重力下落双“V”型爪苹果采摘器的研制

童 欣 黄智鸿 杜 珂 韩 威 林 建

（福建农林大学，福建福州350002）

0 引言

市面上的苹果采摘器的采摘方式主要以拽拉、剪、切割为主，收集方式为网兜收集和逐个取果，采摘器杆子为可伸缩杆或为固定杆长的杆子。其价格非常低廉，被果农或者普通家庭广泛使用，但它们普遍存在着采摘效率低、不能减少采摘者的劳动量等问题。

针对市面上采摘器所存在的不足，笔者设计了一种依靠重力下落，拥有双“V”型爪子的苹果采摘器，其可极大地提高苹果的采摘效率，降低采摘者的劳动强度，且可以适应不同高度、不同大小的苹果的采摘作业。

1 设计思路与结构原理

1.1 设计思路

人工采摘苹果时，用手轻轻握住果实，食指按住果柄，然后向上掀，使果柄与果枝从离层部位断开，轻轻取下果实[1]。树上每颗苹果的大小都不一样，那么采摘器在抓取苹果时必须能够实现无级调节大小的功能。普通采摘器有些是通过网兜进行盛装苹果，待网兜里苹果重量到达一定值的时候，采摘者再收回杆子，取出网兜里的苹果，这种网兜收集苹果的采摘器可以做到连续工作，提高采摘效率，但是由于采摘器的长度比较长，随着网兜苹果数量的增多，力矩会成倍的增大，因此工作时需要频繁地收缩杆子进行取果，这个步骤耗时耗力，若利用苹果自身重力下落进行收取，便可省去人工手动收缩杆子这个步骤。

市面上的采摘器杆长均固定，即使是伸缩杆也有极限长度，为了适应各种高度的树木，采用可拼接的杆子，根据果树高矮来调整其节数。

1.2 结构原理

重力下落V型爪苹果采摘器主要由双滑轮、“V”型爪、可拼接爪、连接滑块四部分组成，如图1所示。

图1 采摘器结构图

（1）双滑轮。其安装在采摘器末端，由上下两个滑轮组成，上滑轮是保证采摘器在采摘过程中由于树枝树叶等的干扰使钢丝绳从下滑轮的滑槽中脱落；下滑轮是使钢丝绳绕过杆子，减小其在作业时上下滑动的摩擦阻力，这是保证双爪在工作时顺利上升与下降的重要结构。

（2）“V”型爪子。“V”型结构可以使各种大小的苹果卡进爪子与网兜之间，双爪分别固定在钢丝绳的两端，一个爪子在杆子上方，另一个在下方，待上方爪子完成工作时，下方的爪子自动上升，准备下一轮的采摘作业，实现连续高效工作。

（3）连接滑块。其用于连接爪子和杆子，置于杆子的滑槽里。杆子分为三部分：末节、中节、手握节，末节的顶端装有双滑轮，手握节装有手握器，中节用来调节杆子的总长，根据苹果树的高矮来决定中节的节数，每一节长度为一米，节与节之间用双头螺柱进行连接。

2 工作方式

根据苹果树的高矮，调整杆子中节的节数，用双头螺柱进行连接，两个爪子连接在钢丝绳2的两端，钢丝绳跨过双滑轮1（图2）。采摘者将连接好的采摘器举起，对准成熟的苹果，将苹果卡在“V”型爪4（图3）与网兜5之间，用合适的力量往下拖拽杆子3，使苹果与果梗分离掉入网兜，连续进行采摘。随着网兜里的苹果越来越多，网兜总重力不断增大，当重力大于连接爪子与杆子的滑块和杆子滑槽之间的摩擦力时，上方的爪子与网兜会自动地沿着杆子的滑槽往下滑动，而此时处于下方的爪子与网兜会自动上升，进行下一轮的采摘准备。

图2 重力下落双“V”型爪采摘器

图3 “V”型爪

3 结构受力分析

由于杆子由末节、中节、手握节三部分用双头螺柱拼接构成，所以在连接处应力集中大，因此需要进行此处的受力分析，保证采摘过程的安全。爪子、网兜及每节杆子质量为1.5 kg，作业时，杆子与水平面之间的夹角是80°，剪切变形时，作用于杆件的是一对垂直于杆件轴线的横向力[2]，受力分析如图4所示。

F1=Fcos 10°=14.7 N F2=Fsin 10°=2.55 N剪力为：

σ=0.292 4 MPa

通过计算可得螺柱受到的剪力极小，双头螺柱的材料为45钢，已知45钢的许用应力为580 MPa，因此杆子连接处可靠，可保证采摘工作的安全。

4 创新点

（1）重力下落，采下果子后，双爪及网兜重量增大，由于此时重力大于滑轮与槽之间的摩擦力，工作端自动下落，另一未工作端自动上升，实现连续采果，提高采摘效率；

（2）未使用任何电机，纯机械设备，省力，降低成本；

（3）果子借助重力自动下降，极大地降低了工作强度；

（4）杆子可拼接，便于携带，且可适应不同高度的苹果树，双头螺柱连接，便捷安全可靠。

图4 螺柱受力分析简图

5 结语

本文针对现今市场上的苹果采摘器所存在的不足进行了改进，设计了利用重力取果、双爪摘果的新型苹果采摘器，效率高，成本低廉且省力。希望这种新型苹果采摘器能为果农的采摘工作带来便利，减轻他们的采摘负担。

[1]彭磊.欠驱动苹果采摘末端执行器研究和设计[D].南京：南京农业大学，2010.

[2]刘鸿文.材料力学Ⅰ[M].5版.北京：高等教育出版社，2010.

[3]濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].9版.北京：高等教育出版社，2013.