一種手持拆卸式帶枝梗水果采摘器設(shè)計*

鄒修敏，李 磊，郝紅梅，曾獻(xiàn)勇

（四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川 瀘州 646099）

糧食、蔬菜與水果合稱為三大種植作物[1]，是人們生活必需品。在我國廣袤農(nóng)村種植的水果種類繁多，如蘋果、梨、柑橘、櫻桃、荔枝、桂圓等，這些水果果實大小不一，果樹高矮差異大，水果采摘成了一道難題，特別是高枝、帶枝梗水果的采摘難度更大。櫻桃、桂圓和荔枝是一種高枝帶枝梗水果，目前的采摘方式幾乎全是人工采摘，不僅勞動強(qiáng)度大、效率低，而且由于櫻桃、荔枝、桂圓果樹枝葉茂盛，樹枝較小，果實處于樹枝末端，人工上樹采摘容易墜落。為保證采摘時人身安全，很多果農(nóng)對那些枝葉茂盛、處于樹枝邊緣和樹枝高處的櫻桃、桂圓和荔枝不得不放棄采摘，果實浪費(fèi)很嚴(yán)重。鑒于此，為降低果農(nóng)攀爬樹枝存在的安全風(fēng)險和放棄采摘帶來的損失，研究一種便于攜帶、可伸縮、操作簡單、成本低廉的高枝水果采摘器，具有重要意義。

1 水果采摘器研究的現(xiàn)狀

目前，水果的采摘裝置主要有全機(jī)械采摘、機(jī)器人式采摘、半機(jī)械式采摘等形式，它們各有特點(diǎn)，分別適用于不同地理位置、不同種植規(guī)模、不同水果類型的采摘。采摘方式主要有撞擊式、陣搖式、切割式。撞擊式是借助外力直接撞擊樹干或者直接沖撞果枝，使水果掉落到預(yù)先搭好的棚架或者網(wǎng)兜里，這種方法的最大缺點(diǎn)是會對水果表皮造成一定損傷。損傷的水果易腐爛，保存期短，而且這種方法對果樹來年結(jié)果會造成很大的影響，它主要用于果皮有一定厚度的水果，如柚子、柑橘、蘋果等。陣搖式采摘是指借助機(jī)械的外力作用，使果樹樹枝產(chǎn)生快速或者大幅度搖晃，給水果一個加速度或者突然改變運(yùn)動方向，產(chǎn)生“橫向剪切”，使水果從果柄上脫落下來。這種方法的缺點(diǎn)與撞擊式一樣，會對水果造成一定損傷，導(dǎo)致水果保質(zhì)期短。切割式是利用切割工具將果樹的枝條或者水果的果柄切斷，從而將水果采摘下來。切割式雖然會對果樹的枝條造成一定損傷，但如果采摘操作得當(dāng)?shù)脑?，這種損傷將會大為降低。很多學(xué)者和工程師在半機(jī)械式采摘方面有研究，楊廣文等[2]研究了“剪式伸縮水果采摘器設(shè)計”，能有效解決高空水果采摘問題。秦濤等[3]研究了“便捷的套索式水果采摘器設(shè)計”，該采摘器由伸縮裝置、動力裝置、傳動裝置、剪切裝置和收納裝置組成,在直流電機(jī)的驅(qū)動下，由滾珠絲桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動帶動環(huán)形套索收縮實現(xiàn)采摘，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。劉康文等[4]在“高空萬能水果采摘器”的研究中，設(shè)計了一種實用型水果采摘器用來方便城鎮(zhèn)居民采摘水果，該采摘器結(jié)構(gòu)輕巧、省力、使用方便，可實現(xiàn)多方向采摘，適用于不同類型的水果采摘的同時又方便收集水果到籃中。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

本項目組設(shè)計了一種手持可拆卸式水果采摘器，由施壓裝置Ⅰ、傳動及支撐裝置Ⅱ、剪切裝置Ⅲ組成，如圖1所示。施壓裝置Ⅰ由固柄及動柄組成的施力裝置1、固定筒2組成；傳動及支撐裝置Ⅱ由傳力細(xì)鋼絲繩3、手持伸縮桿4、連接套筒5組成；剪切裝置Ⅲ由復(fù)位彈簧7、固定套筒8和剪切器9組成。水果采摘時，利用施力手柄1將力通過細(xì)鋼絲繩3傳遞給剪切裝置9，當(dāng)剪切裝置兩個刃口閉合時，完成一次采摘，再通過彈簧7復(fù)位讓兩個刃口展開，進(jìn)行下一次采摘。采摘的水果通過重力作用落入收集網(wǎng)6中，設(shè)計收集網(wǎng)內(nèi)水果重量達(dá)到5 kg左右時，放下手持伸縮桿從收集網(wǎng)中卸出水果，再進(jìn)行下次采摘，循環(huán)進(jìn)行，這樣就能達(dá)到高枝采摘而不損傷水果的目的。手持伸縮桿長度設(shè)計為4 m，加上采摘人員自然采摘時離地高度一般為1.5 m~1.8 m。因此，采摘水果高度可以達(dá)到5 m~6 m的高度，滿足櫻桃、荔枝、桂圓等帶枝梗水果采摘高度的要求。

圖1 伸縮式采摘器結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計及強(qiáng)度計算

3.1 水果枝梗的強(qiáng)度測定及剪切力計算

為了滿足水果采摘器輕巧、便于攜帶的需求及強(qiáng)度要求，對水果枝條進(jìn)行強(qiáng)度測定，以便于設(shè)計。測定結(jié)果如表1所示。

表1 水果枝條剪切應(yīng)力測定

從表1中可以看出，不同直徑的剪切應(yīng)力稍有不同，但差異不大，取其平均值。平均剪切應(yīng)力為：

假設(shè)在枝梗剪切面上的剪切力是均勻分布的，剪切應(yīng)力為τ，剪切面積為A，可以得到剪切枝梗需要的剪切力F1，它們的關(guān)系為：

根據(jù)櫻桃、荔枝、桂圓等帶枝梗水果特點(diǎn)，采摘枝梗直徑最大一般不超過10 mm，因此，采摘時需要的最大剪切力為：

3.2 手柄施力計算

根據(jù)上式計算結(jié)果可以看出，剪切10 mm枝梗時只需要95.77 N剪切力。假設(shè)剪切刃著力點(diǎn)與鉸接點(diǎn)距離為a，細(xì)鋼絲繩與鉸接點(diǎn)距離為b，施力細(xì)鋼絲繩與移動刃最大角度為60°，如圖2（a）所示。根據(jù)杠桿原理實現(xiàn)力的轉(zhuǎn)化，則細(xì)鋼絲繩需要的力為F2：

設(shè)計時取a∶b=1∶2,設(shè)計參數(shù)取a=50 mm，b=100 mm，即：

設(shè)計手柄時取施力點(diǎn)長度L與b相同長度，即L=b=100 mm，如圖2（b）所示?？紤]力傳遞的損失及鋼絲繩的柔性變形，因此取1.2的力傳遞損失系數(shù)，即F3=1.2F2=1.2×95.77=114.924 N。這對采摘的成年人來說，受力能夠滿足采摘要求。

圖2 剪切裝置和施力裝置受力示意圖

3.3 拆卸桿強(qiáng)度的計算及選型

由于帶枝梗水果如櫻桃、荔枝、桂圓等，其果樹都不高，一般不超過5 m，采摘時采摘工人是站立采摘，所以采摘桿只需要4 m長度就能達(dá)到至少5 m的采摘高度。在水果采摘過程中，每次采摘的水果進(jìn)入收集網(wǎng)，當(dāng)水果收集網(wǎng)內(nèi)水果收集到一定程度后就需要卸下。其卸下過程的位置示意如圖3所示，Ⅰ是采摘位置，Ⅱ是卸下途中位置，Ⅲ是卸下水平位。

圖3 水果采摘及卸下過程示意圖

卸下過程中，從受力角度分析，在位置Ⅰ時受到的壓應(yīng)力最大，在位置Ⅲ時受到的彎曲應(yīng)力最大。根據(jù)帶枝梗水果特點(diǎn)，設(shè)定采摘時每次收集網(wǎng)中的水果不超過5 kg，加上其他附屬設(shè)備的重量，在伸縮管桿末端的重量最高僅達(dá)到6 kg。根據(jù)采摘人員身高和手臂長度特點(diǎn)，手握點(diǎn)到末端的距離N設(shè)定為0.5 m，手握點(diǎn)到采摘點(diǎn)距離M設(shè)定為3.5 m，其受力分析如圖4所示。

圖4 受力分析示意圖

3.3.1 采摘位置Ⅰ的強(qiáng)度計算

在位置Ⅰ采摘時，伸縮桿在手握點(diǎn)下側(cè)受到軸向壓縮應(yīng)力σ1和σ2彎曲應(yīng)力作用，如圖4（a）所示。

設(shè)采摘時伸縮桿受到的壓縮力為F，根據(jù)力平衡原理∑F=0。

則：

“-”表示受到壓應(yīng)力作用。

選擇材料為304（0Cr18Ni9）、規(guī)格為O38×2的不銹鋼管，則鋼管的截面積：

彎矩：

鋼管抗彎模量：

拆卸伸縮桿選用材料為304（0Cr18Ni9）、規(guī)格為O38×2的不銹鋼管，常溫下其許用應(yīng)力為[σ]=137 MPa。鋼管承受的最大應(yīng)力：

伸縮桿選用材料為304（0Cr18Ni9）、規(guī)格為O38×2的不銹鋼管，在采摘位置Ⅰ時強(qiáng)度滿足要求。

3.3.2 卸下位置Ⅲ強(qiáng)度計算

在卸下位置Ⅲ時伸縮桿僅受到彎曲應(yīng)力作用，而且此位置彎曲應(yīng)力最大，如圖4（b）所示。則彎曲應(yīng)力為：

伸縮桿選用材料為304（0Cr18Ni9）、規(guī)格為O38×2的不銹鋼管，在位置Ⅲ時滿足彎曲強(qiáng)度的要求。

3.3.3 卸下途中的強(qiáng)度計算

在卸下過程即位置Ⅱ時的強(qiáng)度即前面計算的兩個最大值也能滿足要求，即：

因此，伸縮桿選用材料為304（0Cr18Ni9）、規(guī)格為O38×2的不銹鋼管，在位置Ⅱ時滿足彎曲強(qiáng)度的要求。

通過計算，伸縮桿選用材料為304（0Cr18Ni9）、規(guī)格為O38×2的不銹鋼管，在位置Ⅰ、位置Ⅱ、位置Ⅲ都能滿足強(qiáng)度要求，所選規(guī)格合適。

4 結(jié)論

項目組設(shè)計了一種輕便的、操作簡單的便攜式帶枝梗水果采摘器，它主要由施壓部分Ⅰ、傳動及支撐部分Ⅱ、剪切部分Ⅲ組成。根據(jù)櫻桃、荔枝、桂圓等帶枝梗水果特點(diǎn)，采摘過程中設(shè)定水果收集器每次采摘滿5 kg后卸下，循環(huán)進(jìn)行。伸縮桿選用材料為304（0Cr18Ni9）、規(guī)格為O38×2的不銹鋼管，對采摘位置、卸下位置、卸下過程中位置進(jìn)行了強(qiáng)度計算。計算結(jié)果表明，所選用伸縮桿強(qiáng)度完全能夠滿足要求。伸縮桿長度設(shè)計為4 m，根據(jù)工人采摘方式及身高特點(diǎn)，采摘高度可達(dá)5 m～6 m，能夠滿足櫻桃、荔枝、桂圓等帶枝梗水果的采摘要求。根據(jù)需要可以加長伸縮桿，以滿足更高水果樹的采摘要求。