一款氣動可疊式水果采摘器的設(shè)計

蔡華春，曹炳鑫，周來

(九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西九江 332007)

當(dāng)前，我國水果種植業(yè)由于受種植區(qū)域及種植規(guī)模的影響，很多地區(qū)水果采摘仍主要依靠人工。在水果生產(chǎn)作業(yè)中，采摘是最耗時、最費力的一個環(huán)節(jié)，普遍存在勞動強度大、作業(yè)范圍廣、采摘效率低等問題〔1〕。故在水果采摘中，常采用人工輔助水果采摘器采摘水果，但現(xiàn)有的水果采摘工具，普遍存在價格較高、采摘效率低、便攜性差等問題，有些還會對果樹、果品造成較大損傷。針對現(xiàn)有技術(shù)中采摘器所存在這些問題〔2〕，我們設(shè)計了一款折疊式氣動水果采摘器。

1 采摘器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于現(xiàn)有采摘器結(jié)構(gòu)特點及采摘器作業(yè)場所，設(shè)計如圖1所示的氣動可疊式水果采摘器。該采摘器主要由鉤掛式背帶、氣動系統(tǒng)、手壓氣泵、折疊關(guān)節(jié)、伸縮氣缸、剪切裝置等組成。

圖1 整機總裝結(jié)構(gòu)示意圖1.鉤掛式背帶；2.氣動系統(tǒng)；3.手壓氣泵； 4.折疊關(guān)節(jié)；5.伸縮氣缸；6.剪切裝置。

圖2 整機折疊后的示意圖

先將鉤掛式背帶穿戴于上半身，根據(jù)人體尺寸及現(xiàn)場工況進行背帶松緊調(diào)節(jié)。氣動系統(tǒng)設(shè)在采摘器末段，控制剪切裝置的剪切和高度調(diào)節(jié)，底部插入鉤掛式背帶的萬向座上，安裝拆卸方便。手壓氣泵采用人工手動驅(qū)動氣泵活塞運動。氣泵通過折疊關(guān)節(jié)連接于伸縮氣缸。折疊關(guān)節(jié)設(shè)有自鎖裝置，可實現(xiàn)采摘器的折疊(折疊后如圖2所示)。伸縮氣缸活塞桿為六角形，其與剪切裝置相連，既可實現(xiàn)剪切裝置高度的無級調(diào)節(jié)，又可防止剪切裝置的轉(zhuǎn)動。

1.1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1.1 折疊關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于本人工輔助水果采摘器為細(xì)長結(jié)構(gòu)，而水果采摘又為一項遠(yuǎn)離生活區(qū)的戶外生產(chǎn)活動，細(xì)長的采摘器極易與樹枝掛碰，造成樹枝斷裂或采摘器的損傷，嚴(yán)重影響采摘器的攜帶性，因此本采摘器設(shè)計了圖3所示的折疊關(guān)節(jié)。

該折疊關(guān)節(jié)由關(guān)節(jié)頭、球頭柱塞、滾花平頭螺釘、關(guān)節(jié)座、圓柱銷組成。圓柱銷安裝于關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)座之間；關(guān)節(jié)頭與六角氣缸相連；關(guān)節(jié)座與氣泵相連；關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)座繞圓柱銷做旋轉(zhuǎn)運動；球頭柱塞安裝于關(guān)節(jié)座設(shè)有的螺紋孔內(nèi)，起定位作用。

圖3 折疊關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)爆炸圖1.關(guān)節(jié)頭；2.球頭柱塞；3.滾花平頭螺釘；4.關(guān)節(jié)座；5.圓柱銷

1.1.2 剪切裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

在水果采摘中，將果實與樹枝分離是采摘過程中最重要的動作。本采摘器設(shè)計了圖4所示的剪切裝置用于完成剪切動作。該裝置由手指氣缸、沉頭螺釘、圓頭螺釘、上連桿、刀頭、復(fù)位彈簧、旋轉(zhuǎn)軸、刀座、銷軸、Z型連桿組成。

圖4 剪切裝置結(jié)構(gòu)圖1.手指氣缸；2.沉頭螺釘；3.圓頭螺釘；4.連桿；5.刀頭； 6.復(fù)位彈簧；7.旋轉(zhuǎn)軸；8.刀座；9.銷軸；10.Z型連桿。

該剪切裝置采用手指氣缸作為執(zhí)行元件；手指氣缸的手指分別通過螺釘與兩根Z型連桿10相連；兩根連桿與兩根Z型連桿構(gòu)成四連桿機構(gòu)；刀頭與刀座通過旋轉(zhuǎn)軸交叉連接組成剪刀；交叉處設(shè)有復(fù)位彈簧。手指氣缸反作用連接于四連桿機構(gòu)(手指氣缸的張開力矩約為夾緊力矩的1.5倍)，將手指氣缸輸出力傳輸至剪刀用于剪切；復(fù)位彈簧將刀頭與刀座撐開，用于剪刀復(fù)位。

1.2 氣動采摘器結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點

(1)氣壓驅(qū)動模式的創(chuàng)新。采用手壓氣泵代替空壓機作為動力源，經(jīng)計算其額定輸出壓力為6MPa，解決了動力補給問題，實現(xiàn)了剪切與升降功能。與傳統(tǒng)采摘器相比較，提高了采摘效率，降低了勞動強度。

(2)支撐機構(gòu)的創(chuàng)新。設(shè)計掛鉤式背帶，將采摘器30%的重量轉(zhuǎn)移至肩部，66%的重量轉(zhuǎn)移至腰部，減小了手部所受的力，降低了人體疲勞感，延長了作業(yè)時間。

(3)剪切機構(gòu)的創(chuàng)新。設(shè)計手指氣缸反用驅(qū)動多連桿剪切機構(gòu)，使剪刀口輸出力達到200N，為剪切提供了足夠的剪切力，保證了剪切的順利進行。

(4)設(shè)計了折疊關(guān)節(jié)及網(wǎng)兜。采摘器折疊后總長為原有的一半，收集裝置面積為原有的40%，大大提高了便攜性。

2 氣動系統(tǒng)設(shè)計

本采摘器選用手壓氣泵為動力源，保證了長時間續(xù)航作業(yè)。根據(jù)功能要求設(shè)計了圖5所示的氣路圖〔3〕，該回路主要由手壓氣泵、空氣過濾器、直動式溢流閥、手動換向閥、節(jié)流閥、手指氣缸、六角氣缸組成。該系統(tǒng)的動力裝置為手壓氣泵，由三個兩位三通手動換向閥控制氣路的通斷狀態(tài)的變化；同時直動式溢流閥調(diào)定氣路系統(tǒng)的最高工作壓力，通過按鈕使采摘器完成剪切、上升、下降三個動作。

圖5 采摘器系統(tǒng)氣路圖

1.手壓氣泵；2.空氣過濾器；3.直動式溢流閥；4、5、6.二位三通手動換向閥；7、8、9.節(jié)流閥；10、11.單向閥；12.手指氣缸；13.六角氣缸。

3 操作方法

采摘時，操作者將鉤掛式背帶穿戴于身，根據(jù)身體尺寸調(diào)節(jié)各背帶松緊，扣緊各掛鉤。將采摘器展開，并鎖緊折疊關(guān)節(jié)處的滾花平頭螺釘(如圖1所示)。隨后，用手操作手壓氣泵1(如圖5所示)，使手壓氣泵內(nèi)部存儲一定量的氣壓，按下?lián)Q向閥5，使換向閥5處于右端位，此時六角氣缸左腔處于導(dǎo)通狀態(tài)，氣體推動活塞向右移動，固定在六角氣缸活塞桿上的剪切裝置隨之上升。待剪切裝置的剪刀頭對準(zhǔn)果實的果蒂后，松開換向閥，六角氣缸處于保壓狀態(tài)，采摘器高度保持不變。果實對準(zhǔn)后，按下?lián)Q向閥4，使手指氣缸左腔處于通氣狀態(tài)，氣體推動活塞向右移動，氣動手指張開，通過四連桿驅(qū)動剪刀頭剪斷果蒂，果實掉入折疊網(wǎng)兜內(nèi)。松開換向閥4，剪刀頭復(fù)位，一個果實的剪切完成。依此方法可以進行下一個果實的剪切。過程中，如果氣壓不足，可以邊操作換向閥按鈕，邊操作手壓氣泵，以得到充足和穩(wěn)定的工作氣壓。當(dāng)折疊網(wǎng)兜內(nèi)果實裝滿時，可以按下?lián)Q向閥6，使換向閥6處于右端位，此時六角氣缸右腔處于導(dǎo)通狀態(tài)，氣體推動活塞向左移動，固定在六角氣缸活塞桿上的剪切裝置隨之下降，待采摘器下降至一定高度時，取出水果。再重復(fù)上述操作，就可以進行果實的長時間采摘。整個采摘結(jié)束后，取下折疊網(wǎng)兜，旋松折疊關(guān)節(jié)上滾花平頭螺釘，使折疊關(guān)節(jié)處于解鎖狀態(tài)，即可將采摘器折疊收攏，然后放置于背包內(nèi)。

4 結(jié)束語

經(jīng)采摘試用統(tǒng)計，采用該采摘器，采摘工作效率提高50%、勞動強度降低80%，且具有成本低、性價比高、便于攜帶等優(yōu)勢；有利于提高果農(nóng)種植的收益和積極性，促進水果種植業(yè)的發(fā)展，并將產(chǎn)生較大的社會應(yīng)用價值。