可伸缩便携式刺梨采摘器的设计

刘建国

（云南建投第七建设有限公司，云南 昆明 650100）

0 引言

刺梨是云贵高原等地区的天然野果，贵州的刺梨品种最多，果实产量居全国之首，刺梨树高1～2.5 m，果实呈扁球形或圆锥形，表面布满毛刺[1-2]。由于风味独特并且具有较高的营养价值和医用价值，刺梨深受广大消费者喜爱，在四川、河南等地有大量的人工种植，至今仍广泛分布于山区[3-5]。但是由于刺梨生长在带刺的刺梨树枝上，树枝生长又参差不齐，部分树枝直立生长，部分树枝则向四周生长，通常一株刺梨树呈“笼状”，刺梨本身表面又布满毛刺，这些都给刺梨的采摘收获工作带来了巨大的不便。在丰产刺梨的贵州山地，目前还是采用人工戴上较厚的防刺手套进行采摘，这种手工作业方法不仅耗费过多的人力，而且工作效率低，不能满足现代产业化的作业要求。

近年来，刺梨产业发展迅速，多用于果汁饮品、化妆品，刺梨中有效成分的药用价值及其基础研究也开展得如火如荼。

国内外学者对刺梨的研究主要集中在刺梨种植管理及养护[6-7]、刺梨产品的加工和保存[8-9]、刺梨中一些成分在临床医学中的应用[10-11]、刺梨生物活性成分的开发[12]等方面，对刺梨采摘方面相关设备的研究相对较少，导致切实可用的采摘器捉襟见肘。

现有的一种便携式变径球形刺梨采摘器，携带方便，且据报道能有效进行刺梨采摘，其在采摘过程中也能一定程度上避免损坏刺梨树枝，但其伸缩杆调节长度太短，不利于特殊高度和特殊地形下的刺梨采摘[13]。

贵州大学罗兵、张建敏基于TRIZ和AD理论设计出耙型刺梨采摘机[14]，从其工作原理可见，该刺梨采摘机采摘中易折断刺梨树枝丫，导致来年刺梨减产。

贵州师范大学的黄远翔等人设计了一种便捷式刺梨采摘机，采用三个成一定角度的球形滑动刀头来切断刺梨果柄茎，采摘后的刺梨通过管道进入收集器，并实现初步分级[15]，但从其工作原理可见，对于个体较大的刺梨，三滑动刀滑动切断果柄时会把刺梨果实压碎，压碎的刺梨在空气中易被氧化、腐败，影响采摘质量，不符合采摘作业要求。

可见，现有为数不多的刺梨采摘机，都或多或少地存在着一些小弊端，给生产应用带来了不便，不满足刺梨大面积种植后采摘的工业化作业需求。

综上，本文拟设计一种结构简单、轻巧，使用方便，可根据刺梨与人手间的距离来调节伸缩杆长度，且采摘过程中不会损伤刺梨树枝丫，更不会压碎个体较大刺梨的可伸缩便携式刺梨采摘器，旨在为刺梨大面积种植后工业化采摘提供一定的实践指导，并为相关采摘器的设计提供一定的技术参考。

1 总体结构及工作原理

1.1 总体结构

本设计的可伸缩便携式刺梨采摘器主要由伸缩杆、收集器、剪切器和绕线装置等部分组成，如图1所示。

图1 刺梨采摘器总体结构

伸缩杆是由固定杆（5）、伸缩杆A（6）和伸缩杆B（7）三段空心方管组成，三段杆的内外壁相互形成紧滑动配合，可在0.6～1.5 m长度范围内实现自由伸缩，固定杆安装在握杆（4）上。剪切器由杆头（9）、转轴（10）、弹簧（11）、活动剪（12）和固定剪（14）组成杆头（9）与伸缩杆B（7）固定配合，杆头（9）上紧固安装转轴（10）和固定剪（14），转轴（10）上安装带钩头的活动剪（12），固定剪上安放收集袋（13）。绕线部分由带拉线的绕线轮（3）、手柄（1）、转销（2）和拉线（8）组成，拉线（8）可随着伸缩杆长度的变化，通过转动绕线轮（3）实现对应伸缩。其中转销（2）固定安装在握杆（4）上，转销（2）上安装带有5个均匀分布正六边形孔的绕线轮（3），绕线轮（3）上缠绕拉线（8）和安装手柄（1），拉线（8）的另一端连接在活动剪（12）的不带切削刃口的一个端头。

1.2 工作原理

采摘刺梨作业前，依据需采摘刺梨与人手间的距离，调节伸缩杆A（6）和伸缩杆B（7）的伸出长度来获得一段适宜的杆长。此时，绕线轮（3）绕转销（2）转动来拉紧或放松拉线（8），使活动剪（12）与固定剪（14）间呈一定角度；随后，把手柄（1）以一定方位安装到绕线轮（3）上的某一正六边形孔内，以待进行刺梨采摘。

采摘刺梨时，手四指弯曲拿着握杆（4），大拇指轻压靠在手柄（1）上，移动整个采摘器，使刺梨果柄卡入活动剪和固定剪构成的角度内。此时，大拇指压下手柄（1）使绕线轮（3）绕转销（2）逆时针转过一定角度绕紧拉线（8），拉线（8）使活动剪（12）绕转轴（10）顺时针转过一角度，活动剪（12）便压向固定剪（14），剪断刺梨果柄，刺梨掉入收集袋，完成一次采摘作业。

采摘刺梨结束时，大拇指松开手柄（1），活动剪（12）在弹簧作用下绕转轴（10）逆时针转过一角度进行复位，等待下一次采摘刺梨作业。

2 主要零部件的设计

2.1 伸缩杆的设计

因刺梨树枝丫呈“笼状”平铺生长，有时一些刺梨树还被种植在坡度较大的斜壁土地里，此时采摘刺梨树中部枝丫上的刺梨或斜壁土地里生长的刺梨，人不易靠近采摘点，就需支撑杆较长的刺梨采摘器。因而，设计可在一定长度内自由伸长与缩短的刺梨采摘器，以适应不同距离的刺梨采摘至关重要。

图2为本文所设计可伸缩便携式刺梨采摘器的伸缩杆组，其由三段长度为0.6 m的固定杆（1）、伸缩杆A（2）和伸缩杆B（3）组成，三段杆横截面为正方形，以防止杆间发生转动，三段杆内外壁采用H7/p6的轻过盈配合，以保证获得一定的过盈量，在伸缩杆未受到沿杆的轴向载荷时，不会发生自由伸缩。当给杆施加轴向载荷时，又不需要过大的轴向力便可使杆产生轴向伸缩以获得所需的一段长度，以适应采摘距离的需求。为防止杆在伸长过程中受力过大，产生轴向拉出、脱节分离，在伸缩到极限位置时，设置有卡扣。

图2 刺梨采摘器的伸缩杆

2.2 剪切器的设计

剪切器是刺梨采摘机的重要部件，直接决定着采摘刺梨的效率和质量，同时要求在进行刺梨采摘时，又不能损伤刺梨树枝丫，以保证刺梨的来年产量。

本文设计的剪切器总体结构如图3所示，其主要由拉线（1）、转轴（2）、弹簧（3）、活动剪（4）和固定剪（6）等组成。活动剪（4）安装在转轴（2）上，可转动，其一端连接拉线（1），另一端连接拉力弹簧（3），活动剪（4）全长120 mm，与固定剪（6）相配的剪刀刃口长度50 mm。为使采摘剪切刺梨时更加省力，弹簧（3）安装在离转轴（2）中心20 mm处，拉线（1）固定在离转轴（2）中心60 mm处。同时，因刺梨的果柄较短，为4～8 mm不等，因此活动剪（4）与固定剪（6）在剪切刃口段的总厚度不超过4 mm，以保证它们能够顺利深入刺梨与结刺梨的树枝之间，完成对刺梨果柄的顺利剪切。收集袋（5）的开口沿边离固定剪（5）下边缘30 mm，大于刺梨半径，即收集袋（5）不会阻碍固定剪（6）伸入刺梨果柄处。

图3 剪切器

2.3 绕线装置的设计

绕线装置一是配合刺梨采摘器伸缩杆的缩短与伸长，进行拉线（4）的收放，二是实现剪切刺梨果柄时，拉动活动剪向固定剪转动进行果柄的剪切。

本文中设计的绕线装置结构如图4所示，其主要由手柄（1）、转销（2）、绕线轮（3）、拉线（4）、握杆（5）和螺钉（6）等组成。绕线轮（3）直径70 mm，厚度20 mm，圆柱面上开设弧形凹槽以收纳拉线（4），一个端面上开设5个均布的六边形盲孔，槽底中心加工出M3的螺纹孔，以固定手柄（1）。设置5个均布的六边形盲孔，主要是适应伸缩杆自由伸缩时，在确保活动剪与绕线轮（3）之间的拉线（4）长度时，始终使与之配合的手柄（1）留有一个与伸缩杆轴线适宜的角度，以保证转动手柄（1）操作方便，能顺利剪切下刺梨。

图4 绕线装置结构

绕线轮（3）通过转销（2）安装在握杆（5）上，并可绕转销（2）进行正反转动以实现拉线（4）的收放。与绕线轮（3）配合的手柄（1）长150 mm，宽与厚均为15 mm，一端铸出与绕线轮（3）上的六边形不通孔配合的六边形柱，柱中心加工出直径4 mm的通孔，以通过M3的螺钉紧固在绕线轮（3）上。

3 结语

本文所设计的采摘器能根据人与刺梨树的位置进行杆长的自由伸缩，以实现不同位置的刺梨采摘，且其结构简单、轻巧，便于携带与使用。采摘刺梨过程中，人不会损害刺梨树枝丫，也不会压碎个体较大的刺梨。