劉同 王婧怡 崔秀慧 韓金龍 張國茂 朱娜

摘 要：為解決冬棗采摘時消耗勞力大的問題，運用仿生學和數據分析法，設計了一種便攜式仿生冬棗采摘機。該設計通過硅膠條相向運動，相互擠壓使冬棗脫離棗吊滑入伸縮式輸送管從而落入收納箱。并且闡述了采摘機的各部件設計原理，確定各部件結構，并對主要受力部位進行了有限元分析，分析結果表明，伸縮桿的最大應力 11.65MPa 遠小于屈服極限 325MPa，最大合 位移僅約為桿長的 0.12%，伸縮桿的剛度滿足工作要求。

關鍵詞：冬棗；采摘機；伸縮桿

冬棗自古以來為皇家貢品，迄今已有千年的歷史，屬國內外珍稀樹種。冬棗品系純正，享有百棗之王的美譽，其特點為：果大、皮薄、核小、汁多、肉質細嫩酥脆、色澤鮮艷、凝重、富含鈣、鐵、鋅等多種礦物質，每百克維生素C含量為四百零八毫克，居于百果之首。但是中國作為水果生產大國在果園采摘中所需勞力占整個果類產品生產過程中的35% ～ 45% ，而我國果園采摘機械化程度卻較低，當前果園機械采摘方法主要分為： 機械輔助采收和機械化采收兩種形式。因此本文設計的仿生冬棗采摘機就主要應用機械輔助采收，大大提高了原來的采摘效率。

一、仿生冬棗采摘機設計原理

我國目前采摘冬棗的方法多為人工采摘，同時包括幾種機械輔助人工采摘方法，如氣息梳刷式冬棗采摘機、便攜式冬棗采摘機等。由于冬棗果殼薄亮，肉質酥脆，采摘過程中由于不確定因素，時常導致果實損壞；同時需投入大量勞動力。本研究就是根據冬棗的生長情況及冬棗的性狀特征，基于機械理論的基本知識設計出適于冬棗的采摘工具。旨在提高我國機械化采摘率，降低人工工作強度。

仿生冬棗采摘機，主要構件包括（1）調速器、（2）腰帶、（3）蓄電池、（4）伸縮桿、（5）導線伸、（6）采摘裝置、（7）縮式輸送管、（8）卡樹扣。

1.工作原理

一種基于模擬人手采摘的冬棗采摘裝置，包括機架、護罩、滾筒、傳動機構、輸送管和電源，所述機架采用了鉸鏈四桿機構通過其運動實現了萬向采摘，能實現其空間的三維運動。從而擴大了采摘范圍。其與所述護罩連接，在護罩的前端形成有開口；所述滾筒在所述護罩內平行安裝有兩個，在每個滾筒的外壁上間隔形成有多個彈性突起。所述采摘機傳動裝置包括電機、聯軸器、軸、齒輪，其工作原理為聯軸器和軸相連并帶動軸兩端齒輪轉動，從而使硅膠滾筒相向運動將冬棗采摘下來。

主要采摘原理是通過滾筒上硅膠條的相向運動使冬棗脫離棗樹，滑入伸縮式輸送管進而落入收納箱內。硅膠條上端細、下端粗，自身彈性較好，具有不傷枝、不纏枝、不傷果等特點。為實現齒輪密封和滾筒的支撐，在齒輪外圍設置起保護和支撐作用的罩體。工作時，滾筒在微型電機的帶動下旋轉，從而達到了模擬人手采摘的效果，手柄順延果實枝條向上運動，硅膠條連續(xù)不斷地相向運動，從而方便地對果實進行采摘。動力源為12V直流電源，簡便易行，降低機器成本。

2.裝置介紹

（1）傳動裝置：包括設置在手柄內的聯軸器、軸、齒輪，其工作原理為聯軸器和軸相連并帶動軸兩端齒輪轉動，從而使硅膠滾筒相向運動將冬棗采摘下來。

（2）護罩與手柄：兩者通過螺栓連接。

（3）硅膠滾筒：設有若干個T型插孔，所述硅膠條底部設有凹槽，凹槽兩邊為凸臺；硅膠條通過凹槽塞入T型插孔內，并通過兩邊的凸臺卡緊T型插孔。

（4）電動機：轉速為可調式，其手柄外部設有調節(jié)旋鈕。

3.性能對比

本產品與現有采摘器相比，結構與功能上有較大提高：

（1）利用柔性采摘輪相向運動的原理進行采摘，效率高、果實破損率低。

（2）節(jié)省人力、縮減采摘時間。

（3）結構巧妙，攜帶方便，操作靈活，可靠性強。

4.各主要構件的強度和剛度校核

（1）齒輪傳動的計算和說明。

根據所選電機的類型設計齒輪傳動，將動力傳送至工作部分進行受力分析，所以特列傳動軸和齒輪的強度校核。根據查閱資料，選定功率為20W，轉速為400r/min的555-1280直流電動機，已知傳動比為i=1，每天工作8h。

該齒輪Z1=Z2=40，α=20°，

d1=d2=40×1.5=60mm，

模數m=1.5，此處是非金屬齒輪，因此φd=0.5

齒寬b=φdd1=0.5×60=30mm，

此處b_1=b_2=30mm

嚙合角α=cos-1[（（a cos α ））/a]=20°，

zε=z1+z2=40+40=80，

Xε=X1+X2=0， y=0，

因為該齒輪為閉式軟齒面齒輪，所以此處我們只校核它的彎曲疲勞強度。

該許用彎曲疲勞強度為，查表可知，KN=50，σlim=1，S=1.5，

所以[σF ]1=33MPa

根據≤，

查表可知KF=KA KV KFα KFβ=1.14，

T1=17N， YFa=2.4，YSa=1.65，Yq=1，

因此σF=0.057MPa

（2）軸的扭矩計算及扭矩圖（圖4）。

扭轉切應力應滿足

查表得τT≤[τT ]

扭矩

二、結語

本文設計的仿生冬棗采摘機的主要優(yōu)點是，能大幅減少人工撿果量、電動化，便攜，降低了勞動強度。采用硅膠滾輪，模擬人手的采摘過程，保證棗樹不受傷害，對棗樹下一年產果量影響較小，能夠方便棗農采收冬棗果實，有效提高采收安全性、采收率和采收速度。該采摘機結構簡單，質量小，攜帶、操作都很方便，加工制造非常容易，造價低廉，維修簡單方便，是一種既能降低棗農的勞動強度，提高勞動效率，結構簡單，使用方便，提高棗類果實收獲效率，是人工采摘的 5-8 倍，提高棗農種植冬棗的積極性和勞動生產效益，又能為生產廠家?guī)砝麧櫟碾p贏產品。我國冬棗種植面積非常廣闊，發(fā)展速度也很快，該產品具有良好的推廣應用前景。

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