便攜式太陽(yáng)能伸縮幼果套袋機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

石宇夢(mèng) 徐國(guó)祺 楊 佳 李天成

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于生活質(zhì)量的追求也與日俱增，對(duì)于水果而言，對(duì)其質(zhì)量的要求也愈發(fā)提高，因此，這對(duì)于水果保鮮的綠色套袋保鮮技術(shù)也提出了新的要求。對(duì)于幼果進(jìn)行套袋式維護(hù)，更有利于果實(shí)的健康成長(zhǎng)和著色，為幼果套袋可促進(jìn)果實(shí)著色，提高果面光潔度，降低農(nóng)藥殘留，預(yù)防日灼，減輕冰雹等機(jī)械損傷以及蟲、鳥、鼠等對(duì)果實(shí)的危害，是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、無公害果品、擴(kuò)大果品外銷、保持果業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的重要途徑[1-4]。目前，采用人工勞動(dòng)為果實(shí)套袋仍然占了相當(dāng)?shù)谋壤?，這種方法具有強(qiáng)度大、效率低、風(fēng)險(xiǎn)高和操作難等諸多缺點(diǎn)。其操作效率低、危險(xiǎn)系數(shù)大[5]，甚至還會(huì)延誤水果流向市場(chǎng)的最佳時(shí)期，造成經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)有機(jī)械式果實(shí)套袋裝置需滿足紙袋均被逐只單獨(dú)撐開后才能利用果實(shí)套袋裝置往果實(shí)上套袋，無法實(shí)現(xiàn)多只果實(shí)套袋逐漸滑出來進(jìn)行連續(xù)性套袋[6]；現(xiàn)有加熱式果實(shí)套袋裝置需滿足在電池或電源動(dòng)力下才能完成套袋過程，且局限于樹體一定高度范圍內(nèi)的果實(shí)套袋[7]。而且設(shè)備較為笨重，耗電量大，整體上不能趨于自動(dòng)化，不能在小型果農(nóng)中廣泛應(yīng)用等。對(duì)此，本研究采用卷筒式伸縮方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)出袋；以及安裝伸縮裝置實(shí)現(xiàn)給高處樹木果實(shí)套袋；采用環(huán)保、輕質(zhì)的材料減輕機(jī)身重量；同時(shí)安裝太陽(yáng)能電池解決在戶外使用時(shí)幼果套袋機(jī)的供能問題。該設(shè)備后期的維護(hù)簡(jiǎn)單方便，在滿足人性化設(shè)計(jì)的同時(shí)提高工作效率。

1 便攜式幼果套袋機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)說明

便攜式太陽(yáng)能伸縮幼果套袋機(jī)包括壓架(1)、伸縮按鈕(2)、啟動(dòng)按鈕(3)、手柄(4)、柔性太陽(yáng)能電池(5)、蓄電池、2個(gè)支架(6)、2個(gè)伸縮桿(7)、矩形底架、叉板(8)、殼體(9)、卷筒裝置(10)和壓板(11)。如圖1和圖2所示。

圖1 幼果套袋機(jī)結(jié)構(gòu)圖(1)Fig.1 Structure drawing of young fruit bagging machine

圖2 卷筒裝置結(jié)構(gòu)圖(2)Fig.2 Structure drawing of drum unit

該裝置殼體上部安裝有柔性太陽(yáng)能電池，殼體內(nèi)部安裝有蓄電池，通過柔性太陽(yáng)能電池吸收太陽(yáng)光為蓄電池供電，在殼體上方安裝有手柄，手柄上設(shè)置有啟動(dòng)按鈕和伸縮按鈕，用來控制卷筒和伸縮桿的收放。殼體的兩側(cè)分別安裝有支架，每個(gè)支架的凹槽內(nèi)安裝有伸縮桿，能夠在伸縮桿電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成伸縮，2個(gè)伸縮桿的中間安裝有矩形底架，矩形底架的前方安裝有叉板，支架的前部的上方安裝有壓架，壓架的前端下方安裝有壓板，殼體內(nèi)安裝有壓架電機(jī)、卷筒啟動(dòng)電機(jī)和伸縮桿電機(jī)，其均由柔性太陽(yáng)能電池供電，伸縮按鈕分為伸長(zhǎng)控制鍵和收回控制鍵，分別用來控制伸縮桿電機(jī)以完成2個(gè)伸縮桿的伸長(zhǎng)和收回，啟動(dòng)按鈕控制壓架電機(jī)和卷筒啟動(dòng)電機(jī)，完成卷筒裝置輸送套袋以及壓架的開合。

1.2 局部裝置設(shè)計(jì)原理

1.2.1 伸縮裝置設(shè)計(jì)

幼果套袋機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖1中2支架6凹槽內(nèi)部嵌入類似魚竿結(jié)構(gòu)的伸縮桿7，伸縮桿7上刻下牙槽。殼體內(nèi)設(shè)置有伸縮電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)齒輪，齒輪與伸縮桿的牙槽嚙合。在按下伸縮按鈕2的伸長(zhǎng)鍵的時(shí)候，伸縮電動(dòng)機(jī)開始工作，帶動(dòng)齒輪和軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所述伸縮桿7與壓刀連接，當(dāng)伸縮桿7向前伸長(zhǎng)，將壓刀向前送出，同時(shí)在壓刀處的果袋由于設(shè)置在卷軸上，會(huì)遞送并帶出后面相連的果袋，實(shí)現(xiàn)卷筒與壓刀之間的果袋輸送。回縮時(shí)按下回縮鍵，此時(shí)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪和軸一起反向轉(zhuǎn)動(dòng)，伸縮桿7帶著壓刀開始回縮，同時(shí)殼體內(nèi)部的軸開始以伸縮桿7相同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，將伸長(zhǎng)時(shí)送出的套袋向回“卷”，完成壓刀和套袋的回縮。

1.2.2 柔性太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)

柔性太陽(yáng)能電池具有質(zhì)量輕盈、柔性高、韌性強(qiáng)和易加工等諸多優(yōu)良性能的特點(diǎn)，將柔性太陽(yáng)能電池安裝在伸縮裝置的主機(jī)位置上提供電能，同時(shí)配有蓄電池，既可以利用清潔能源太陽(yáng)能，還可以將電能儲(chǔ)存在電池里，同時(shí)配有充電口進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)雙向供能。果農(nóng)在套袋之前，利用柔性太陽(yáng)能電池可為其儲(chǔ)蓄電量。在套袋過程中，果園的太陽(yáng)光相對(duì)充足，可以實(shí)現(xiàn)較為持續(xù)的供能。利用太陽(yáng)能作為動(dòng)力來代替利用電池直接供電的方式，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。利用太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)，在保證設(shè)備基本功能不變的條件下，增加對(duì)太陽(yáng)能的充分利用，降低成本，提高機(jī)器的應(yīng)用價(jià)值。

1.2.3 輕質(zhì)材料設(shè)計(jì)

碳纖維材料集碳材料的強(qiáng)抗拉力和纖維材料的柔性易加工兩大優(yōu)良性能于一身,是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料,同時(shí)碳纖維具有高的比強(qiáng)度和比模量,因此具有強(qiáng)度大、模量高、密度低和線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn),可以減輕設(shè)備的重量。

1.3 操作過程

果農(nóng)首先在殼體內(nèi)固定帶有紙袋的卷筒裝置，將卷筒裝置固定后啟動(dòng)開關(guān)按鈕，機(jī)器開始啟動(dòng)。按動(dòng)上部的啟動(dòng)按鈕，卷筒裝置上的紙袋開始向前輸送，當(dāng)輸送到固定位置時(shí)，壓板上帶有磁鐵，將帶有鐵絲的袋子上下吸開，達(dá)到張開袋口的目的。此時(shí)找準(zhǔn)幼果，將果柄部分放入叉板中間位置，按動(dòng)啟動(dòng)按鈕，壓架向下運(yùn)動(dòng)同時(shí)帶動(dòng)壓板，壓板將紙袋口封住。

當(dāng)遇到高處幼果時(shí)，啟動(dòng)伸縮按鈕，伸縮桿將向前延伸，伸縮桿下端刻有凹槽，此時(shí)果袋也向前延伸，壓刀會(huì)將紙袋間的連接處切斷，按動(dòng)啟動(dòng)按鈕，壓板磁鐵吸開紙袋，將果柄放入壓夾中間位置，按動(dòng)啟動(dòng)按鈕，壓夾向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)壓板，完成封口，將果袋取出。此時(shí)按動(dòng)伸縮按鈕，伸長(zhǎng)出來的紙袋將會(huì)縮回，伸縮桿也同時(shí)縮回，便可繼續(xù)進(jìn)行幼果套袋。

1.4 注意事項(xiàng)

本設(shè)計(jì)方案展示的幼果套袋適用于體積較小的幼果套袋，對(duì)于大體積果實(shí)不具有兼容性。在操作過程中，每次安裝果袋75～100個(gè)，由于設(shè)備連續(xù)套袋，因此需要在果袋連接處留有切口，便于逐個(gè)套袋。在設(shè)備運(yùn)行過程中，應(yīng)盡量確保目標(biāo)套袋果實(shí)處于專用套袋中央，同時(shí)確保果柄處于專用套袋中央[8]，伸縮桿應(yīng)保持較低摩擦力，以便伸縮裝置能自由伸縮。因套袋機(jī)設(shè)置有較多鋁合金零件，套袋機(jī)應(yīng)置于干燥通風(fēng)處，要避免套袋機(jī)受到擠壓，造成變形無法使用。

2 使攜式太陽(yáng)能伸縮幼果套袋機(jī)的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

2.1 特點(diǎn)

本研究的便攜式太陽(yáng)能伸縮幼果套袋機(jī)，為了能夠更加自如的實(shí)現(xiàn)幼果套袋機(jī)的伸縮，方便高處幼果套袋，內(nèi)部添加了伸縮裝置，在低處也可以輕松給高處幼果套袋，巧妙地解決了在高處幼果套袋時(shí)不方便的問題。伸縮裝置采用高強(qiáng)度鋁合金，減輕了機(jī)身的重量。

本研究將傳統(tǒng)的平行出袋方式改為卷筒式出袋結(jié)構(gòu)，卷筒電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)出袋，節(jié)省空間。

在設(shè)備的供能方面，本設(shè)備采用柔性太陽(yáng)能電池,用太陽(yáng)能為裝置提供能源,做到了綠色環(huán)保、清潔無污染,且具有充電功能。柔性太陽(yáng)能電池質(zhì)量較輕、柔性可塑、適用性廣,可以極大地減輕機(jī)身的重量。果農(nóng)套袋時(shí),果園太陽(yáng)光較為充足,可以利用太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng),同時(shí)配有太陽(yáng)能電池,滿足陽(yáng)光不充足條件下的使用，從而實(shí)現(xiàn)雙向供電。

與傳統(tǒng)的套袋機(jī)相比，本設(shè)備采用輕型碳纖維材料和輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金材料，具有輕便簡(jiǎn)潔、操作性強(qiáng)、適用性廣和高效環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。碳纖維材料集碳材料的強(qiáng)抗拉力和纖維材料的柔性易加工兩大優(yōu)良性能集一身，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。同時(shí)碳纖維具有較高的比強(qiáng)度和比模量,因此具有強(qiáng)度大、模量高、密度低和線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn),可以減輕設(shè)備的重量。

2.2 優(yōu)勢(shì)

本便攜式太陽(yáng)能伸縮幼果套袋機(jī)是一款輕質(zhì)、環(huán)保、可伸縮、帶有自動(dòng)充電功能的幼果套袋機(jī)。通過改變傳統(tǒng)的果袋傳送方式，用一種卷筒的方式將果袋輸出，可以節(jié)約空間，使機(jī)身更加小巧便攜。同時(shí)增加了伸縮裝置，可以滿足較高果樹的套袋需求，解決了果農(nóng)們?cè)诟咛幗o幼果套袋的風(fēng)險(xiǎn)。在卷筒裝置上方安裝柔性太陽(yáng)能電池，收集能量，自主提供電力供應(yīng)，并配有蓄電池，滿足日光不足情況下設(shè)備的電力供應(yīng)，并且更加環(huán)保。采用碳纖維以及輕質(zhì)鋁合金材料作為機(jī)身材質(zhì)，達(dá)到給機(jī)器瘦身的目的。該幼果套袋機(jī)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化，極大地提高了幼果套袋的效率，節(jié)省了大量勞動(dòng)力，而且操作簡(jiǎn)便、安全，無需培訓(xùn)即可使用。

3 結(jié)語(yǔ)

本裝置通過柔性太陽(yáng)能電池進(jìn)行電力供應(yīng)，不僅減輕了機(jī)身重量，而且利用清潔能源太陽(yáng)能進(jìn)行供電，對(duì)環(huán)境無污染，符合當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展需要。卷筒設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)方式的平行出袋方式，更好的利用機(jī)身空間，減小機(jī)身尺寸。鋁合金的伸縮桿裝置也能減輕機(jī)身重量，同時(shí)解決了高處幼果不便于套袋的問題 ?；谝陨峡紤]與設(shè)計(jì)，希望能給果農(nóng)們帶來方便，減輕果農(nóng)的作業(yè)負(fù)擔(dān)，提高工作效率，保證水果品質(zhì)，滿足消費(fèi)者的需求，同時(shí)也希望通過進(jìn)一步的改進(jìn)，能將幼果套袋機(jī)應(yīng)用于其他領(lǐng)域，做出更多的創(chuàng)新。