便携式太阳能伸缩幼果套袋机设计与应用

石宇梦 徐国祺 杨 佳 李天成

(东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

随着经济社会的发展，人们对于生活质量的追求也与日俱增，对于水果而言，对其质量的要求也愈发提高，因此，这对于水果保鲜的绿色套袋保鲜技术也提出了新的要求。对于幼果进行套袋式维护，更有利于果实的健康成长和着色，为幼果套袋可促进果实着色，提高果面光洁度，降低农药残留，预防日灼，减轻冰雹等机械损伤以及虫、鸟、鼠等对果实的危害，是生产优质、无公害果品、扩大果品外销、保持果业持续健康发展的重要途径[1-4]。目前，采用人工劳动为果实套袋仍然占了相当的比例，这种方法具有强度大、效率低、风险高和操作难等诸多缺点。其操作效率低、危险系数大[5]，甚至还会延误水果流向市场的最佳时期，造成经济损失。现有机械式果实套袋装置需满足纸袋均被逐只单独撑开后才能利用果实套袋装置往果实上套袋，无法实现多只果实套袋逐渐滑出来进行连续性套袋[6]；现有加热式果实套袋装置需满足在电池或电源动力下才能完成套袋过程，且局限于树体一定高度范围内的果实套袋[7]。而且设备较为笨重，耗电量大，整体上不能趋于自动化，不能在小型果农中广泛应用等。对此，本研究采用卷筒式伸缩方式实现连续出袋；以及安装伸缩装置实现给高处树木果实套袋；采用环保、轻质的材料减轻机身重量；同时安装太阳能电池解决在户外使用时幼果套袋机的供能问题。该设备后期的维护简单方便，在满足人性化设计的同时提高工作效率。

1 便携式幼果套袋机的设计

1.1 整体结构说明

便携式太阳能伸缩幼果套袋机包括压架(1)、伸缩按钮(2)、启动按钮(3)、手柄(4)、柔性太阳能电池(5)、蓄电池、2个支架(6)、2个伸缩杆(7)、矩形底架、叉板(8)、壳体(9)、卷筒装置(10)和压板(11)。如图1和图2所示。

图1 幼果套袋机结构图(1)Fig.1 Structure drawing of young fruit bagging machine

图2 卷筒装置结构图(2)Fig.2 Structure drawing of drum unit

该装置壳体上部安装有柔性太阳能电池，壳体内部安装有蓄电池，通过柔性太阳能电池吸收太阳光为蓄电池供电，在壳体上方安装有手柄，手柄上设置有启动按钮和伸缩按钮，用来控制卷筒和伸缩杆的收放。壳体的两侧分别安装有支架，每个支架的凹槽内安装有伸缩杆，能够在伸缩杆电机的驱动下完成伸缩，2个伸缩杆的中间安装有矩形底架，矩形底架的前方安装有叉板，支架的前部的上方安装有压架，压架的前端下方安装有压板，壳体内安装有压架电机、卷筒启动电机和伸缩杆电机，其均由柔性太阳能电池供电，伸缩按钮分为伸长控制键和收回控制键，分别用来控制伸缩杆电机以完成2个伸缩杆的伸长和收回，启动按钮控制压架电机和卷筒启动电机，完成卷筒装置输送套袋以及压架的开合。

1.2 局部装置设计原理

1.2.1 伸缩装置设计

幼果套袋机结构如图1所示。在图1中2支架6凹槽内部嵌入类似鱼竿结构的伸缩杆7，伸缩杆7上刻下牙槽。壳体内设置有伸缩电动机和传动齿轮，齿轮与伸缩杆的牙槽啮合。在按下伸缩按钮2的伸长键的时候，伸缩电动机开始工作，带动齿轮和轴转动，所述伸缩杆7与压刀连接，当伸缩杆7向前伸长，将压刀向前送出，同时在压刀处的果袋由于设置在卷轴上，会递送并带出后面相连的果袋，实现卷筒与压刀之间的果袋输送。回缩时按下回缩键，此时电动机带动齿轮和轴一起反向转动，伸缩杆7带着压刀开始回缩，同时壳体内部的轴开始以伸缩杆7相同的速度转动，将伸长时送出的套袋向回“卷”，完成压刀和套袋的回缩。

1.2.2 柔性太阳能电池设计

柔性太阳能电池具有质量轻盈、柔性高、韧性强和易加工等诸多优良性能的特点，将柔性太阳能电池安装在伸缩装置的主机位置上提供电能，同时配有蓄电池，既可以利用清洁能源太阳能，还可以将电能储存在电池里，同时配有充电口进行充电，实现双向供能。果农在套袋之前，利用柔性太阳能电池可为其储蓄电量。在套袋过程中，果园的太阳光相对充足，可以实现较为持续的供能。利用太阳能作为动力来代替利用电池直接供电的方式，达到节能环保的目的。利用太阳能驱动，在保证设备基本功能不变的条件下，增加对太阳能的充分利用，降低成本，提高机器的应用价值。

1.2.3 轻质材料设计

碳纤维材料集碳材料的强抗拉力和纤维材料的柔性易加工两大优良性能于一身,是一种力学性能优异的新材料,同时碳纤维具有高的比强度和比模量,因此具有强度大、模量高、密度低和线膨胀系数小等特点,可以减轻设备的重量。

1.3 操作过程

果农首先在壳体内固定带有纸袋的卷筒装置，将卷筒装置固定后启动开关按钮，机器开始启动。按动上部的启动按钮，卷筒装置上的纸袋开始向前输送，当输送到固定位置时，压板上带有磁铁，将带有铁丝的袋子上下吸开，达到张开袋口的目的。此时找准幼果，将果柄部分放入叉板中间位置，按动启动按钮，压架向下运动同时带动压板，压板将纸袋口封住。

当遇到高处幼果时，启动伸缩按钮，伸缩杆将向前延伸，伸缩杆下端刻有凹槽，此时果袋也向前延伸，压刀会将纸袋间的连接处切断，按动启动按钮，压板磁铁吸开纸袋，将果柄放入压夹中间位置，按动启动按钮，压夹向下运动，同时带动压板，完成封口，将果袋取出。此时按动伸缩按钮，伸长出来的纸袋将会缩回，伸缩杆也同时缩回，便可继续进行幼果套袋。

1.4 注意事项

本设计方案展示的幼果套袋适用于体积较小的幼果套袋，对于大体积果实不具有兼容性。在操作过程中，每次安装果袋75～100个，由于设备连续套袋，因此需要在果袋连接处留有切口，便于逐个套袋。在设备运行过程中，应尽量确保目标套袋果实处于专用套袋中央，同时确保果柄处于专用套袋中央[8]，伸缩杆应保持较低摩擦力，以便伸缩装置能自由伸缩。因套袋机设置有较多铝合金零件，套袋机应置于干燥通风处，要避免套袋机受到挤压，造成变形无法使用。

2 使携式太阳能伸缩幼果套袋机的特点及优势

2.1 特点

本研究的便携式太阳能伸缩幼果套袋机，为了能够更加自如的实现幼果套袋机的伸缩，方便高处幼果套袋，内部添加了伸缩装置，在低处也可以轻松给高处幼果套袋，巧妙地解决了在高处幼果套袋时不方便的问题。伸缩装置采用高强度铝合金，减轻了机身的重量。

本研究将传统的平行出袋方式改为卷筒式出袋结构，卷筒电动机带动齿轮转动，进而带动卷筒转动出袋，节省空间。

在设备的供能方面，本设备采用柔性太阳能电池,用太阳能为装置提供能源,做到了绿色环保、清洁无污染,且具有充电功能。柔性太阳能电池质量较轻、柔性可塑、适用性广,可以极大地减轻机身的重量。果农套袋时,果园太阳光较为充足,可以利用太阳光驱动,同时配有太阳能电池,满足阳光不充足条件下的使用，从而实现双向供电。

与传统的套袋机相比，本设备采用轻型碳纤维材料和轻质高强度铝合金材料，具有轻便简洁、操作性强、适用性广和高效环保等诸多优点。碳纤维材料集碳材料的强抗拉力和纤维材料的柔性易加工两大优良性能集一身，是一种力学性能优异的新材料。同时碳纤维具有较高的比强度和比模量,因此具有强度大、模量高、密度低和线膨胀系数小等特点,可以减轻设备的重量。

2.2 优势

本便携式太阳能伸缩幼果套袋机是一款轻质、环保、可伸缩、带有自动充电功能的幼果套袋机。通过改变传统的果袋传送方式，用一种卷筒的方式将果袋输出，可以节约空间，使机身更加小巧便携。同时增加了伸缩装置，可以满足较高果树的套袋需求，解决了果农们在高处给幼果套袋的风险。在卷筒装置上方安装柔性太阳能电池，收集能量，自主提供电力供应，并配有蓄电池，满足日光不足情况下设备的电力供应，并且更加环保。采用碳纤维以及轻质铝合金材料作为机身材质，达到给机器瘦身的目的。该幼果套袋机实现半自动化，极大地提高了幼果套袋的效率，节省了大量劳动力，而且操作简便、安全，无需培训即可使用。

3 结语

本装置通过柔性太阳能电池进行电力供应，不仅减轻了机身重量，而且利用清洁能源太阳能进行供电，对环境无污染，符合当今时代的发展需要。卷筒设计改变了传统方式的平行出袋方式，更好的利用机身空间，减小机身尺寸。铝合金的伸缩杆装置也能减轻机身重量，同时解决了高处幼果不便于套袋的问题 。基于以上考虑与设计，希望能给果农们带来方便，减轻果农的作业负担，提高工作效率，保证水果品质，满足消费者的需求，同时也希望通过进一步的改进，能将幼果套袋机应用于其他领域，做出更多的创新。