滑道式苹果采摘辅助装置设计

刘凯 茅毓 顾贤

摘 要：文章主要对目前人工种植的苹果采摘的现状进行了分析，并对比目前市场上已经出现的采摘工具，分析了其中的不足和弊端。从而确定了本作品的设计目标和总体方案。文章还对装置的零件结构和原理进行了详细说明，并通过验证来证明其可行性。

关键词：滑道；苹果采摘；机械装置

中图分类号：TP241 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）34-0084-03

Abstract： This paper mainly analyzes the current situation of apple picking by artificial planting， compares the existing plucking tools in the market， and analyzes the shortcomings and disadvantages of them， thus determining the design goal and the overall plan of this work. The structure and principle of the parts of the device are described in detail， and its feasibility is proved by verification.

Keywords： slide way； apple picking； mechanical device

1 概述

我国是一个拥有悠久历史的文明古国。在几千年的历史发展中，农业在我国经济体中一直都占有着很大的比重，水果种植是其中很重要的一部分。经调研发现，人工种植的苹果树可高达三至四米，采摘的难度很大，高的果树需要果农爬高来进行采摘，采摘效率低的同时还对果农的人身安全有一定的威胁性。

本设计针对苹果采摘中存在的劳动工作量大、作业范围广、触碰力度要求高等现状，帮助果农来解决苹果采摘的难题。

2 国内外研究现状

本文通过考察对现在市场上已经存在的苹果采摘装置进行了调研，国内外在经济形势上存在一定的差异。国外以欧美发达国家为例，其农业牧业都是大平原大规模，采用大型机械来耕种采摘。他们常使用的是一种大型的苹果收割机，这一种收割机开到果树旁，利用横向的刀口对苹果实行采摘工作。此外，较多使用的还有一种抖苹果树的大型机器，通过抖苹果树，将苹果抖落在地上以后，通过扫苹果的机械将苹果收集起来。国外的机械采摘效率比较高，规模大，采摘起来方便。但与此同时，会对苹果的造成不同程度的损坏，很难保证水果完整率，而且外国机械对空间要求比较高，价格比较昂贵，在我国现有的情况下，这样的采摘模式不太容易实现，对果农的经济压力比较大。

国内的水果种植业主要以个体户为单位，特点是分散且封闭，规模较小，我国已有的苹果采摘装置大多是小型机械和辅助装置，其中三爪抓取、剪刀杆采摘是使用的比较广泛的装置。这类装置解决了部分采摘困难的问题，但是这种机械爪也存在一定的不足，采摘时力度不好掌握，

采一个拿一个，不能实现连续的采摘，效率低下。同时国内也不乏一些大型收割机，但是使用的范围规模都比较小，效果也不太理想。

综上所述，国内的采摘机械的不足大致如下：

（1）采摘效率低。目前，基本上所有的苹果采摘装置都是在杆的前端安装一个网兜或是手爪。果农摘取一个苹果，然后收回杆，再取出苹果，不能实现连续采摘，效率非常低。

（2）对苹果的保护措施不够。在水果采摘之后，对多汁水果不能起到一个很好的保护作用，会对水果有不同程度的损伤，最终损害到农民的收益和利益。

（3）大型设备造价高，果农负担不起。

（4）果农劳动强度大。由于还未出现能够实现连续采摘的装置，果农每摘一个苹果就需要重复一次操作，最后弯腰将苹果放入果篮中，劳动强度很大。

由此可见，目前能够应用于人工种植的苹果采摘的方法和装置还不太成熟，有很大的改善空间和应用前景。

3 设计目标与方案设计

为了解决目前苹果采摘存在的问题，本团队制定了以下几点设计目标：

（1）提高苹果采摘的效率，能够实现连续采摘。

（2）果实成熟期不同，能够选择性采摘。

（3）保障水果成品质量，最大限度地做到完好无损。

（4）降低果农劳动强度，减轻果农的采摘工作量。

（5）保护果农安全。

（6）降低采摘成本和装置维护成本。

本滑道式苹果采摘机械装置（见图1）是由1、杆；2、刀头；3、滑道；4、伸缩缓冲区；5、高弹网；6、支撑架；7、果筐及其行走机构组成。其工作原理是将杆拉伸至苹果生长高度，兜住苹果，捏动手柄，剪断树枝，使苹果掉入软体滑道并沿滑道下滑，经过滑道中的多级减速最终掉入装有缓冲区的果篮中。

4 結构设计与制作描述

本装置以一根不锈钢杆为主体，在杆的前端安装有一圈刀头，刀头下接软体滑道，滑道的下半部是由一个四边形的框将滑道低端固定在收纳筐的边沿，滑道中间是一个高弹绳制成的第一级减速装置，然后到滑道固定端，由斜坡减速后经过高弹网再一次进行减速，最后通过收缩口落入装有缓冲区的框中。

（1）杆：根据调查，人工栽植的苹果树一般在3～4m。为了解决苹果采摘作业范围广，果实分布高低不均这一问题，我们采用不锈钢杆作为主体，杆长至3m，配合果农的身高，最大采摘高度可以达到4.5～5m。杆前端有螺孔，可配合安装刀头。杆内装有钢绳和握把（如图2），用来拖动刀头旋转。末端装有杆的设计解决了果农需要爬高的问题，降低了果农的劳动强度。

（2）刀头：刀头采用直径16cm的双13齿铝合金刀头（如图3），通过刀头的逆向剪切摘取苹果，保证采摘时的全方位、无死角。刀头的刀爪上装有软垫用来与苹果接触。刀头杆套上装有弹簧，用以刀头剪切后的回弹。刀头上装有钢圈用来安装滑道且方便拆装和更换。便于拆装的设计大大降低了维护成本。

（3）滑道和伸缩缓冲区：滑道的材料采用具有张紧力的氨纶布料（93%涤纶+7%氨纶，根据各地的不同可以适当调整涤纶与氨纶的比例，来最大限度的进行缓冲），苹果下滑时能够与滑道完全接触，氨纶特有的张紧力能够增加苹果下滑的滑动摩擦力，最大限度地为苹果进行缓冲减速。为了解决苹果分布高低不均，采摘低处苹果时滑道过长的问题，需要在滑道上设置伸缩区来适应采摘高度的变化，伸缩区由4条橡高弹绳来控制滑道的伸缩，同时可对下滑的苹果进行缓冲。在滑道末端设有漏斗状收缩口，进行最后的减速。采用氨纶滑道极大地降低了苹果的下降速度，一定程度上保护了水果的完整性，同时也可以保证了连续采摘的要求，提高效率。

（4）高弹网：由高弹绳编成的一道减速网（如图4）。苹果沿滑道滑下通过弹性网进行减速。进一步对苹果减速，保证了苹果落入框中的完整性。

（5）支承架（如图5）：由3D打印制作而成的高密度框架。[1]框架的两侧有两排密布的小孔，用来安装弹性网。框架的作用是与滑道连接并起到支撑作用，同时通过螺栓使滑道与果篮安装在一起，保证杆向上拉动时支撑架不会脱落。[2]

（6）果筐及其行走机构（如图6）：果筐采用大小为470*315*265mm（尺寸可根据需要更改）的塑料筐，塑料筐的下方安装有四只轮径为40mm万向轮，铝架侧面装有拉杆，以便移动果篮方便。塑料筐与铝架采用卡槽连接，方便更换果篮。行走机构保证了可以实现连续的采摘。

5 结构分析与操作流程

意大利科学家伽利略在1630年提出一个分析学的基本问题──“一个质点在重力作用下，从一个给定点到不在它垂直下方的另一点，如果不计摩擦力，问沿着什么曲线滑下所需时间最短”。[3]后来有人通过实验发现：在一个斜面上，摆两条轨道，一条是直线，一条是曲线，起点高度以及终点高度都相同（如图7）。两个质量、大小一样的小球同时从起点向下滑落，曲线的小球反而先到终点。这是由于曲线轨道上的小球先达到最高速度，所以先到达。这就是著名的“最速降线问题”。

本作品依据“最速降线”原理，放弃使用硬质斜坡轨道，而是采用软体曲线轨道。这种方案在使苹果能以最快速度从高处下降到指定位置的同时，还可以充分保护苹果表面，避免苹果损坏。但是这种方案的弊端就是苹果下落的速度过快，这就需要我们采用具有张紧力的氨纶材料作为滑道的制作材料，并在滑道上设置缓冲区来给苹果减速。

本作品的使用操作流程是：

（1）将杆伸至苹果所在的高度。

（2）将苹果套入刀头中，捏动手把将苹果剪切摘下。

（3）苹果摘下后落入滑道沿滑道下滑。

（4）苹果经过伸缩缓冲区进行第一级减速。

（5）落入高弹网进行第二级减速。

（6）进入收缩斜坡进行第三级减速。

（7）落入果篮中的缓冲垫上。

（8）待果篮装满后，换上空果筐。

（9）推动小车至下个采摘点，继续采摘。

6 创新与应用

本设计的新颖之处：

（1）加入软体滑道，可直接使苹果滑入框中，实现了连续采摘。

（2）滑道中加入了缓冲机制，最大限度的保证了多汁水果的完整。

（3）果篮安装万向轮和拉杆，移动果篮更加方便。

（4）卡槽设计，更换果篮更加便捷。

（5）两层可旋转刀头，摘取苹果更高效。

本设计的应用前景：

（1）成本低。在同样的价钱中，滑道式苹果采摘机械装置比其他的采摘装置功能更完善更好，可在水果种植行业大范围推广。

（2）结构简单，輕便，易于携带。单人操作，对果农的技术要求不高。

（3）纯机械结构。相比于电气设备，故障率更低，适用性更高更广泛，维护成本更低。

7 结束语

本项目在已有的产品基础上创新的加上软质滑道。与之前的采摘辅助装置相比，实现了水果的连续采摘和对多汁水果采摘时的保护，最大限度地保证了果农的收益，为提高采摘效率，保护果农安全提供了一定的新想法和技术支持。

参考文献：

[1]王细样.现代制造技术[M].国防工业出版社，2010.

[2]杨可桢，程光蕴，李仲生，等.机械设计基础[M].高等教育出版社，1979.

[3]黄东卫，郑丽霞，通拉嗄.一类最速降线与最短路径问题[J].工科数学，2000（01）.