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一種手持拆卸式帶枝梗水果采摘器設(shè)計*

2021-10-08 03:22:34鄒修敏郝紅梅曾獻(xiàn)勇
南方農(nóng)機 2021年18期
關(guān)鍵詞:枝梗不銹鋼管桂圓

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械采摘、機器人式采摘、半機械式采摘等形式,它們各有特點,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,在直流電機的驅(qū)動下,由滾珠絲桿機構(gòu)運動帶動環(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,再進行下次采摘,循環(huán)進行,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)計及強度計算

3.1 水果枝梗的強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度要求,對水果枝條進行強度測定,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,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)剪切刃著力點與鉸接點距離為a,細(xì)鋼絲繩與鉸接點距離為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,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,手握點到末端的距離N設(shè)定為0.5 m,手握點到采摘點距離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的強度計算

在位置Ⅰ采摘時,伸縮桿在手握點下側(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時強度滿足要求。

3.3.2 卸下位置Ⅲ強度計算

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時滿足彎曲強度的要求。

3.3.3 卸下途中的強度計算

在卸下過程即位置Ⅱ時的強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,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、卸下過程中位置進行了強度計算。計算結(jié)果表明,所選用伸縮桿強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,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。

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