一种手持拆卸式带枝梗水果采摘器设计*

邹修敏，李 磊，郝红梅，曾献勇

（四川化工职业技术学院机械工程学院，四川 泸州 646099）

粮食、蔬菜与水果合称为三大种植作物[1]，是人们生活必需品。在我国广袤农村种植的水果种类繁多，如苹果、梨、柑橘、樱桃、荔枝、桂圆等，这些水果果实大小不一，果树高矮差异大，水果采摘成了一道难题，特别是高枝、带枝梗水果的采摘难度更大。樱桃、桂圆和荔枝是一种高枝带枝梗水果，目前的采摘方式几乎全是人工采摘，不仅劳动强度大、效率低，而且由于樱桃、荔枝、桂圆果树枝叶茂盛，树枝较小，果实处于树枝末端，人工上树采摘容易坠落。为保证采摘时人身安全，很多果农对那些枝叶茂盛、处于树枝边缘和树枝高处的樱桃、桂圆和荔枝不得不放弃采摘，果实浪费很严重。鉴于此，为降低果农攀爬树枝存在的安全风险和放弃采摘带来的损失，研究一种便于携带、可伸缩、操作简单、成本低廉的高枝水果采摘器，具有重要意义。

1 水果采摘器研究的现状

目前，水果的采摘装置主要有全机械采摘、机器人式采摘、半机械式采摘等形式，它们各有特点，分别适用于不同地理位置、不同种植规模、不同水果类型的采摘。采摘方式主要有撞击式、阵摇式、切割式。撞击式是借助外力直接撞击树干或者直接冲撞果枝，使水果掉落到预先搭好的棚架或者网兜里，这种方法的最大缺点是会对水果表皮造成一定损伤。损伤的水果易腐烂，保存期短，而且这种方法对果树来年结果会造成很大的影响，它主要用于果皮有一定厚度的水果，如柚子、柑橘、苹果等。阵摇式采摘是指借助机械的外力作用，使果树树枝产生快速或者大幅度摇晃，给水果一个加速度或者突然改变运动方向，产生“横向剪切”，使水果从果柄上脱落下来。这种方法的缺点与撞击式一样，会对水果造成一定损伤，导致水果保质期短。切割式是利用切割工具将果树的枝条或者水果的果柄切断，从而将水果采摘下来。切割式虽然会对果树的枝条造成一定损伤，但如果采摘操作得当的话，这种损伤将会大为降低。很多学者和工程师在半机械式采摘方面有研究，杨广文等[2]研究了“剪式伸缩水果采摘器设计”，能有效解决高空水果采摘问题。秦涛等[3]研究了“便捷的套索式水果采摘器设计”，该采摘器由伸缩装置、动力装置、传动装置、剪切装置和收纳装置组成,在直流电机的驱动下，由滚珠丝杆机构运动带动环形套索收缩实现采摘，但结构较为复杂。刘康文等[4]在“高空万能水果采摘器”的研究中，设计了一种实用型水果采摘器用来方便城镇居民采摘水果，该采摘器结构轻巧、省力、使用方便，可实现多方向采摘，适用于不同类型的水果采摘的同时又方便收集水果到篮中。

2 结构设计与工作原理

本项目组设计了一种手持可拆卸式水果采摘器，由施压装置Ⅰ、传动及支撑装置Ⅱ、剪切装置Ⅲ组成，如图1所示。施压装置Ⅰ由固柄及动柄组成的施力装置1、固定筒2组成；传动及支撑装置Ⅱ由传力细钢丝绳3、手持伸缩杆4、连接套筒5组成；剪切装置Ⅲ由复位弹簧7、固定套筒8和剪切器9组成。水果采摘时，利用施力手柄1将力通过细钢丝绳3传递给剪切装置9，当剪切装置两个刃口闭合时，完成一次采摘，再通过弹簧7复位让两个刃口展开，进行下一次采摘。采摘的水果通过重力作用落入收集网6中，设计收集网内水果重量达到5 kg左右时，放下手持伸缩杆从收集网中卸出水果，再进行下次采摘，循环进行，这样就能达到高枝采摘而不损伤水果的目的。手持伸缩杆长度设计为4 m，加上采摘人员自然采摘时离地高度一般为1.5 m~1.8 m。因此，采摘水果高度可以达到5 m~6 m的高度，满足樱桃、荔枝、桂圆等带枝梗水果采摘高度的要求。

图1 伸缩式采摘器结构

3 关键部件的设计及强度计算

3.1 水果枝梗的强度测定及剪切力计算

为了满足水果采摘器轻巧、便于携带的需求及强度要求，对水果枝条进行强度测定，以便于设计。测定结果如表1所示。

表1 水果枝条剪切应力测定

从表1中可以看出，不同直径的剪切应力稍有不同，但差异不大，取其平均值。平均剪切应力为：

假设在枝梗剪切面上的剪切力是均匀分布的，剪切应力为τ，剪切面积为A，可以得到剪切枝梗需要的剪切力F1，它们的关系为：

根据樱桃、荔枝、桂圆等带枝梗水果特点，采摘枝梗直径最大一般不超过10 mm，因此，采摘时需要的最大剪切力为：

3.2 手柄施力计算

根据上式计算结果可以看出，剪切10 mm枝梗时只需要95.77 N剪切力。假设剪切刃着力点与铰接点距离为a，细钢丝绳与铰接点距离为b，施力细钢丝绳与移动刃最大角度为60°，如图2（a）所示。根据杠杆原理实现力的转化，则细钢丝绳需要的力为F2：

设计时取a∶b=1∶2,设计参数取a=50 mm，b=100 mm，即：

设计手柄时取施力点长度L与b相同长度，即L=b=100 mm，如图2（b）所示。考虑力传递的损失及钢丝绳的柔性变形，因此取1.2的力传递损失系数，即F3=1.2F2=1.2×95.77=114.924 N。这对采摘的成年人来说，受力能够满足采摘要求。

图2 剪切装置和施力装置受力示意图

3.3 拆卸杆强度的计算及选型

由于带枝梗水果如樱桃、荔枝、桂圆等，其果树都不高，一般不超过5 m，采摘时采摘工人是站立采摘，所以采摘杆只需要4 m长度就能达到至少5 m的采摘高度。在水果采摘过程中，每次采摘的水果进入收集网，当水果收集网内水果收集到一定程度后就需要卸下。其卸下过程的位置示意如图3所示，Ⅰ是采摘位置，Ⅱ是卸下途中位置，Ⅲ是卸下水平位。

图3 水果采摘及卸下过程示意图

卸下过程中，从受力角度分析，在位置Ⅰ时受到的压应力最大，在位置Ⅲ时受到的弯曲应力最大。根据带枝梗水果特点，设定采摘时每次收集网中的水果不超过5 kg，加上其他附属设备的重量，在伸缩管杆末端的重量最高仅达到6 kg。根据采摘人员身高和手臂长度特点，手握点到末端的距离N设定为0.5 m，手握点到采摘点距离M设定为3.5 m，其受力分析如图4所示。

图4 受力分析示意图

3.3.1 采摘位置Ⅰ的强度计算

在位置Ⅰ采摘时，伸缩杆在手握点下侧受到轴向压缩应力σ1和σ2弯曲应力作用，如图4（a）所示。

设采摘时伸缩杆受到的压缩力为F，根据力平衡原理∑F=0。

则：

“-”表示受到压应力作用。

选择材料为304（0Cr18Ni9）、规格为O38×2的不锈钢管，则钢管的截面积：

弯矩：

钢管抗弯模量：

拆卸伸缩杆选用材料为304（0Cr18Ni9）、规格为O38×2的不锈钢管，常温下其许用应力为[σ]=137 MPa。钢管承受的最大应力：

伸缩杆选用材料为304（0Cr18Ni9）、规格为O38×2的不锈钢管，在采摘位置Ⅰ时强度满足要求。

3.3.2 卸下位置Ⅲ强度计算

在卸下位置Ⅲ时伸缩杆仅受到弯曲应力作用，而且此位置弯曲应力最大，如图4（b）所示。则弯曲应力为：

伸缩杆选用材料为304（0Cr18Ni9）、规格为O38×2的不锈钢管，在位置Ⅲ时满足弯曲强度的要求。

3.3.3 卸下途中的强度计算

在卸下过程即位置Ⅱ时的强度即前面计算的两个最大值也能满足要求，即：

因此，伸缩杆选用材料为304（0Cr18Ni9）、规格为O38×2的不锈钢管，在位置Ⅱ时满足弯曲强度的要求。

通过计算，伸缩杆选用材料为304（0Cr18Ni9）、规格为O38×2的不锈钢管，在位置Ⅰ、位置Ⅱ、位置Ⅲ都能满足强度要求，所选规格合适。

4 结论

项目组设计了一种轻便的、操作简单的便携式带枝梗水果采摘器，它主要由施压部分Ⅰ、传动及支撑部分Ⅱ、剪切部分Ⅲ组成。根据樱桃、荔枝、桂圆等带枝梗水果特点，采摘过程中设定水果收集器每次采摘满5 kg后卸下，循环进行。伸缩杆选用材料为304（0Cr18Ni9）、规格为O38×2的不锈钢管，对采摘位置、卸下位置、卸下过程中位置进行了强度计算。计算结果表明，所选用伸缩杆强度完全能够满足要求。伸缩杆长度设计为4 m，根据工人采摘方式及身高特点，采摘高度可达5 m～6 m，能够满足樱桃、荔枝、桂圆等带枝梗水果的采摘要求。根据需要可以加长伸缩杆，以满足更高水果树的采摘要求。