用透明的亞克力板材或其他透明塑料材質(zhì)產(chǎn)品制作，方便水果采摘的時(shí)候不遮擋視線。收集裝置安裝時(shí)，依靠收集罩上端兩側(cè)開(kāi)有的4個(gè)通孔與拉切裝置中的收集裝置掛鉤連接即可，安裝和拆卸方便快捷。收集軟管通過(guò)卡箍安裝在收集罩下端，可以采用塑料、棉、麻等軟性材質(zhì)，其主要是起到水果下落后的緩沖和輸送作用。收集軟管下端可直接連接水果儲(chǔ)藏裝置，采摘的水果通過(guò)軟管直接入筐，節(jié)省人工二次裝箱和搬運(yùn)，大大提高采摘效率。

1.3 支撐桿

支撐桿整體采用可伸縮的結(jié)構(gòu)，如圖4所示，既方便攜帶又可以適用不同高度的水果采摘情況。支撐桿上端通過(guò)M8的內(nèi)螺紋孔與拉切裝置連接頭進(jìn)行對(duì)接，安裝和拆卸都非常方便，下端安裝有符合人機(jī)工程學(xué)的把手，整體材質(zhì)采用輕質(zhì)桿，使果農(nóng)在水果采摘過(guò)程中不容易產(chǎn)生疲勞，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.4 拉繩裝置

拉繩裝置與拉切裝置相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀片的移動(dòng)剪切控制，其結(jié)構(gòu)和安裝形式如圖5所示。拉繩裝置主要由螺紋連接頭、拉繩、拉環(huán)或手柄等部分組成，螺紋連接頭連接在拉切裝置刀片后端部?jī)?nèi)螺紋孔中，拉繩安裝時(shí)穿過(guò)拉切裝置的拉繩過(guò)線支架以防止采摘過(guò)程中拉繩與其他部件發(fā)生干涉，拉環(huán)或手柄與拉繩相連置于最末端，采摘時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)支撐桿的長(zhǎng)度來(lái)匹配不同長(zhǎng)度的拉繩。使用時(shí)，向下拉動(dòng)拉環(huán)或手柄，使刀片向拉切裝置后部移動(dòng)，此時(shí)彈簧壓縮，水果置于拉切裝置中后放開(kāi)拉環(huán)或手柄，刀片在彈簧回復(fù)力的作用下滑動(dòng)到拉切裝置前端與前擋板上的尼龍緩沖板接觸，實(shí)現(xiàn)水果果柄的切斷。

2 采摘工作原理與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 工作原理

拉切式水果采摘裝置在進(jìn)行水果采摘前，先將拉切裝置中的刀片、壓縮彈簧、前擋板、后擋板、刀片滑道支撐板、導(dǎo)桿、拉繩安裝固定好，再將支撐桿與拉切裝置連接頭對(duì)接并擰緊。根據(jù)需要采摘水果果實(shí)的實(shí)際高度來(lái)調(diào)節(jié)支撐桿的長(zhǎng)度，最后將收集裝置固定在拉切裝置下端，并選擇好水果儲(chǔ)藏裝置后將收集裝置軟管與儲(chǔ)存裝置相連。采摘時(shí)，一只手握住支撐桿把手，一只手握住拉環(huán)或手柄并向下拉動(dòng)，使刀片與前擋板之間具有比采摘果實(shí)稍大的開(kāi)口;將開(kāi)口對(duì)準(zhǔn)水果，并使得水果進(jìn)入收集裝置中，只留果柄于拉切裝置外，然后松開(kāi)拉繩手柄，刀片在壓縮彈簧的回復(fù)力作用下將刀片及果柄擠壓向尼龍緩沖板上，依靠彈簧彈力所轉(zhuǎn)換成的刀片剪切動(dòng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)果柄的切斷。被切斷果柄的水果掉入收集裝置的收集罩，并順著收集軟管自由滑落至水果儲(chǔ)存裝置中，實(shí)現(xiàn)水果的采摘和收集。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將拉切式水果采摘器各零部件進(jìn)行實(shí)物模型制作，為了加快模型制作速度和減少實(shí)驗(yàn)成本，對(duì)收集罩進(jìn)行簡(jiǎn)化，將收集軟管直接安裝在拉切裝置上。各零件進(jìn)行組裝后，得到了如圖6所示的拉切式水果采摘器實(shí)物模型，然后對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行實(shí)地水果采摘實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)時(shí)以采摘柑橘園內(nèi)的柑橘為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，如圖7所示，并與人工剪刀采摘柑橘進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇柑橘密度和果樹(shù)高度相近的區(qū)域進(jìn)行采摘，并設(shè)定五組不同采摘時(shí)間，統(tǒng)計(jì)在限定時(shí)間內(nèi)利用拉切式水果采摘器和人工采摘兩種方式采摘水果的數(shù)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

由表可知，拉切式水果采摘器在相同時(shí)間內(nèi)比人工剪刀采摘的水果更多，且隨著采摘時(shí)間的增加拉切式水果采摘器采摘的數(shù)量與人工剪刀采摘的差距加大。這是因?yàn)椴捎萌斯ぜ舻恫烧龅街懈呖账臅r(shí)候一般需要借助桌子、梯子等移動(dòng)高空平臺(tái)，每更換一顆果樹(shù)就需要移動(dòng)高空平臺(tái)一次，而果園一般分布在崎嶇不平的山區(qū)中，所以平臺(tái)在移動(dòng)和搭建過(guò)程中需要消耗大量的時(shí)間和精力，同時(shí)采摘完后還需要對(duì)水果進(jìn)行二次分揀和分裝，也會(huì)消耗一定的時(shí)間。

拉切式水果采摘器攜帶方便、重量輕、操作靈活，可以在復(fù)雜的地形當(dāng)中使用，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)伸縮桿的長(zhǎng)度即可適用不同高度的水果采摘，采摘的同時(shí)可將水果直接輸送到包裝箱、果籃等水果儲(chǔ)存容器中，所以采摘時(shí)間越長(zhǎng)，采摘的優(yōu)勢(shì)就越明顯，采摘效率就越高。

3 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)水果采摘方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、現(xiàn)有采摘器對(duì)復(fù)雜地形果園的水果采摘不便等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種由拉切裝置、收集裝置、支撐桿和拉繩裝置等部件組成的拉切式水果采摘器。通過(guò)對(duì)該采摘器各零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造得到了該采摘器的實(shí)物模型，并利用實(shí)物模型進(jìn)行了果園實(shí)地采摘實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該采摘器具有攜帶方便、重量輕、操作靈活的優(yōu)點(diǎn)，可以在復(fù)雜的地形當(dāng)中使用，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)伸縮桿的長(zhǎng)度可適用不同高度的水果采摘，且采摘過(guò)程對(duì)水果有保護(hù)作用，隨著采摘時(shí)間的增加，該采摘器采摘的優(yōu)勢(shì)越明顯，采摘效率越高，具有很好的應(yīng)用前景。

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