山地刺梨自動采摘機的設(shè)計

周江 吳一晨 孫子健 鄧靜

摘要 刺梨是貴州的特色水果，種植面積和產(chǎn)量居全國之首，然而因其種植環(huán)境為山地丘陵，采摘過程基本靠人工完成，效率低、勞動強度高。本研究針對山地刺梨設(shè)計了一款自動采摘機，主要由采摘裝置、輸送裝置、移動裝置等組成。采摘機集采摘、輸送、收集為一體，操作簡單、效率高，在很大程度上降低了山地條件下田間作業(yè)機械化的難度。

關(guān)鍵詞 刺梨；自動化；山地；采摘機

中圖分類號 S225? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）06-0074-04

Abstract Rosa roxburghii Tratt is a characteristic fruit in Guizhou Province， with its planting area and output ranking first in China. However， because of its planting environment is mountainous and hilly， the picking process is basically completed by manual， with low efficiency and high labor intensity. In this paper， a roxburgh rose automatic picking machine is designed for the mountain， which is mainly composed of picking device， conveying device， mobile device， etc. Picking machine is simple to operate， set picking， conveying， collecting as a whole， high efficiency， which greatly reduces the difficulty of mechanization of field operations under mountain conditions.

Keywords Rosa roxburghii Tratt; automation; mountainous area; picking machine

刺梨屬于藥食兩用水果，也被稱為山王果、木梨子等。刺梨果實富含維生素、有機酸和多種氨基酸等對人體有益的微量元素，其維生素C含量極高，具有“維C之王”的美稱[1]。此外，刺梨還含有多糖、黃酮和超氧化物歧化酶（SOD），具有增強免疫和抗衰老的藥理作用[2]。刺梨產(chǎn)業(yè)是貴州省鞏固脫貧攻堅成果與鄉(xiāng)村振興的12個特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，大力推動刺梨產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，有助于農(nóng)民增收致富[3]。

我國刺梨主要種植于貴州、云南等西南地區(qū)，刺梨普遍生長在海拔較高的丘陵地區(qū)，受地理環(huán)境影響，大中型機械難以進(jìn)行統(tǒng)一作業(yè)[4]。此外，刺梨枝條上布滿棘刺，果實表面布滿毛刺，且采摘期很短。由于生長環(huán)境和采摘作業(yè)的復(fù)雜性，如何快速采摘是一個難題。目前，刺梨采摘基本靠純手工或者是使用簡單的采摘工具進(jìn)行輔助采摘。例如，有研究者研發(fā)了一款可伸縮便攜式刺梨采摘器，通過改變手柄長度進(jìn)行采摘，手持采摘工具在一定程度上提高了采摘效率，但無法滿足機械化采摘的要求[5]。已有的采摘器采摘效果并不理想，存在采摘不徹底、枝條毀壞等問題，而且采摘后仍需人工二次分揀收集打包，采摘效率低，難以滿足刺梨產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化的需求[6]。總體而言，當(dāng)前刺梨采摘自動化程度還很低。基于對我國現(xiàn)有刺梨采摘機械基本情況及存在問題的分析，本研究設(shè)計研發(fā)一款集采摘、輸送、收集為一體的山地刺梨自動采摘機，對于提高刺梨采摘效率和實現(xiàn)刺梨產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展具有重要意義。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

刺梨自動采摘機主要由動力源、采摘裝置、輸送裝置、移動裝置和轉(zhuǎn)向裝置組成。箱體內(nèi)部設(shè)有收集箱，箱體底部安裝有滾筒，箱體后側(cè)設(shè)有箱門，箱門上也安裝有滾筒，便于收集箱的快速抽取移動。箱門左右兩側(cè)放置電池A和電池B，箱體后方連接推把。支撐座下方分別設(shè)有轉(zhuǎn)向裝置和移動裝置，支撐座上部安裝箱體，箱體兩側(cè)設(shè)有工作平臺，工作平臺通過連接件與箱體連接，箱體和工作平臺之間設(shè)有輸送裝置，此外工作平臺上安裝有采摘裝置。通過前后驅(qū)動裝置帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)山地間的快速作業(yè)。該采摘機集采摘、輸送、收集為一體，能快速實現(xiàn)刺梨的自動采摘和輸送，極大地提高了工作效率。整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

刺梨自動采摘機的設(shè)計目的在于降低工人勞動強度、縮短勞動時間、提高生產(chǎn)效率，保證刺梨適時采摘。具體操作方式如下：

工作時，開啟推把上的移動控制開關(guān)，電池A開始供電給驅(qū)動電機，驅(qū)動電機帶動交錯軸斜齒輪機構(gòu)運動，交錯軸斜齒輪機構(gòu)帶動動力軸轉(zhuǎn)動，動力傳導(dǎo)至前驅(qū)動輪，前驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，完成一次前進(jìn)移動動作。前進(jìn)移動過程中若要調(diào)整移動方向，則需手動開啟推把上的轉(zhuǎn)向控制開關(guān)，選擇左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)開關(guān)即可。

當(dāng)采摘機移動至目的地時，開啟推把上的工作控制開關(guān)，電池B開始供電給采摘電機和輸送電機，采摘裝置和輸送裝置開始工作，旋轉(zhuǎn)爪快速旋轉(zhuǎn)，刺梨在旋轉(zhuǎn)爪的強力牽引與固定爪的拉扯中掉落至工作平臺。工作平臺具有一定的傾斜角度和曲面弧度，刺梨滾落后會聚集在輸送裝置前。輸送裝置上，輸送電機帶動刮板式輸送帶運動，動力通過刮板式輸送帶將刺梨輸送至收集箱中，刮板式輸送帶兩旁設(shè)有擋板，防止刺梨在輸送過程中掉落，完成一次輸送動作。

當(dāng)兩側(cè)刺梨采摘完成時或當(dāng)收集箱裝滿時，關(guān)閉工作控制開關(guān)，采摘電機和輸送電機停止工作，失去動力的旋轉(zhuǎn)爪和刮板式輸送帶隨后停止運動，采摘動作和輸送動作結(jié)束。順時針旋轉(zhuǎn)把手，向外打開并放下箱門，拖出收集箱，箱體會順著底部與箱門上的滾筒快速移動，打包運走刺梨后再將空的收集箱順著滾筒推入箱體中，向內(nèi)合上箱門，逆時針旋轉(zhuǎn)把手，至此完成刺梨的收集。

2 主要工作部件

2.1 動力源

動力源是采摘機的重要工作部件之一，采用目前市場常見的蓄電池作為采摘機的動力源。由于山地作業(yè)的局限性，為使采摘機工作時間更長，采摘機裝有2塊電池，電池A專為采摘機移動提供動力，電池B為采摘電機和輸送電機單獨提供動力。傳統(tǒng)的燃油農(nóng)機燃油消耗率高，工作時噪音大，排放的廢氣嚴(yán)重污染環(huán)境。與傳統(tǒng)燃油農(nóng)機相比，電動農(nóng)機具有噪音小、低碳環(huán)保、安全可靠等優(yōu)點。

2.2 采摘裝置

采摘裝置包括固定爪、旋轉(zhuǎn)爪和錐齒輪，固定爪的軸固定在工作平臺，旋轉(zhuǎn)爪的軸貫穿工作平臺，連接至工作平臺底部的錐齒輪。固定爪齒為單葉片狀，旋轉(zhuǎn)爪齒為均勻分布的三葉片狀，固定爪和旋轉(zhuǎn)爪安裝在工作平臺的同一軸線上。旋轉(zhuǎn)爪齒和固定爪齒寬度相同，交錯分布于間隔區(qū)域，間隔區(qū)域的寬度為旋轉(zhuǎn)爪齒寬度。通過旋轉(zhuǎn)爪齒和固定爪齒相互嚙合將刺梨從枝條上鉤摘下來，脫落至工作平臺上，完成刺梨的一次采摘。箱體兩側(cè)的采摘裝置、工作平臺、連接件和輸送裝置位置對稱，尺寸大小一致，很大程度上提升了采摘過程中機器的穩(wěn)定性。采摘裝置如圖2所示。

2.3 輸送裝置

輸送裝置主要由刮板式傳送帶和擋板組成，如圖3所示。刮板式傳送帶適合應(yīng)用于有一定傾角的貨物輸送。當(dāng)刺梨掉落至工作平臺上面，刮板式傳送帶將刺梨輸送到收集箱。刮板式傳送帶有效地解決了普通傳送帶達(dá)不到傾斜輸送的問題。傳送帶兩邊安裝有擋板，能在輸送刺梨的時候保護(hù)刺梨不掉落。

2.4 移動裝置

移動裝置由動力軸、前驅(qū)動輪、交錯軸斜齒輪機構(gòu)組成，動力軸兩端安裝前驅(qū)動輪，在動力軸上設(shè)有交錯軸斜齒輪機構(gòu)，交錯軸斜齒輪機構(gòu)連接驅(qū)動電機，驅(qū)動電機由護(hù)套固定在底板上。與直齒輪相比，斜齒輪重合度較大，沿齒寬的齒廓接觸線是斜線，因此傳動更加平穩(wěn)，承載能力高，產(chǎn)生的噪聲小。

2.5 轉(zhuǎn)向裝置

轉(zhuǎn)向機構(gòu)包括轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向臂、后驅(qū)動輪、齒輪齒條機構(gòu)。轉(zhuǎn)向拉桿兩端連接轉(zhuǎn)向臂，轉(zhuǎn)向臂一側(cè)安裝后驅(qū)動輪，在轉(zhuǎn)向拉桿上設(shè)有齒輪齒條機構(gòu)，齒輪齒條機構(gòu)連接轉(zhuǎn)向電機，轉(zhuǎn)向電機由護(hù)套固定在支撐座上。

前進(jìn)移動過程中若要調(diào)整移動方向，開啟推把上的轉(zhuǎn)向控制開關(guān)，啟動轉(zhuǎn)向電機，轉(zhuǎn)向電機帶動齒輪齒條機構(gòu)運動，動力分別通過轉(zhuǎn)向拉桿和轉(zhuǎn)向臂傳導(dǎo)至后驅(qū)動輪。選擇右轉(zhuǎn)向開關(guān)時，轉(zhuǎn)向電機正轉(zhuǎn)，后驅(qū)動輪隨后向右轉(zhuǎn)向，反之向左轉(zhuǎn)。之后若無需調(diào)整移動方向，關(guān)閉轉(zhuǎn)向控制開關(guān)，轉(zhuǎn)向電機停止工作，轉(zhuǎn)向動作結(jié)束。

3 創(chuàng)新點

（1）采摘機集采摘、輸送、收集為一體，能夠?qū)崿F(xiàn)刺梨生產(chǎn)作業(yè)的自動化精確控制，極大地提高了作業(yè)質(zhì)量。（2）箱體后側(cè)設(shè)箱門，箱門和箱體底部安裝滾筒，實現(xiàn)收集箱的快速移動，使用方便快捷。（3）工作平臺上裝有旋轉(zhuǎn)爪和固定爪，通過旋轉(zhuǎn)爪齒與固定爪齒相互嚙合，減少了刺梨漏采的情況。（4）通過安裝在工作平臺上的旋轉(zhuǎn)爪和固定爪實現(xiàn)刺梨的自動采摘，防止了人工采摘時刺梨枝條上棘刺對人員的傷害，極大地降低了采摘時的事故風(fēng)險及隱患風(fēng)險。（5）設(shè)置輸送裝置，摘下的刺梨在刮板式輸送帶的作用下自動輸送到箱體中，減少了人工收集刺梨過程，降低了人工成本，提高了工作效率。

4 推廣前景

近年來，貴州省大力推動刺梨產(chǎn)業(yè)發(fā)展，刺梨產(chǎn)業(yè)作為鞏固脫貧攻堅成果，帶動村民增收致富的重要途徑，具有極大的經(jīng)濟(jì)價值[7]。在企業(yè)的帶動幫扶下，推出了刺梨糖、刺梨龜苓膏和刺檸吉系列產(chǎn)品，不斷提升貴州刺梨產(chǎn)品的知名度和影響力，推動刺梨產(chǎn)業(yè)發(fā)展。刺梨采摘作為整個生產(chǎn)過程中極其重要的一環(huán)，自動采摘方式能夠很大程度上提高采摘效率，因此，刺梨采摘裝置的市場需求越來越廣。該采摘機具有操作簡單、體積小、靈活度高、綠色環(huán)保、功能多樣等優(yōu)點，具有廣闊的推廣和應(yīng)用前景。

5 結(jié)語

針對當(dāng)前人工采摘刺梨的現(xiàn)狀，對原有采摘方式進(jìn)行創(chuàng)新改造，設(shè)計了一款集采摘、輸送、收集為一體的山地刺梨自動采摘機。通過采摘裝置和輸送裝置，有效提高了刺梨的采摘效率，降低了工人的勞動強度，并且采用蓄電池作為動力來源，相對于傳統(tǒng)的燃油農(nóng)機，更加綠色環(huán)保。未來智能農(nóng)機在刺梨種植、采摘、加工等環(huán)節(jié)的廣泛應(yīng)用，將會更好地助力貴州刺梨產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

6 參考文獻(xiàn)

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（責(zé)編：何 艷）

作者簡介 周江（1994—），男，重慶開州人，在讀碩士。研究方向：職業(yè)技術(shù)教育。