一種便捷的刺梨采摘機械設(shè)計*

黃遠翔 ，羅文祥 ，秦嘉偉 ，江 炬 ，盧 堯

（貴州師范大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550000）

0 引言

野生刺梨屬于薔薇科落葉灌木植物，散生灌木，樹高1 m～2.5 m，樹冠寬度在1.5 m左右[1]。刺梨營養(yǎng)價值和藥用價值極高，每100 g果肉中含維生素C約2 054 mg～2 725 mg，比蘋果、梨高500倍，比柑橘高100倍，比獼猴桃高9倍[1-2]，果肉中維生素C的含量居各類水果之冠。

貴州省在種植刺梨方面有著得天獨厚的地理和氣候優(yōu)勢，刺梨產(chǎn)業(yè)是該省實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的重要產(chǎn)業(yè)之一[3]。近年來，貴州省大力發(fā)展刺梨種植。目前，刺梨種植面積超過200萬畝，種植收益輻射帶動農(nóng)戶6.5萬戶、21.7萬人，戶均增收7 000元。刺梨產(chǎn)業(yè)已成為貴州省脫貧攻堅、鄉(xiāng)村振興、改善生態(tài)環(huán)境的健康時尚生態(tài)產(chǎn)業(yè)。隨著刺梨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為提高刺梨的產(chǎn)量，貴州省不斷加大科技研發(fā)力度，發(fā)展刺梨人工種植，實現(xiàn)由“野生”到“家養(yǎng)”的轉(zhuǎn)變。人工種植的刺梨植株和野生刺梨植株有所不同，其高度比野生植株高出1 m左右。而當(dāng)前刺梨果實的采摘主要依靠人工，此種方式不僅采摘效率低、勞動強度大[4]，在采摘過程中還存在以下缺陷：1）某些位置比較高或者被枝條遮擋的刺梨不易被采摘。2）使用傳統(tǒng)剪刀剪切時，手指摳在指環(huán)內(nèi)。由于指環(huán)與剪刀的活動鉸的間距固定，開合時手指所在的兩個指環(huán)間距增大，造成手指在指環(huán)中來回摩擦。長時間勞作會損傷手指，造成采摘人員身體的不適，從而影響采摘效率。3）刺梨植株枝干、果實表面的毛刺會刺傷采摘人員，使采摘效率受影響[5]。為解決以上缺陷，課題組設(shè)計了一種可拆卸、可調(diào)節(jié)伸縮長度的電動采摘器，該設(shè)計可以通過手動調(diào)節(jié)伸縮桿的長度，有效解決因刺梨位置較高或較遠而無法采摘的問題。

1 刺梨采摘器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

課題組設(shè)計的采摘器模型如圖1所示。采摘器主要由伸縮裝置、剪切裝置和收集裝置三個部分組成。其中，伸縮裝置由防滑手柄3、伸縮桿4和電線1組成；剪切裝置由滑塊7、刀片8和回復(fù)彈簧9組成；收集裝置由收集箱2、收集管5和固定環(huán)6組成。

圖1 采摘器總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 收集裝置

收集管5通過伸縮桿4上的兩個固定環(huán)6固定在伸縮桿4旁，且與采摘器相連。剪切后的刺梨通過采摘頭沿收集管5進入收集箱2中，收集箱2中有三個直徑不同的圓孔，可以按照尺寸對刺梨進行初步篩選。

1.2 伸縮裝置

伸縮桿4由三根直徑不同的空心長管組成，防滑手柄3安裝在底部的長桿上，動作系統(tǒng)主要安裝在上桿內(nèi)部，內(nèi)接電線1和電瓶連接用于輸電，且上部桿與采摘頭通過螺釘連接，便于拆卸。

1.3 剪切裝置

該裝置通過動作系統(tǒng)動作帶動滑塊7沿導(dǎo)軌運動，從而使月牙形刀片8向圓心處運動實現(xiàn)剪切，動作系統(tǒng)停止動作，在回復(fù)彈簧9的作用下復(fù)位。刀片采用月牙形設(shè)計，能夠在剪切刺梨莖的同時將刺梨包裹，避免落到其他地方。而在刀片復(fù)位時，刺梨落入采摘頭中，沿滑槽進入收集裝置。采摘頭如圖2所示。

圖2 采摘頭示意圖

2 刺梨采摘器動作系統(tǒng)設(shè)計

2.1 采摘器采摘動作實現(xiàn)過程

采摘器上部桿和采摘頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)局部剖視圖如圖3所示。其動作實現(xiàn)過程如下：電池供電，在開關(guān)作用下驅(qū)動電磁鐵；電磁鐵產(chǎn)生電磁作用力，將采摘執(zhí)行部分帶動三股拉繩，使滑動刀頭沿螺桿滑軸移動，實現(xiàn)對刺梨莖的剪切；切斷后的刺梨落在帶凹槽的采摘頭中，沿收集管進入刺梨收集箱，同時刀片在回復(fù)彈簧的作用下復(fù)位。

圖3 采摘器動作說明圖

2.2 相關(guān)部件說明

1）電磁吸頭一端與電池相連接，另一端的電磁吸頭固定座固定在上部桿中，通過螺栓固定在上部桿中，并通過螺栓安裝在電磁吸頭座上。

2）吸附頭上部有凹孔，能夠?qū)⑶懈罾K固定在吸附頭上。吸附頭上有彈簧法蘭，用于固定彈簧的下部，彈簧上部分依靠彈簧固定座固定。

3 有限元分析

3.1 有限元分析參數(shù)選定

課題組采用UG-NX12.0軟件對采摘裝置三維模型進行有限元分析，該軟件可在建模狀態(tài)下直接進入高級仿真模塊。將經(jīng)UG繪制的采摘裝置三維模型導(dǎo)入高級仿真模塊，通過新建FEM和仿真命令進入創(chuàng)建有限元模型環(huán)境[6]。為縮短劃分網(wǎng)格和求解的時間、提高解算速度，通過創(chuàng)建理想化模型命令去除實體模型中不必要的孔和曲面等細小特征，以簡化模型。

指派材料與網(wǎng)格劃分通過指派材料命令定義挖掘裝置材料屬性為Steel[7]，各材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 Steel材料性能

劃分網(wǎng)格是進行有限元分析的關(guān)鍵一步，網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣直接影響求解結(jié)果的準確性，即劃分網(wǎng)格單元越小，計算越精確，但運算速度越慢。UG高級分析模塊可直接在模型上劃分網(wǎng)格，通過網(wǎng)格生成器建立挖掘裝置的3D 四面體網(wǎng)格模型。為提高計算精度和速度，設(shè)定網(wǎng)格單元大小為 1 mm。

3.2 滑塊的有限元分析

滑塊在采摘裝置中承擔(dān)主要拉力，故對采摘裝置的滑塊進行受力應(yīng)變情況分析，這里選用傾斜角度為45°、30°和22.5°時的情況進行分析。

三種不同角度滑塊受應(yīng)力的情況分別如圖4、圖5和圖6所示。由圖可知，當(dāng)傾斜角度為時45°時，最大應(yīng)力為45.15 MPa；當(dāng)傾斜角度為30°時，最大應(yīng)力為45.24 MPa；當(dāng)傾斜角度為22.5°時，最大應(yīng)力為44.84 MPa。綜上考慮，當(dāng)滑塊的傾斜角度為22.5°時，滑塊所受應(yīng)力最小，能夠減少相應(yīng)的摩擦，從而延長使用壽命。

圖4 滑塊傾斜角度為45°

圖5 滑塊傾斜角度為30°

圖6 滑塊傾斜角度為22.5°

4 運動仿真

4.1 設(shè)置運動參數(shù)

直接調(diào)用利用自頂向下方式設(shè)計的參數(shù)化模型在運動界面生成仿真模型，把需要運動的部件添加到對應(yīng)層面上，在UG/Motion模塊中進行運動分析模塊預(yù)處理設(shè)置[8]。

4.2 創(chuàng)建運動分析方案

通過對該裝置結(jié)構(gòu)和運動特征的分析可知，該裝置一共創(chuàng)建了7個連桿。連桿1由三根滑軌和采摘頭底座構(gòu)成，設(shè)置其為固定桿件；連桿2、連桿3、連桿4都由滑塊和刀片組成；連桿5、連桿6、連桿7為彈簧。為使機構(gòu)運動，需要為上述機構(gòu)添加運動副。連桿2、連桿3、連桿4為滑動副，連桿5、連桿6、連桿7為彈簧連接。

4.3 解算方案及求解

在定義了連桿和運動副后，便可以進行求解運算。步數(shù)決定了運動時間的快慢，即數(shù)值越大運動越慢。在采摘頭運動仿真模型中，設(shè)置時間6 s，步數(shù)為500步。

4.4 仿真結(jié)果輸出

上述操作完成后便可以輸出動畫分析，以觀察機構(gòu)的運動情況。運動界面的采摘頭采摘的復(fù)位狀態(tài)圖如圖7和圖8所示。通過運動仿真可以知道該裝置的具體運動情況，并進行相關(guān)改進，利用其參數(shù)來搭建實物模型。

圖7 采摘頭仿真前示意圖

圖8 采摘頭仿真后示意圖

5 技術(shù)特點與優(yōu)勢

5.1 技術(shù)特點

運用可伸縮裝置來調(diào)節(jié)桿的長度，可以實現(xiàn)對較遠位置刺梨的采摘，利用收集裝置可以準確地對刺梨進行收集并進行初步篩選，采用電動方式極大減少了工作人員工作量，省時省力。

5.2 優(yōu)勢

1）相比于傳統(tǒng)的手工采摘方式，本設(shè)計采用電動裝置，能夠減輕勞動人員的工作強度；

2）相比于采摘與收集分離的裝置，本設(shè)計通過固定環(huán)連接到一起，且剪切后無需其他動作就能使刺梨進入收集箱并進行初步篩選，可以減少采摘步驟，提高采摘效率；

3）相比于大部分固定的采摘器，本設(shè)計采用螺紋連接及掛鉤連接，可拆卸更換，方便存放和維修。

6 推廣前景

在物產(chǎn)豐富的今天，刺梨產(chǎn)業(yè)是貴州脫貧攻堅的制勝法寶，具有極大的研究價值。在貴州刺梨產(chǎn)業(yè)論壇上，鐘南山院士便針對刺梨富含維生素C的營養(yǎng)價值，領(lǐng)銜與貴州省呼吸疾病研究所、廣藥集團共同成立“刺梨防治呼吸疾病產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)組”，深入研究和挖掘刺梨的功效[9-10]。貴州省人民醫(yī)院、貴州省呼吸疾病研究所和廣藥集團聯(lián)合開展貴州刺梨產(chǎn)業(yè)科研合作項目。廣藥集團王老吉也推出刺檸吉復(fù)合果汁飲料，帶動貴州刺梨產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動脫貧攻堅。刺梨作為上游產(chǎn)業(yè)的原材料，其采摘是整個生產(chǎn)過程中非常重要的環(huán)節(jié)，該采摘器可以為刺梨的采摘提供便捷的方式。針對較近位置的刺梨，采摘人員可以手工采摘，而對于較遠位置的刺梨，則用輔助工具摘取?！笆止?采摘器”的方式能夠有效提高刺梨的采摘效率，為后續(xù)刺梨的生產(chǎn)加工做好準備工作。該設(shè)備成本不高，具有良好的社會意義和發(fā)展前景，值得推廣。

7 結(jié)束語

課題組針對人工種植的刺梨植株高于野生刺梨植株的狀況，對原有的采摘方式進行了改造，設(shè)計了一種可拆卸、可調(diào)節(jié)伸縮長度的電動采摘器。并通過UG-NX12.0軟件進行有限元分析，仿真模擬其運動情況來優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。仿真結(jié)果表明，該裝置不僅能采摘較高、較遠位置的刺梨，還能在采摘后對刺梨進行收集并進行初步篩選。相比于傳統(tǒng)的采摘方式，該裝置能夠提高刺梨采摘效率，不僅在刺梨產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)鏈中發(fā)揮重要作用，也符合我國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的需求。