重力下落雙“V”型爪蘋(píng)果采摘器的研制

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(píng)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(gè)取果，采摘器桿子為可伸縮桿或?yàn)楣潭U長(zhǎng)的桿子。其價(jià)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(dòng)量等問(wèn)題。

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

1 設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu)原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

人工采摘蘋(píng)果時(shí)，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(kāi)，輕輕取下果實(shí)[1]。樹(shù)上每顆蘋(píng)果的大小都不一樣，那么采摘器在抓取蘋(píng)果時(shí)必須能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)大小的功能。普通采摘器有些是通過(guò)網(wǎng)兜進(jìn)行盛裝蘋(píng)果，待網(wǎng)兜里蘋(píng)果重量到達(dá)一定值的時(shí)候，采摘者再收回桿子，取出網(wǎng)兜里的蘋(píng)果，這種網(wǎng)兜收集蘋(píng)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(zhǎng)度比較長(zhǎng)，隨著網(wǎng)兜蘋(píng)果數(shù)量的增多，力矩會(huì)成倍的增大，因此工作時(shí)需要頻繁地收縮桿子進(jìn)行取果，這個(gè)步驟耗時(shí)耗力，若利用蘋(píng)果自身重力下落進(jìn)行收取，便可省去人工手動(dòng)收縮桿子這個(gè)步驟。

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

1.2 結(jié)構(gòu)原理

重力下落V型爪蘋(píng)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(gè)滑輪組成，上滑輪是保證采摘器在采摘過(guò)程中由于樹(shù)枝樹(shù)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(guò)桿子，減小其在作業(yè)時(shí)上下滑動(dòng)的摩擦阻力，這是保證雙爪在工作時(shí)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(píng)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(gè)爪子在桿子上方，另一個(gè)在下方，待上方爪子完成工作時(shí)，下方的爪子自動(dòng)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(lái)調(diào)節(jié)桿子的總長(zhǎng)，根據(jù)蘋(píng)果樹(shù)的高矮來(lái)決定中節(jié)的節(jié)數(shù)，每一節(jié)長(zhǎng)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(píng)果樹(shù)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(gè)爪子連接在鋼絲繩2的兩端，鋼絲繩跨過(guò)雙滑輪1（圖2）。采摘者將連接好的采摘器舉起，對(duì)準(zhǔn)成熟的蘋(píng)果，將蘋(píng)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(píng)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(píng)果越來(lái)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(shí)，上方的爪子與網(wǎng)兜會(huì)自動(dòng)地沿著桿子的滑槽往下滑動(dòng)，而此時(shí)處于下方的爪子與網(wǎng)兜會(huì)自動(dòng)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(guò)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(shí)，桿子與水平面之間的夾角是80°，剪切變形時(shí)，作用于桿件的是一對(duì)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(guò)計(jì)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(shí)重力大于滑輪與槽之間的摩擦力，工作端自動(dòng)下落，另一未工作端自動(dòng)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(dòng)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(píng)果樹(shù)，雙頭螺柱連接，便捷安全可靠。

圖4 螺柱受力分析簡(jiǎn)圖

5 結(jié)語(yǔ)

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

[1]彭磊.欠驅(qū)動(dòng)蘋(píng)果采摘末端執(zhí)行器研究和設(shè)計(jì)[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(guó)定，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.