陀曉雨，于新悅，賀靖淇，林義忠，周韋星宇，焦少偉

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

八角，是八角茴香科八角屬的一種植物的果實(shí)，盛產(chǎn)于廣東、廣西、福建、云南等地，其中國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的八角90%生產(chǎn)于廣西[1]。八角是烹飪的重要調(diào)味料之一，此外還可供工業(yè)上作香水、牙膏、香皂、化妝品、醫(yī)藥等的原料[2]。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查顯示，我國(guó)的八角茴香的年用量在5 萬(wàn)噸甚至6 萬(wàn)噸之上，對(duì)八角果每年有著巨大的需求[3]。因此，如何擴(kuò)大八角果產(chǎn)量及提高八角果采摘效率等方面提高八角果的產(chǎn)量，成為八角果行業(yè)面臨的重大問(wèn)題。廣西作為八角的主產(chǎn)地，目前人們采摘八角仍多采用傳統(tǒng)的人工徒手采摘的方式。雖然人工采摘能有效保護(hù)花和幼果，并確保采摘下來(lái)的八角完整。但采摘下的八角不便于收集，所以此種方法不但采摘效率低，而且更令人擔(dān)憂的是，八角樹高約10～15 m[4]，采摘工容易因受力不均而從樹上跌落，采摘工的人身安全沒(méi)有得到保障。

基于上述原因，設(shè)計(jì)一種能夠用機(jī)械代替人工采摘八角的裝置，此裝置不僅能夠精準(zhǔn)定位采摘，有效保護(hù)花和幼果，而且將設(shè)計(jì)收集裝置，便于收集，實(shí)現(xiàn)采摘和收集一體化。此裝置輕巧易攜帶，可以有效提高八角的采摘效率，減少采摘工人的作業(yè)時(shí)間，提高八角采摘工人的工作安全性。 面對(duì)廣西的八角產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，此輕質(zhì)小巧的八角采摘機(jī)器顯得十分重要。

1 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一種八角果采摘裝置，包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、固定刀具機(jī)構(gòu)、平動(dòng)刀具機(jī)構(gòu)、和定位收集機(jī)構(gòu)。總體裝置具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系如圖1 所示。

圖1 裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

裝置整體輕巧便攜，按照人的手掌尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用時(shí)單手便可控制。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用手握式電機(jī)，內(nèi)可安裝電池，并可一鍵切換不同轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。電機(jī)輸出軸連接剪切機(jī)構(gòu)，剪切機(jī)構(gòu)由固定刀具機(jī)構(gòu)和平動(dòng)刀具機(jī)構(gòu)組成，利用了偏心輪和滑槽將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠絼?dòng)原理，使得兩者相互配合共同完成剪切作用。剪切后的果實(shí)從導(dǎo)向收集口滑進(jìn)收集箱，同時(shí)收集箱又有定位和支架的功能，使得整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定合理。

1.2 裝置工作原理

裝置在工作時(shí)按下開關(guān)，在手握式電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)保持一定轉(zhuǎn)速，通過(guò)輸出軸輸出動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)定位滑套沿導(dǎo)向軸做水平運(yùn)動(dòng)，使得平動(dòng)刀具機(jī)構(gòu)中的上刀片也做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)[5]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝置的運(yùn)動(dòng)方式由轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)槠絼?dòng)。下刀片固定不動(dòng)，通過(guò)上刀片的往復(fù)平動(dòng)與下刀片配合，將上下刀片的U 型槽對(duì)準(zhǔn)八角果果實(shí)的莖，使果實(shí)落在刀片下方，然后剪切八角果，完成采摘任務(wù)。采摘后的果實(shí)從收集口滑進(jìn)定位收集箱內(nèi)，完成八角果的收集任務(wù)。收集結(jié)束后，可將收集箱后方打開，將果實(shí)從收集箱內(nèi)取出。

1.3 裝置優(yōu)點(diǎn)

裝置具備的優(yōu)點(diǎn)為：最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠以機(jī)器代替人工徒手方式采摘八角，既保護(hù)了采摘工的人身安全又大大提高采摘效率。其次設(shè)計(jì)了八角果的收集機(jī)構(gòu)，免除了采摘工將果實(shí)一摘一放如此疲勞重復(fù)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)八角果采摘、收集一體化過(guò)程。再者所用的零件大多可拆卸替換，電機(jī)電池可取出替換，延長(zhǎng)了使用壽命，刀片通過(guò)定位螺栓連接，便于拆卸替換新刀片。最后，本裝置十分契合八角果的生產(chǎn)形勢(shì)，同時(shí)將其外表設(shè)計(jì)成手電鉆的形狀，設(shè)計(jì)巧妙，便于攜帶。

2 裝置主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.2 平動(dòng)刀具機(jī)構(gòu)

偏心輪一側(cè)使用滾動(dòng)軸承支撐與軸承座相連。動(dòng)力從手握式電機(jī)經(jīng)由輸出軸再到軸承座傳遞至偏心輪。偏心輪另一側(cè)的軸承在滑槽內(nèi)部與其接觸可帶動(dòng)滑槽運(yùn)動(dòng)。定位滑套與滑槽焊接為一體，固定刀具機(jī)構(gòu)中導(dǎo)向軸穿過(guò)定位滑套，定位滑套只能沿導(dǎo)向軸運(yùn)動(dòng)。平動(dòng)上刀片為雙刃單刀片，通過(guò)平動(dòng)刀具螺栓與定位滑套連接，滑槽與定位滑套以及滑動(dòng)上刀片固定為一個(gè)整體。工作時(shí)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)與滑槽接觸并相對(duì)滑槽做豎直運(yùn)動(dòng)，滑槽在偏心輪的帶動(dòng)下本應(yīng)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但因?yàn)榛叟c定位滑套和平動(dòng)上刀片三者運(yùn)動(dòng)時(shí)為一個(gè)整體，且定位滑套上的兩孔穿過(guò)導(dǎo)向軸，所以定位滑套只能沿導(dǎo)向軸做水平運(yùn)動(dòng)，使得平動(dòng)刀具機(jī)構(gòu)中的平動(dòng)上刀片和滑槽也做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上刀片和下刀片一側(cè)相閉合時(shí)，八角果柄莖可以準(zhǔn)確被剪切。平動(dòng)刀具機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系如圖3 所示。

圖3 平動(dòng)刀具結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 固定刀具機(jī)構(gòu)

固定下刀片分為左右兩個(gè)刀片，均為單刃刀具，刃口朝內(nèi)。固定下刀片由兩個(gè)固定刀具螺栓連接在固定刀架上，固定刀架由四個(gè)固定刀架螺栓連接在固定板上，而導(dǎo)向軸穿過(guò)定位滑套兩端的孔固定連接在固定板上，導(dǎo)向軸與定位滑套配合使得平動(dòng)上刀片只能相對(duì)固定下刀片做水平運(yùn)動(dòng)。固定刀具機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系如圖2 所示。

圖2 固定刀具結(jié)構(gòu)示意圖

3 樣機(jī)制作與試用情況

通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的八角果采摘裝置進(jìn)行研制，制作出物理樣機(jī)一臺(tái)，成品樣圖如圖4 所示。

圖4 八角果采摘裝置成品樣圖

樣機(jī)制作完成后進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，測(cè)試分為人工組和裝置組進(jìn)行試驗(yàn)，為避免偶然因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，采取每組進(jìn)行多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果后取其中一組合適結(jié)果，將試驗(yàn)測(cè)試的采摘數(shù)量、收集數(shù)量、劣果數(shù)量、完成率等指標(biāo)作為分析的依據(jù)，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，使用此裝置進(jìn)行采摘的數(shù)量基本為人工采摘的2 ～ 3 倍，工作效率提高為124%和169%，且收集率達(dá)98%以上。因此，使用此八角果采摘裝置工作完成度高，工作效率得到大大提升，符合當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)八角果采摘器具的使用需求。

4 結(jié)語(yǔ)

從八角果的生長(zhǎng)特性和采摘現(xiàn)狀出發(fā)，迎合我國(guó)對(duì)八角果不斷擴(kuò)大的需求，研制了此種八角果采摘裝置，符合當(dāng)前八角采摘業(yè)的特性，本裝置一次作業(yè)可以采摘多個(gè)果實(shí)，并且有效保留了枝干，只采摘果實(shí)部分。應(yīng)用證明，裝置能夠方便、高效、快捷、可靠地采摘八角果，并且制造成本低，既適合八角果產(chǎn)業(yè)在采摘時(shí)使用，也適合八角種植區(qū)的個(gè)體農(nóng)戶使用。裝置的使用能有效解決采摘工人因徒手采摘易從八角樹上掉落的安全問(wèn)題。所設(shè)計(jì)的八角果采摘裝置集采摘收集一體，即節(jié)省了八角果的采摘時(shí)間，又大大提高了八角果的采摘效率，對(duì)于八角果采摘產(chǎn)業(yè)有極大的促進(jìn)作用。