魯 權 ， 成 義 ，張文斌

（1.寧蒗恒泰農業(yè)投資開發(fā)有限公司，云南 麗江 674300；2.紅河學院工學院，云南 紅河州 661199）

0 引言

作為世界第三大水果的蘋果有著溫帶水果之王的美譽，原產于歐洲、中亞和我國新疆西部一帶，栽培歷史已有500 年以上。中國作為世界最大的蘋果生產國[1]，蘋果種植面積超3 000 萬畝，產量超4 000萬t，分別占世界蘋果種植總面積的42.2%、總產量的45.5%，并已形成環(huán)渤海灣、黃土高原兩個優(yōu)勢產區(qū)，黃河故道重要產區(qū)及新疆等特色產區(qū)。蘋果全產業(yè)鏈從業(yè)人員超過3 000 萬人，每畝平均收入5 000 元以上。因此，蘋果生產在促進農民增收、發(fā)展我國鄉(xiāng)村經濟等方面均發(fā)揮著舉足輕重的作用[2]。

何為刻芽[3-4]：在果樹的幼芽萌發(fā)之前，用小鋼鋸片將幼芽上方的樹皮刻破，刻的深度至木質部，以阻斷營養(yǎng)、水分的向上傳輸，使營養(yǎng)滯留在傷口下方的芽上，促使其萌發(fā)生長。

對于新種植的幼樹來說，要想提高幼樹的枝條萌發(fā)數(shù)量，對幼樹進行刻芽是重要手段，且刻芽對于果樹提前結果、提早開花、催發(fā)短枝有顯著的作用?？萄恳部捎糜诠歉芍Φ难娱L枝，以避免光桿枝，增加延長枝上側枝的數(shù)量?？萄康奶攸c是可以定向發(fā)枝，使果樹的枝條按照最理想的方向生長；對于長的發(fā)育枝，可以連續(xù)刻芽或間隔刻芽，以更多、更均勻地誘發(fā)短枝。刻芽作為解決偏冠缺枝和快速培養(yǎng)樹形的有效措施，對保障蘋果產量具有重要意義[5]。

果農們在每年的3 月中下旬至4 月中旬（也就是蘋果樹萌芽前15～30 天）都會對果樹逐枝進行刻芽工作。當前果農使用的刻芽工具有小刀、剪枝剪的刃、小鋼鋸、Y 型刻芽刀、刻芽剪刀等。使用最多的刻芽方式是鋼鋸條刻芽：鋼鋸條掰成兩半，一端纏上幾圈膠帶用作握把[6-7]。使用傳統(tǒng)手動刻芽方式可分為“按壓”和“水平劃拉”兩個動作。這種刻芽方式的刻芽深度難以掌控，容易造成刻芽失敗，而且在大量重復刻芽作業(yè)時，會造成果農手臂酸痛，大大增加果農的疲勞感。為方便刻芽工作的進行，考慮設計一款電動刻芽工具，其具有輕便省力、方便攜帶、刻芽離地高度可測、刻芽深度可控等優(yōu)點，可實現(xiàn)更輕便省力、成功率更高、更標準化的刻芽工作。

1 設計背景

為使設計的刻芽工具具有實際應用價值，在開始設計之前進行了資料查閱和實地考察，得出刻芽的最佳時期在3 月末至4 月初這段時間，刻芽的離地高度大于70 cm，相鄰兩個被刻芽間距15 cm，刻芽的創(chuàng)口在芽的上方3 mm～5 mm 處，刻芽深度以刻破樹皮至木質部即可，刻芽前后對比圖如圖1 所示。

圖1 刻芽前后對比圖

2 設計方案的優(yōu)化

2.1 初代刻芽工具

本方案選擇795 前后雙滾珠軸承電機：功率100 W、凈重0.37 kg，80 mm×0.8 mm 雙層圓盤鋸片作為刻芽刀具，設有3 V～35 V 直流調速旋鈕，電機轉速7 500 r/min～15 000 r/min 可調；搭配船型自鎖開關控制電機是否工作；采用12 V 外接電源以減輕手持重量，深度調節(jié)裝置仿照木工切割機支架設計；手持部分為3D 打印雙夾持臂，保證刻芽工作時不會左右晃動，外殼部分采用3D 打印的方式[8]進行一體化設計。第一代刻芽工具三維結構如圖2 所示。

圖2 初代刻芽工具三維結構

2.2 二代刻芽工具

本方案以初代刻芽工具為基礎，解決了初代刻芽工具存在的創(chuàng)口過大、無法夾持、限位失效、重量過大、成本過高等問題，優(yōu)化了外殼結構，省略了調速部分，增加了離地高度測量裝置。第二代刻芽工具由以下幾部分組成：根據(jù)初代刻芽工具的設計經驗和多次實驗得出，12 V、1.7 A 的RC380 微電機足以滿足使用需求；電池沿用初代的外接式12 V、4 000 mAh鋰電池；60 mm×0.8 mm×6.35 mm 的圓盤鋸片執(zhí)行刻芽操作；由DS-211 點動開關控制電機是否工作；由1.5 m 一鍵回縮皮尺完成離地高度的測量；由鋸片下方的可調節(jié)擋塊限定刻芽深度。二代刻芽工具三維結構如圖3所示。

圖3 二代刻芽工具三維結構

2.3 三代刻芽工具

三代刻芽工具在二代刻芽工具的基礎上優(yōu)化了供能電池結構，將電池體積壓縮，充分利用握把的中空部分，將其改為電池倉。接線蓋改為可活動的電池倉蓋，便于電池更換：需要更換電池7 時，將電池倉蓋6 沿底端打開，合頁8 固定電池倉蓋并旋轉打開，電池更換好后，蓋回電池倉蓋，由磁鐵4 進行吸合。三代刻芽工具重量更輕，重量只有二代工具的1/2，使用更加便捷。三代刻芽工具三維結構如圖4所示。

圖4 三代刻芽工具三維結構

3 系統(tǒng)關鍵零部件設計

3.1 電機的選擇

因本設計只用于刻芽使用，裝置受力很小，所以選擇電機直接傳動的傳動方式，傳動比為1∶1。根據(jù)多次測試實驗，選擇適當?shù)碾姍C型號，初代刻芽工具電機選擇795 前后雙滾珠軸承電機，搭配PWM 直流電機調速器的初代刻芽工具在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)電機功率過大，造成了電量浪費、成本增加。在初代刻芽工具的經驗基礎之上，第二代、第三代刻芽工具選擇RC380微電機，其參數(shù)如表1所示。

表1 RC380微電機參數(shù)

3.2 執(zhí)行裝置的設計

執(zhí)行裝置的三維結構如圖5 所示，鋸片連接桿5 選擇與小型手工鋸片相匹配的常規(guī)類型，直徑3.2 mm 端安裝桿長度截短至12 mm 處。這樣設計的理由是：在滿足變徑連軸器安裝長度的同時，盡量降低鋸片的旋轉重心，可增加刻芽工具在使用時的平穩(wěn)性。變徑連軸器3 采用螺絲夾緊[9]的方式固定在電機軸上，另一端也采用兩端夾緊的方式固定鋸片連接桿，可拆卸更換消毒過的鋸片。其尺寸根據(jù)電機輸出軸的直徑2.3 mm 和鋸片連接桿的裝夾端直徑3.17 mm選擇。鋸片4 尺寸略大于等于電機外殼直徑D與深度調節(jié)裝置的最小徑向高度H之和。由圖2～6 可得，D+H=27 mm，取鋸片直徑為60 mm。

圖5 執(zhí)行裝置的三維結構

3.3 深度限定裝置的設計

由所學建模知識[10]，對深度限定裝置部分進行三維設計，深度限定裝置的三維結構如圖6 所示。電機外殼直徑比電機直徑大1.5 mm，電機外殼中直徑28 mm 的卡槽，電機用直徑28.5 mm 的“電機上蓋”安裝固定在外殼中；深度調節(jié)裝置用M5 的螺栓夾緊，調節(jié)范圍0～3 mm，以適應不同樹齡的樹皮厚度。

圖6 深度限定裝置的三維結構

3.4 高度/間距測量裝置的設計

高度/間距測量裝置的三維結構如圖7 所示，卡尺環(huán)用螺絲釘固定安裝在握把下方的23 mm×23 mm方形接口內，用于安裝測量刻芽離地高度的皮尺。方形皮尺尺寸為48 mm×48 mm×18 mm，所以卡尺環(huán)的卡環(huán)內部尺寸也為48 mm×48 mm。

圖7 高度/間距測量裝置的三維結構

3.5 整體結構及工作原理

刻芽工具的結構原理如圖8 所示，刻芽的離地高度由皮尺1 來測量，電能由電池7 提供，電池負極接入電機14 的負極引腳，正極通過點動開關5 后接入電機正極引腳，變徑連軸器12 連接鋸片連接桿，鋸片連接桿夾緊鋸片9，電機通過變徑連軸器和鋸片連接桿把轉動傳遞給鋸片，實現(xiàn)刻芽工作。

圖8 刻芽工具的結構原理

工作原理：工作時打開電池倉蓋6，裝入電池7后蓋回電池倉蓋，磁鐵4 吸合倉蓋。按下點動開關5時，電流通過電機使電機轉子旋轉，此旋轉通過變徑連軸器和鋸片連接桿傳遞給鋸片來實現(xiàn)樹皮的切割，切割深度至深度調節(jié)裝置10 限定的深度時就完成了一次刻芽。待電池電能用完后，將電池取出進行充電，換上充滿電的電池又可繼續(xù)刻芽。

4 實驗結果分析

按實測刻芽間隔3 s 一顆芽，電機刻一顆芽的工作時間（旋轉時間）1 s 計算可得單塊電池續(xù)航時間約為4 h；按照實驗當?shù)氐目萄苛晳T（平均每個側枝刻3～4 個芽，主枝刻2～3 個芽）和樹形管理（株距1 m，行距3.5 m，每株8～9 個側枝）計算可得，一塊電池可持續(xù)刻芽面積為620 m2。由于決定刻芽速度的主要因素就是刻芽過程中工人的疲勞程度，因此可用刻芽速度衡量工人疲勞程度，經過實地實驗，采用控制變量法，可得使用電動刻芽工具刻芽造成的疲勞程度比使用傳統(tǒng)鋼鋸片刻芽造成的疲勞程度少10%～15%，電動刻芽工具刻芽的成功率比傳統(tǒng)鋼鋸片刻芽的成功率高約11%。

5 結論

本設計完成了蘋果樹刻芽工具的設計，并在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)問題、不斷改進，最終設計的刻芽工具實現(xiàn)了高效且輕便省力的刻芽工作。本刻芽工具具有以下特點：1）本設計對刻芽工具進行了大膽的創(chuàng)新設計，把機電技術融入簡單的蘋果樹刻芽工作中，大大提高了刻芽工作的規(guī)范性和成功率，更方便果樹樹形的管理，提高空間利用率，對提高果樹的產量具有重要意義。2）為實現(xiàn)輕量化設計，采用了簡單機構、塑料外殼的設計方式，在減輕刻芽勞動負擔的同時，一定程度上也能夠提高刻芽的工作效率。3）本設計可根據(jù)果樹生長年限的不同來調節(jié)刻芽的深度，以應對樹皮厚薄不一的問題。