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        重力下落雙“V”型爪蘋果采摘器的研制

        2018-06-28 02:23:22黃智鴻
        機(jī)電信息 2018年18期
        關(guān)鍵詞:桿子螺柱滑槽

        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”型爪子的蘋果采摘器,其可極大地提高蘋果的采摘效率,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,輕輕取下果實(shí)[1]。樹上每顆蘋果的大小都不一樣,那么采摘器在抓取蘋果時(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)行盛裝蘋果,待網(wǎng)兜里蘋果重量到達(dá)一定值的時(shí)候,采摘者再收回桿子,取出網(wǎng)兜里的蘋果,這種網(wǎng)兜收集蘋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)各種高度的樹木,采用可拼接的桿子,根據(jù)果樹高矮來(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)程中由于樹枝樹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)蘋果樹的高矮來(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)蘋果樹的高矮,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)成熟的蘋果,將蘋果卡在“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)不同高度的蘋果樹,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、雙爪摘果的新型蘋果采摘器,效率高,成本低廉且省力。希望這種新型蘋果采摘器能為果農(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.

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