童 欣 黃智鴻 杜 珂 韓 威 林 建

（福建農(nóng)林大學(xué)，福建福州350002）

0 引言

市面上的蘋果采摘器的采摘方式主要以拽拉、剪、切割為主，收集方式為網(wǎng)兜收集和逐個取果，采摘器桿子為可伸縮桿或為固定桿長的桿子。其價格非常低廉，被果農(nóng)或者普通家庭廣泛使用，但它們普遍存在著采摘效率低、不能減少采摘者的勞動量等問題。

針對市面上采摘器所存在的不足，筆者設(shè)計了一種依靠重力下落，擁有雙“V”型爪子的蘋果采摘器，其可極大地提高蘋果的采摘效率，降低采摘者的勞動強(qiáng)度，且可以適應(yīng)不同高度、不同大小的蘋果的采摘作業(yè)。

1 設(shè)計思路與結(jié)構(gòu)原理

1.1 設(shè)計思路

人工采摘蘋果時，用手輕輕握住果實(shí)，食指按住果柄，然后向上掀，使果柄與果枝從離層部位斷開，輕輕取下果實(shí)[1]。樹上每顆蘋果的大小都不一樣，那么采摘器在抓取蘋果時必須能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)節(jié)大小的功能。普通采摘器有些是通過網(wǎng)兜進(jìn)行盛裝蘋果，待網(wǎng)兜里蘋果重量到達(dá)一定值的時候，采摘者再收回桿子，取出網(wǎng)兜里的蘋果，這種網(wǎng)兜收集蘋果的采摘器可以做到連續(xù)工作，提高采摘效率，但是由于采摘器的長度比較長，隨著網(wǎng)兜蘋果數(shù)量的增多，力矩會成倍的增大，因此工作時需要頻繁地收縮桿子進(jìn)行取果，這個步驟耗時耗力，若利用蘋果自身重力下落進(jìn)行收取，便可省去人工手動收縮桿子這個步驟。

市面上的采摘器桿長均固定，即使是伸縮桿也有極限長度，為了適應(yīng)各種高度的樹木，采用可拼接的桿子，根據(jù)果樹高矮來調(diào)整其節(jié)數(shù)。

1.2 結(jié)構(gòu)原理

重力下落V型爪蘋果采摘器主要由雙滑輪、“V”型爪、可拼接爪、連接滑塊四部分組成，如圖1所示。

圖1 采摘器結(jié)構(gòu)圖

（1）雙滑輪。其安裝在采摘器末端，由上下兩個滑輪組成，上滑輪是保證采摘器在采摘過程中由于樹枝樹葉等的干擾使鋼絲繩從下滑輪的滑槽中脫落；下滑輪是使鋼絲繩繞過桿子，減小其在作業(yè)時上下滑動的摩擦阻力，這是保證雙爪在工作時順利上升與下降的重要結(jié)構(gòu)。

（2）“V”型爪子?！癡”型結(jié)構(gòu)可以使各種大小的蘋果卡進(jìn)爪子與網(wǎng)兜之間，雙爪分別固定在鋼絲繩的兩端，一個爪子在桿子上方，另一個在下方，待上方爪子完成工作時，下方的爪子自動上升，準(zhǔn)備下一輪的采摘作業(yè)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效工作。

（3）連接滑塊。其用于連接爪子和桿子，置于桿子的滑槽里。桿子分為三部分：末節(jié)、中節(jié)、手握節(jié)，末節(jié)的頂端裝有雙滑輪，手握節(jié)裝有手握器，中節(jié)用來調(diào)節(jié)桿子的總長，根據(jù)蘋果樹的高矮來決定中節(jié)的節(jié)數(shù)，每一節(jié)長度為一米，節(jié)與節(jié)之間用雙頭螺柱進(jìn)行連接。

2 工作方式

根據(jù)蘋果樹的高矮，調(diào)整桿子中節(jié)的節(jié)數(shù)，用雙頭螺柱進(jìn)行連接，兩個爪子連接在鋼絲繩2的兩端，鋼絲繩跨過雙滑輪1（圖2）。采摘者將連接好的采摘器舉起，對準(zhǔn)成熟的蘋果，將蘋果卡在“V”型爪4（圖3）與網(wǎng)兜5之間，用合適的力量往下拖拽桿子3，使蘋果與果梗分離掉入網(wǎng)兜，連續(xù)進(jìn)行采摘。隨著網(wǎng)兜里的蘋果越來越多，網(wǎng)兜總重力不斷增大，當(dāng)重力大于連接爪子與桿子的滑塊和桿子滑槽之間的摩擦力時，上方的爪子與網(wǎng)兜會自動地沿著桿子的滑槽往下滑動，而此時處于下方的爪子與網(wǎng)兜會自動上升，進(jìn)行下一輪的采摘準(zhǔn)備。

圖2 重力下落雙“V”型爪采摘器

圖3 “V”型爪

3 結(jié)構(gòu)受力分析

由于桿子由末節(jié)、中節(jié)、手握節(jié)三部分用雙頭螺柱拼接構(gòu)成，所以在連接處應(yīng)力集中大，因此需要進(jìn)行此處的受力分析，保證采摘過程的安全。爪子、網(wǎng)兜及每節(jié)桿子質(zhì)量為1.5 kg，作業(yè)時，桿子與水平面之間的夾角是80°，剪切變形時，作用于桿件的是一對垂直于桿件軸線的橫向力[2]，受力分析如圖4所示。

F1=Fcos 10°=14.7 N F2=Fsin 10°=2.55 N剪力為：

σ=0.292 4 MPa

通過計算可得螺柱受到的剪力極小，雙頭螺柱的材料為45鋼，已知45鋼的許用應(yīng)力為580 MPa，因此桿子連接處可靠，可保證采摘工作的安全。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）重力下落，采下果子后，雙爪及網(wǎng)兜重量增大，由于此時重力大于滑輪與槽之間的摩擦力，工作端自動下落，另一未工作端自動上升，實(shí)現(xiàn)連續(xù)采果，提高采摘效率；

（2）未使用任何電機(jī)，純機(jī)械設(shè)備，省力，降低成本；

（3）果子借助重力自動下降，極大地降低了工作強(qiáng)度；

（4）桿子可拼接，便于攜帶，且可適應(yīng)不同高度的蘋果樹，雙頭螺柱連接，便捷安全可靠。

圖4 螺柱受力分析簡圖

5 結(jié)語

本文針對現(xiàn)今市場上的蘋果采摘器所存在的不足進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計了利用重力取果、雙爪摘果的新型蘋果采摘器，效率高，成本低廉且省力。希望這種新型蘋果采摘器能為果農(nóng)的采摘工作帶來便利，減輕他們的采摘負(fù)擔(dān)。

[1]彭磊.欠驅(qū)動蘋果采摘末端執(zhí)行器研究和設(shè)計[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[2]劉鴻文.材料力學(xué)Ⅰ[M].5版.北京：高等教育出版社，2010.

[3]濮良貴，陳國定，吳立言.機(jī)械設(shè)計[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.