滑道式蘋果采摘輔助裝置設(shè)計(jì)

劉凱 茅毓 顧賢

摘 要：文章主要對(duì)目前人工種植的蘋果采摘的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并對(duì)比目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)的采摘工具，分析了其中的不足和弊端。從而確定了本作品的設(shè)計(jì)目標(biāo)和總體方案。文章還對(duì)裝置的零件結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了詳細(xì)說明，并通過驗(yàn)證來(lái)證明其可行性。

關(guān)鍵詞：滑道；蘋果采摘；機(jī)械裝置

中圖分類號(hào)：TP241 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）34-0084-03

Abstract： This paper mainly analyzes the current situation of apple picking by artificial planting， compares the existing plucking tools in the market， and analyzes the shortcomings and disadvantages of them， thus determining the design goal and the overall plan of this work. The structure and principle of the parts of the device are described in detail， and its feasibility is proved by verification.

Keywords： slide way； apple picking； mechanical device

1 概述

我國(guó)是一個(gè)擁有悠久歷史的文明古國(guó)。在幾千年的歷史發(fā)展中，農(nóng)業(yè)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)體中一直都占有著很大的比重，水果種植是其中很重要的一部分。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，人工種植的蘋果樹可高達(dá)三至四米，采摘的難度很大，高的果樹需要果農(nóng)爬高來(lái)進(jìn)行采摘，采摘效率低的同時(shí)還對(duì)果農(nóng)的人身安全有一定的威脅性。

本設(shè)計(jì)針對(duì)蘋果采摘中存在的勞動(dòng)工作量大、作業(yè)范圍廣、觸碰力度要求高等現(xiàn)狀，幫助果農(nóng)來(lái)解決蘋果采摘的難題。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

本文通過考察對(duì)現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)存在的蘋果采摘裝置進(jìn)行了調(diào)研，國(guó)內(nèi)外在經(jīng)濟(jì)形勢(shì)上存在一定的差異。國(guó)外以歐美發(fā)達(dá)國(guó)家為例，其農(nóng)業(yè)牧業(yè)都是大平原大規(guī)模，采用大型機(jī)械來(lái)耕種采摘。他們常使用的是一種大型的蘋果收割機(jī)，這一種收割機(jī)開到果樹旁，利用橫向的刀口對(duì)蘋果實(shí)行采摘工作。此外，較多使用的還有一種抖蘋果樹的大型機(jī)器，通過抖蘋果樹，將蘋果抖落在地上以后，通過掃蘋果的機(jī)械將蘋果收集起來(lái)。國(guó)外的機(jī)械采摘效率比較高，規(guī)模大，采摘起來(lái)方便。但與此同時(shí)，會(huì)對(duì)蘋果的造成不同程度的損壞，很難保證水果完整率，而且外國(guó)機(jī)械對(duì)空間要求比較高，價(jià)格比較昂貴，在我國(guó)現(xiàn)有的情況下，這樣的采摘模式不太容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)壓力比較大。

國(guó)內(nèi)的水果種植業(yè)主要以個(gè)體戶為單位，特點(diǎn)是分散且封閉，規(guī)模較小，我國(guó)已有的蘋果采摘裝置大多是小型機(jī)械和輔助裝置，其中三爪抓取、剪刀桿采摘是使用的比較廣泛的裝置。這類裝置解決了部分采摘困難的問題，但是這種機(jī)械爪也存在一定的不足，采摘時(shí)力度不好掌握，

采一個(gè)拿一個(gè)，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的采摘，效率低下。同時(shí)國(guó)內(nèi)也不乏一些大型收割機(jī)，但是使用的范圍規(guī)模都比較小，效果也不太理想。

綜上所述，國(guó)內(nèi)的采摘機(jī)械的不足大致如下：

（1）采摘效率低。目前，基本上所有的蘋果采摘裝置都是在桿的前端安裝一個(gè)網(wǎng)兜或是手爪。果農(nóng)摘取一個(gè)蘋果，然后收回桿，再取出蘋果，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)采摘，效率非常低。

（2）對(duì)蘋果的保護(hù)措施不夠。在水果采摘之后，對(duì)多汁水果不能起到一個(gè)很好的保護(hù)作用，會(huì)對(duì)水果有不同程度的損傷，最終損害到農(nóng)民的收益和利益。

（3）大型設(shè)備造價(jià)高，果農(nóng)負(fù)擔(dān)不起。

（4）果農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度大。由于還未出現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)采摘的裝置，果農(nóng)每摘一個(gè)蘋果就需要重復(fù)一次操作，最后彎腰將蘋果放入果籃中，勞動(dòng)強(qiáng)度很大。

由此可見，目前能夠應(yīng)用于人工種植的蘋果采摘的方法和裝置還不太成熟，有很大的改善空間和應(yīng)用前景。

3 設(shè)計(jì)目標(biāo)與方案設(shè)計(jì)

為了解決目前蘋果采摘存在的問題，本團(tuán)隊(duì)制定了以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)目標(biāo)：

（1）提高蘋果采摘的效率，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)采摘。

（2）果實(shí)成熟期不同，能夠選擇性采摘。

（3）保障水果成品質(zhì)量，最大限度地做到完好無(wú)損。

（4）降低果農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度，減輕果農(nóng)的采摘工作量。

（5）保護(hù)果農(nóng)安全。

（6）降低采摘成本和裝置維護(hù)成本。

本滑道式蘋果采摘機(jī)械裝置（見圖1）是由1、桿；2、刀頭；3、滑道；4、伸縮緩沖區(qū)；5、高彈網(wǎng)；6、支撐架；7、果筐及其行走機(jī)構(gòu)組成。其工作原理是將桿拉伸至蘋果生長(zhǎng)高度，兜住蘋果，捏動(dòng)手柄，剪斷樹枝，使蘋果掉入軟體滑道并沿滑道下滑，經(jīng)過滑道中的多級(jí)減速最終掉入裝有緩沖區(qū)的果籃中。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作描述

本裝置以一根不銹鋼桿為主體，在桿的前端安裝有一圈刀頭，刀頭下接軟體滑道，滑道的下半部是由一個(gè)四邊形的框?qū)⒒赖投斯潭ㄔ谑占{筐的邊沿，滑道中間是一個(gè)高彈繩制成的第一級(jí)減速裝置，然后到滑道固定端，由斜坡減速后經(jīng)過高彈網(wǎng)再一次進(jìn)行減速，最后通過收縮口落入裝有緩沖區(qū)的框中。

（1）桿：根據(jù)調(diào)查，人工栽植的蘋果樹一般在3～4m。為了解決蘋果采摘作業(yè)范圍廣，果實(shí)分布高低不均這一問題，我們采用不銹鋼桿作為主體，桿長(zhǎng)至3m，配合果農(nóng)的身高，最大采摘高度可以達(dá)到4.5～5m。桿前端有螺孔，可配合安裝刀頭。桿內(nèi)裝有鋼繩和握把（如圖2），用來(lái)拖動(dòng)刀頭旋轉(zhuǎn)。末端裝有桿的設(shè)計(jì)解決了果農(nóng)需要爬高的問題，降低了果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）刀頭：刀頭采用直徑16cm的雙13齒鋁合金刀頭（如圖3），通過刀頭的逆向剪切摘取蘋果，保證采摘時(shí)的全方位、無(wú)死角。刀頭的刀爪上裝有軟墊用來(lái)與蘋果接觸。刀頭桿套上裝有彈簧，用以刀頭剪切后的回彈。刀頭上裝有鋼圈用來(lái)安裝滑道且方便拆裝和更換。便于拆裝的設(shè)計(jì)大大降低了維護(hù)成本。

（3）滑道和伸縮緩沖區(qū)：滑道的材料采用具有張緊力的氨綸布料（93%滌綸+7%氨綸，根據(jù)各地的不同可以適當(dāng)調(diào)整滌綸與氨綸的比例，來(lái)最大限度的進(jìn)行緩沖），蘋果下滑時(shí)能夠與滑道完全接觸，氨綸特有的張緊力能夠增加蘋果下滑的滑動(dòng)摩擦力，最大限度地為蘋果進(jìn)行緩沖減速。為了解決蘋果分布高低不均，采摘低處蘋果時(shí)滑道過長(zhǎng)的問題，需要在滑道上設(shè)置伸縮區(qū)來(lái)適應(yīng)采摘高度的變化，伸縮區(qū)由4條橡高彈繩來(lái)控制滑道的伸縮，同時(shí)可對(duì)下滑的蘋果進(jìn)行緩沖。在滑道末端設(shè)有漏斗狀收縮口，進(jìn)行最后的減速。采用氨綸滑道極大地降低了蘋果的下降速度，一定程度上保護(hù)了水果的完整性，同時(shí)也可以保證了連續(xù)采摘的要求，提高效率。

（4）高彈網(wǎng)：由高彈繩編成的一道減速網(wǎng)（如圖4）。蘋果沿滑道滑下通過彈性網(wǎng)進(jìn)行減速。進(jìn)一步對(duì)蘋果減速，保證了蘋果落入框中的完整性。

（5）支承架（如圖5）：由3D打印制作而成的高密度框架。[1]框架的兩側(cè)有兩排密布的小孔，用來(lái)安裝彈性網(wǎng)。框架的作用是與滑道連接并起到支撐作用，同時(shí)通過螺栓使滑道與果籃安裝在一起，保證桿向上拉動(dòng)時(shí)支撐架不會(huì)脫落。[2]

（6）果筐及其行走機(jī)構(gòu)（如圖6）：果筐采用大小為470*315*265mm（尺寸可根據(jù)需要更改）的塑料筐，塑料筐的下方安裝有四只輪徑為40mm萬(wàn)向輪，鋁架側(cè)面裝有拉桿，以便移動(dòng)果籃方便。塑料筐與鋁架采用卡槽連接，方便更換果籃。行走機(jī)構(gòu)保證了可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的采摘。

5 結(jié)構(gòu)分析與操作流程

意大利科學(xué)家伽利略在1630年提出一個(gè)分析學(xué)的基本問題──“一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在重力作用下，從一個(gè)給定點(diǎn)到不在它垂直下方的另一點(diǎn)，如果不計(jì)摩擦力，問沿著什么曲線滑下所需時(shí)間最短”。[3]后來(lái)有人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在一個(gè)斜面上，擺兩條軌道，一條是直線，一條是曲線，起點(diǎn)高度以及終點(diǎn)高度都相同（如圖7）。兩個(gè)質(zhì)量、大小一樣的小球同時(shí)從起點(diǎn)向下滑落，曲線的小球反而先到終點(diǎn)。這是由于曲線軌道上的小球先達(dá)到最高速度，所以先到達(dá)。這就是著名的“最速降線問題”。

本作品依據(jù)“最速降線”原理，放棄使用硬質(zhì)斜坡軌道，而是采用軟體曲線軌道。這種方案在使蘋果能以最快速度從高處下降到指定位置的同時(shí)，還可以充分保護(hù)蘋果表面，避免蘋果損壞。但是這種方案的弊端就是蘋果下落的速度過快，這就需要我們采用具有張緊力的氨綸材料作為滑道的制作材料，并在滑道上設(shè)置緩沖區(qū)來(lái)給蘋果減速。

本作品的使用操作流程是：

（1）將桿伸至蘋果所在的高度。

（2）將蘋果套入刀頭中，捏動(dòng)手把將蘋果剪切摘下。

（3）蘋果摘下后落入滑道沿滑道下滑。

（4）蘋果經(jīng)過伸縮緩沖區(qū)進(jìn)行第一級(jí)減速。

（5）落入高彈網(wǎng)進(jìn)行第二級(jí)減速。

（6）進(jìn)入收縮斜坡進(jìn)行第三級(jí)減速。

（7）落入果籃中的緩沖墊上。

（8）待果籃裝滿后，換上空果筐。

（9）推動(dòng)小車至下個(gè)采摘點(diǎn)，繼續(xù)采摘。

6 創(chuàng)新與應(yīng)用

本設(shè)計(jì)的新穎之處：

（1）加入軟體滑道，可直接使蘋果滑入框中，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)采摘。

（2）滑道中加入了緩沖機(jī)制，最大限度的保證了多汁水果的完整。

（3）果籃安裝萬(wàn)向輪和拉桿，移動(dòng)果籃更加方便。

（4）卡槽設(shè)計(jì)，更換果籃更加便捷。

（5）兩層可旋轉(zhuǎn)刀頭，摘取蘋果更高效。

本設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景：

（1）成本低。在同樣的價(jià)錢中，滑道式蘋果采摘機(jī)械裝置比其他的采摘裝置功能更完善更好，可在水果種植行業(yè)大范圍推廣。

（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輕便，易于攜帶。單人操作，對(duì)果農(nóng)的技術(shù)要求不高。

（3）純機(jī)械結(jié)構(gòu)。相比于電氣設(shè)備，故障率更低，適用性更高更廣泛，維護(hù)成本更低。

7 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目在已有的產(chǎn)品基礎(chǔ)上創(chuàng)新的加上軟質(zhì)滑道。與之前的采摘輔助裝置相比，實(shí)現(xiàn)了水果的連續(xù)采摘和對(duì)多汁水果采摘時(shí)的保護(hù)，最大限度地保證了果農(nóng)的收益，為提高采摘效率，保護(hù)果農(nóng)安全提供了一定的新想法和技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]王細(xì)樣.現(xiàn)代制造技術(shù)[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[2]楊可楨，程光蘊(yùn)，李仲生，等.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社，1979.

[3]黃東衛(wèi)，鄭麗霞，通拉嗄.一類最速降線與最短路徑問題[J].工科數(shù)學(xué)，2000（01）.