苹果树刻芽工具的设计

鲁 权 ， 成 义 ，张文斌

（1.宁蒗恒泰农业投资开发有限公司，云南 丽江 674300；2.红河学院工学院，云南 红河州 661199）

0 引言

作为世界第三大水果的苹果有着温带水果之王的美誉，原产于欧洲、中亚和我国新疆西部一带，栽培历史已有500 年以上。中国作为世界最大的苹果生产国[1]，苹果种植面积超3 000 万亩，产量超4 000万t，分别占世界苹果种植总面积的42.2%、总产量的45.5%，并已形成环渤海湾、黄土高原两个优势产区，黄河故道重要产区及新疆等特色产区。苹果全产业链从业人员超过3 000 万人，每亩平均收入5 000 元以上。因此，苹果生产在促进农民增收、发展我国乡村经济等方面均发挥着举足轻重的作用[2]。

何为刻芽[3-4]：在果树的幼芽萌发之前，用小钢锯片将幼芽上方的树皮刻破，刻的深度至木质部，以阻断营养、水分的向上传输，使营养滞留在伤口下方的芽上，促使其萌发生长。

对于新种植的幼树来说，要想提高幼树的枝条萌发数量，对幼树进行刻芽是重要手段，且刻芽对于果树提前结果、提早开花、催发短枝有显著的作用。刻芽也可用于骨干枝的延长枝，以避免光杆枝，增加延长枝上侧枝的数量。刻芽的特点是可以定向发枝，使果树的枝条按照最理想的方向生长；对于长的发育枝，可以连续刻芽或间隔刻芽，以更多、更均匀地诱发短枝。刻芽作为解决偏冠缺枝和快速培养树形的有效措施，对保障苹果产量具有重要意义[5]。

果农们在每年的3 月中下旬至4 月中旬（也就是苹果树萌芽前15～30 天）都会对果树逐枝进行刻芽工作。当前果农使用的刻芽工具有小刀、剪枝剪的刃、小钢锯、Y 型刻芽刀、刻芽剪刀等。使用最多的刻芽方式是钢锯条刻芽：钢锯条掰成两半，一端缠上几圈胶带用作握把[6-7]。使用传统手动刻芽方式可分为“按压”和“水平划拉”两个动作。这种刻芽方式的刻芽深度难以掌控，容易造成刻芽失败，而且在大量重复刻芽作业时，会造成果农手臂酸痛，大大增加果农的疲劳感。为方便刻芽工作的进行，考虑设计一款电动刻芽工具，其具有轻便省力、方便携带、刻芽离地高度可测、刻芽深度可控等优点，可实现更轻便省力、成功率更高、更标准化的刻芽工作。

1 设计背景

为使设计的刻芽工具具有实际应用价值，在开始设计之前进行了资料查阅和实地考察，得出刻芽的最佳时期在3 月末至4 月初这段时间，刻芽的离地高度大于70 cm，相邻两个被刻芽间距15 cm，刻芽的创口在芽的上方3 mm～5 mm 处，刻芽深度以刻破树皮至木质部即可，刻芽前后对比图如图1 所示。

图1 刻芽前后对比图

2 设计方案的优化

2.1 初代刻芽工具

本方案选择795 前后双滚珠轴承电机：功率100 W、净重0.37 kg，80 mm×0.8 mm 双层圆盘锯片作为刻芽刀具，设有3 V～35 V 直流调速旋钮，电机转速7 500 r/min～15 000 r/min 可调；搭配船型自锁开关控制电机是否工作；采用12 V 外接电源以减轻手持重量，深度调节装置仿照木工切割机支架设计；手持部分为3D 打印双夹持臂，保证刻芽工作时不会左右晃动，外壳部分采用3D 打印的方式[8]进行一体化设计。第一代刻芽工具三维结构如图2 所示。

图2 初代刻芽工具三维结构

2.2 二代刻芽工具

本方案以初代刻芽工具为基础，解决了初代刻芽工具存在的创口过大、无法夹持、限位失效、重量过大、成本过高等问题，优化了外壳结构，省略了调速部分，增加了离地高度测量装置。第二代刻芽工具由以下几部分组成：根据初代刻芽工具的设计经验和多次实验得出，12 V、1.7 A 的RC380 微电机足以满足使用需求；电池沿用初代的外接式12 V、4 000 mAh锂电池；60 mm×0.8 mm×6.35 mm 的圆盘锯片执行刻芽操作；由DS-211 点动开关控制电机是否工作；由1.5 m 一键回缩皮尺完成离地高度的测量；由锯片下方的可调节挡块限定刻芽深度。二代刻芽工具三维结构如图3所示。

图3 二代刻芽工具三维结构

2.3 三代刻芽工具

三代刻芽工具在二代刻芽工具的基础上优化了供能电池结构，将电池体积压缩，充分利用握把的中空部分，将其改为电池仓。接线盖改为可活动的电池仓盖，便于电池更换：需要更换电池7 时，将电池仓盖6 沿底端打开，合页8 固定电池仓盖并旋转打开，电池更换好后，盖回电池仓盖，由磁铁4 进行吸合。三代刻芽工具重量更轻，重量只有二代工具的1/2，使用更加便捷。三代刻芽工具三维结构如图4所示。

图4 三代刻芽工具三维结构

3 系统关键零部件设计

3.1 电机的选择

因本设计只用于刻芽使用，装置受力很小，所以选择电机直接传动的传动方式，传动比为1∶1。根据多次测试实验，选择适当的电机型号，初代刻芽工具电机选择795 前后双滚珠轴承电机，搭配PWM 直流电机调速器的初代刻芽工具在实际使用过程中发现电机功率过大，造成了电量浪费、成本增加。在初代刻芽工具的经验基础之上，第二代、第三代刻芽工具选择RC380微电机，其参数如表1所示。

表1 RC380微电机参数

3.2 执行装置的设计

执行装置的三维结构如图5 所示，锯片连接杆5 选择与小型手工锯片相匹配的常规类型，直径3.2 mm 端安装杆长度截短至12 mm 处。这样设计的理由是：在满足变径连轴器安装长度的同时，尽量降低锯片的旋转重心，可增加刻芽工具在使用时的平稳性。变径连轴器3 采用螺丝夹紧[9]的方式固定在电机轴上，另一端也采用两端夹紧的方式固定锯片连接杆，可拆卸更换消毒过的锯片。其尺寸根据电机输出轴的直径2.3 mm 和锯片连接杆的装夹端直径3.17 mm选择。锯片4 尺寸略大于等于电机外壳直径D与深度调节装置的最小径向高度H之和。由图2～6 可得，D+H=27 mm，取锯片直径为60 mm。

图5 执行装置的三维结构

3.3 深度限定装置的设计

由所学建模知识[10]，对深度限定装置部分进行三维设计，深度限定装置的三维结构如图6 所示。电机外壳直径比电机直径大1.5 mm，电机外壳中直径28 mm 的卡槽，电机用直径28.5 mm 的“电机上盖”安装固定在外壳中；深度调节装置用M5 的螺栓夹紧，调节范围0～3 mm，以适应不同树龄的树皮厚度。

图6 深度限定装置的三维结构

3.4 高度/间距测量装置的设计

高度/间距测量装置的三维结构如图7 所示，卡尺环用螺丝钉固定安装在握把下方的23 mm×23 mm方形接口内，用于安装测量刻芽离地高度的皮尺。方形皮尺尺寸为48 mm×48 mm×18 mm，所以卡尺环的卡环内部尺寸也为48 mm×48 mm。

图7 高度/间距测量装置的三维结构

3.5 整体结构及工作原理

刻芽工具的结构原理如图8 所示，刻芽的离地高度由皮尺1 来测量，电能由电池7 提供，电池负极接入电机14 的负极引脚，正极通过点动开关5 后接入电机正极引脚，变径连轴器12 连接锯片连接杆，锯片连接杆夹紧锯片9，电机通过变径连轴器和锯片连接杆把转动传递给锯片，实现刻芽工作。

图8 刻芽工具的结构原理

工作原理：工作时打开电池仓盖6，装入电池7后盖回电池仓盖，磁铁4 吸合仓盖。按下点动开关5时，电流通过电机使电机转子旋转，此旋转通过变径连轴器和锯片连接杆传递给锯片来实现树皮的切割，切割深度至深度调节装置10 限定的深度时就完成了一次刻芽。待电池电能用完后，将电池取出进行充电，换上充满电的电池又可继续刻芽。

4 实验结果分析

按实测刻芽间隔3 s 一颗芽，电机刻一颗芽的工作时间（旋转时间）1 s 计算可得单块电池续航时间约为4 h；按照实验当地的刻芽习惯（平均每个侧枝刻3～4 个芽，主枝刻2～3 个芽）和树形管理（株距1 m，行距3.5 m，每株8～9 个侧枝）计算可得，一块电池可持续刻芽面积为620 m2。由于决定刻芽速度的主要因素就是刻芽过程中工人的疲劳程度，因此可用刻芽速度衡量工人疲劳程度，经过实地实验，采用控制变量法，可得使用电动刻芽工具刻芽造成的疲劳程度比使用传统钢锯片刻芽造成的疲劳程度少10%～15%，电动刻芽工具刻芽的成功率比传统钢锯片刻芽的成功率高约11%。

5 结论

本设计完成了苹果树刻芽工具的设计，并在实际使用过程中发现问题、不断改进，最终设计的刻芽工具实现了高效且轻便省力的刻芽工作。本刻芽工具具有以下特点：1）本设计对刻芽工具进行了大胆的创新设计，把机电技术融入简单的苹果树刻芽工作中，大大提高了刻芽工作的规范性和成功率，更方便果树树形的管理，提高空间利用率，对提高果树的产量具有重要意义。2）为实现轻量化设计，采用了简单机构、塑料外壳的设计方式，在减轻刻芽劳动负担的同时，一定程度上也能够提高刻芽的工作效率。3）本设计可根据果树生长年限的不同来调节刻芽的深度，以应对树皮厚薄不一的问题。