付子桐，嚴(yán)文超*

湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院（宜昌 443000）

目前，市場(chǎng)上存在各種各樣的花椒采摘器，它們所具有的功能有一定的區(qū)別[1-2]?；ń返纳L(zhǎng)環(huán)境一般是海拔較高的山地，因而不適合大批量的種植，也限制了花椒采摘器的發(fā)展[3-4]。國(guó)內(nèi)花椒不能大規(guī)模批量種植，其采摘基本還以人工為主，采摘效率低下[5-6]?；诖?，市場(chǎng)迫切需要一種新的花椒采摘器來解決這一問題。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，市場(chǎng)上對(duì)于此類產(chǎn)品的需求不斷增加，給農(nóng)業(yè)機(jī)器的發(fā)展提供了很好的契機(jī)，這既是一個(gè)挑戰(zhàn)，也是一個(gè)機(jī)遇。盡管目前生產(chǎn)設(shè)備落后，但是國(guó)內(nèi)機(jī)械還是取得了一定進(jìn)步。因?yàn)槲覈?guó)城市發(fā)展水平不平衡，內(nèi)陸城市的機(jī)械設(shè)備研發(fā)沒有得到足夠資金的投資，而沿海城市，尤其是江浙地區(qū)農(nóng)業(yè)加工器具的企業(yè)很多，通過從外國(guó)來引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，可以接受各大食品加工企業(yè)的私人訂制，滿足客戶對(duì)特殊產(chǎn)品加工[7-8]。

1 花椒特點(diǎn)介紹

1.1 花椒形態(tài)

花椒屬于落葉灌木，高度在3～7 m，具有很濃香氣，一般在海拔較高的山地。除東北和新疆外幾乎分布于全國(guó)各地。它存在幾種不同的樹形，包括三主枝開心形、叢狀、自然開心形[9]。

1.2 花椒的采摘

采摘需確定好花椒最佳的采摘時(shí)間。由于采摘花椒需要的僅僅是花椒的果皮而已，所以花椒最佳的采摘時(shí)間也就是花椒果皮成熟時(shí)，只有這個(gè)時(shí)期才可以獲得品質(zhì)更佳的花椒。確定好采摘時(shí)間后，準(zhǔn)備采摘的準(zhǔn)備工作，需準(zhǔn)備一把可以把花椒果取下的剪刀，需準(zhǔn)備一個(gè)用于放采摘的收集裝置，收集裝置要有光滑的內(nèi)壁，這是為了避免放花椒果時(shí)出現(xiàn)花椒果皮與收集裝置的內(nèi)表面出現(xiàn)摩擦，從而損傷花椒果的品質(zhì)[10]。一般采摘的時(shí)間最好選在晴天采摘，這樣可以最大程度保持花椒果皮的品質(zhì)，提高采摘的效率，在采摘時(shí)爭(zhēng)取一次性采摘，即采摘時(shí)盡量只采摘花椒，其余一概不采摘。

2 總方案的選擇

傳統(tǒng)上對(duì)花椒的采摘采用人工采摘的方式。采用這種方式存在很大的弊端[11]：一是因?yàn)榛ń返纳L(zhǎng)地環(huán)境比較惡劣，一般在高海拔地區(qū)，且花椒樹上刺多，人工采摘時(shí)稍有不慎，就會(huì)傷到采摘人；二是花椒樹的高度較高，采摘人員必須爬到樹上采摘，有高處作業(yè)跌落摔傷的風(fēng)險(xiǎn)，且采摘效率較低。

2.1 方案介紹

2.1.1 方案1

方案1是對(duì)市面現(xiàn)存的花椒采摘器存在的缺點(diǎn)，進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)計(jì)的一種菱形圓形鋸齒采摘器。通過使用這種采摘器，不需要與花椒接觸，避免被花椒上的刺刺到，可以極大提高采摘效率。

方案中需要的部件：刀具、連桿，手柄。按照設(shè)計(jì)需要4把刀具。

設(shè)計(jì)的新型采摘器工作說明：為了實(shí)現(xiàn)采摘器把花椒采摘下來的功能，需要刀具對(duì)花椒的根部產(chǎn)生一個(gè)切割力，對(duì)刀具的要求是刀具的角度是可以變化的。刀片是安裝在連接軸上，需要改變連接軸的方向。設(shè)計(jì)在于通過一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)，連桿向上滑動(dòng)時(shí)，連桿另外一端與2個(gè)三角架連接在一起，在連桿的推動(dòng)作用下，會(huì)改變連接軸的位置，即相當(dāng)于改變刀具的位置，通過這樣的方式獲得不同位置的刀具。設(shè)計(jì)的要求是需要刀具動(dòng)起來，才可以對(duì)花椒產(chǎn)生一個(gè)切割作用，為此采用電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與電機(jī)軸連接的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，利用軸上面齒輪的嚙合，各自帶動(dòng)各自軸的旋轉(zhuǎn)，軸的旋轉(zhuǎn)也就帶動(dòng)了軸上刀具的旋轉(zhuǎn)，從而使軸上的刀具獲得轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生切割作用。基于此設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高的采摘效率的功能。

2.1.2 方案2

方案2包含4個(gè)刀具及一些必要部件。刀具能實(shí)現(xiàn)角度轉(zhuǎn)動(dòng)，反轉(zhuǎn)開關(guān)被打開時(shí)，4個(gè)刀具會(huì)把需要切割的花椒包裹在一起，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)花椒的采摘功能。

設(shè)計(jì)的新型采摘器工作說明：為了實(shí)現(xiàn)上述功能，方案2中的刀具也是與連接軸連接在一起。開關(guān)打開時(shí)，刀具開始轉(zhuǎn)動(dòng)。開關(guān)調(diào)到反轉(zhuǎn)開關(guān)時(shí)，各齒輪間的嚙合，互相的傳動(dòng)，4個(gè)刀具會(huì)把需要切割的花椒包裹在一起，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)花椒的采摘。

圖1 刀具初始圖

圖2 刀具工作圖

圖3 運(yùn)動(dòng)原理圖（未切割時(shí)）

圖4 運(yùn)動(dòng)原理圖（切割時(shí)）

圖5 花椒采摘器示意圖

圖6 花椒采摘器傳動(dòng)示意圖（切割時(shí)）

圖7 花椒采摘器傳動(dòng)示意圖（未切割時(shí)）

2.2 方案對(duì)比

經(jīng)過2種方案的對(duì)比和分析，可知花椒果實(shí)較小使得在采摘之時(shí)不僅要提高采摘效率，提高花椒的采摘質(zhì)量，而且還要保證采摘花椒徹底，不能在花椒樹采摘部位遺留部分花椒?；诖朔N情況，就要求運(yùn)動(dòng)中的刀具不僅要把花椒剪下來，而且要確保刀具不會(huì)傷害到花椒果皮。對(duì)比2種方案，可知方案2能夠最大限度實(shí)現(xiàn)上述要求，因此選擇方案2實(shí)現(xiàn)花椒采摘。

3 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)的選擇

考慮到采摘的花椒直徑很小，故設(shè)計(jì)花椒采摘器的時(shí)候可以選擇功率較小的電機(jī)，選擇一般的電機(jī)就可以滿足使用要求。基于此，設(shè)計(jì)選擇RC-280SA-12300電機(jī)，其功率為1.03 W，有負(fù)載時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為5 110 r/min，工作效率50%以上，相當(dāng)于一個(gè)微型電機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，可以增減電機(jī)的傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度[12]。

可知電機(jī)的輸出軸的轉(zhuǎn)速如n=5 110 r/min。

（1）軸1的轉(zhuǎn)速

帶輪的傳動(dòng)比：

所以n1=2 555 r/min。

（2）軸2的轉(zhuǎn)速

齒輪的傳動(dòng)比：

所以n2=5 110 r/min。

（3）軸3轉(zhuǎn)速

齒輪的傳動(dòng)比：

所以n3=2 555 r/min。

3.2 齒輪的設(shè)計(jì)

（1）經(jīng)分析結(jié)構(gòu)選擇直齒圓柱齒輪。

（2）齒輪精度為8級(jí)。

（3）材料的選擇：考慮工作性質(zhì)及電機(jī)的功率，選擇QT600-2，布式硬度為300[13]。

（4）選小齒輪的齒數(shù)：由上述可知帶輪的直徑，要求既要保證刀具可以采摘花椒，故需合理兩者之間的距離，此距離適宜大于50 nm[14]。

3.3 軸承的選擇

設(shè)計(jì)的花椒采摘器結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，在尺寸較小情況下，安裝零部件會(huì)帶來一定不便；且因?yàn)椴烧鹘Y(jié)構(gòu)緊湊，很難向采摘器內(nèi)部需要潤(rùn)滑軸承添加潤(rùn)滑油。基于此此次軸承所選擇材料要帶有一定的自潤(rùn)滑屬性，且考慮材料的輕便性。因此，選擇新型材料聚四氟乙烯。

3.4 軸的設(shè)計(jì)

軸承的寬度1.2 mm，故軸的長(zhǎng)度選為1.2 mm。安裝齒輪之時(shí)，考慮方便安裝的問題，加裝一跟軸，直徑2 mm，長(zhǎng)度8 mm。齒輪安裝需要在兩者之間安裝一個(gè)軸肩，軸肩的尺寸規(guī)格與齒輪的尺寸相符。綜上所述，所設(shè)計(jì)軸的尺寸參數(shù)如圖8所示。

4 太陽能驅(qū)動(dòng)能源概述

4.1 太陽能簡(jiǎn)述

地球上的好多能源都依賴于太陽的存在，其中包括風(fēng)能、水能、海洋能等多種能源[15]。太陽能之所以成為一種能量，其實(shí)質(zhì)是利用一種裝置將太陽所釋放的光能收集并轉(zhuǎn)化成其他的一種能量，目前太陽能應(yīng)用較廣泛的是家中必備的太陽能熱水器。另外的一種技術(shù)是利用光電反應(yīng)，使用一種裝置將太陽能轉(zhuǎn)化成電能進(jìn)行使用，這種技術(shù)被世界各國(guó)廣泛接受加以研究，這種技術(shù)也被稱為太陽能光伏技術(shù)[16]。

圖8 軸的尺寸參數(shù)圖

4.2 蓄電池的選擇

花椒采集器的主要能源是依賴太陽能實(shí)現(xiàn)的，但考慮現(xiàn)實(shí)因素，無法避免因天氣帶來的太陽能無法使用的情況，故在其結(jié)構(gòu)上附加一個(gè)蓄電池就顯得尤為重要，可以有效補(bǔ)充因沒有太陽，機(jī)器無法工作的情況。

計(jì)算可知電動(dòng)機(jī)負(fù)載的電流大小為0.22 A，得：0.22×8×5=8.8 A·h。

電動(dòng)機(jī)的額定電壓是9 V，可以根據(jù)要求選擇常用12 V系列蓄電池：6-QA-75。

5 結(jié)語

對(duì)中國(guó)花椒本身特點(diǎn)及生長(zhǎng)環(huán)境做了簡(jiǎn)單闡述，并對(duì)市場(chǎng)的常用花椒采摘器進(jìn)行分析，提出花椒采摘器的方案，對(duì)其主要零部件進(jìn)行分析并對(duì)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力太陽能電源做了設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的花椒采摘器能夠大大提高采摘的速度，解放勞動(dòng)力，且能最大限度減少花椒果皮與花椒采摘器的摩擦。從經(jīng)濟(jì)角度和社會(huì)效益角度來看，都具有十分深遠(yuǎn)意義。