基于真空吸力的水果采摘裝置的設計

涂元明

延邊大學 吉林延吉 133000

中國是世界上最大的水果出產國，居全球13個產量超1000萬噸的國家之首。水果采收作為果園生產全過程中一個重要的環節，具有季節性強和勞動密集性的特點。所用的勞動力占整個生產過程所用勞動力的35%到45%，并且人工采摘勞動強度大[1]。對于那些水果種植面積廣、環境復雜的果園，若采用人工采摘，不僅效率低、勞動量大并且容易在采摘過程中造成果實損傷。如果人手不夠不能及時采摘還會導致經濟上的損失。而采用輔助人工采摘機械采收能減輕人們的勞動強度、節省成本、提高效率，并提供更多的利潤。加之未來人口老齡化趨勢，人工成本必要上升，因此輔助人工采摘必將具有巨大的經濟效益和廣泛的應用前景。雖然現如今的市面上已經有很多相關的人工輔助采摘裝置在售賣，但是它們都具有共同的一些缺點，如采摘效率相比于人工并未較大提高，采摘過程容易損傷水果，特別對于生長復雜的果樹，普通的輔助裝置的采摘就會受到很大的限制。針對以上情況，設計了一種新型的人工輔助真空抽氣水果采摘機。

1 整體方案的設計

1.1 設計條件

本文設計的裝置用于大中小型果園的水果采摘，水果樹高大并且較硬的球形水果，如蘋果、桃子、梨等類球形水果

（1）果樹高度約2到4米。

（2）采摘水果為球狀，直徑是70MM到110MM[2]。

1.2 整體結構

圖1 整體結構

其中包括無油真空泵、高、低壓桶部分，控制部分（三通閥）、伸縮部分（分段式工作桿）、采摘執行部分（漏斗吸盤）、過濾器、移動底座(推車)等。

2 主要工作部件的設計及工作原理

2.1 設計內容

（1）無油真空泵：實現抽氣、排氣功能；（2）高、低壓桶：創造真空環境；（3）三通閥：能控制抽氣和排氣的開關；（4）分段式工作桿：桿件簡單進行長度調節適合不同高度的果樹采摘作業；（5）采摘執行部分：實現各個方向水果準確安全的采摘和放置；（6）過濾器：過濾掉灰塵雜質，保護泵里零部件過快損壞[3]；（7）移動底座：將所有零件固定在底座架子上，方便人工搬運。

2.2 整體結構原理

本水果采摘裝置結構簡單，其中包括無油真空泵、高壓桶、低壓桶、三通閥、過濾器、漏斗吸盤、分段式工作桿。其中分段式工作桿是為了完成不同高度的采摘工作而設計的。由通電后的無油真空泵抽取低壓桶內的氣體，使桶內的氣壓不斷降低形成真空而具有吸力[4]，手動將分段桿末端相連的漏斗吸盤部分對準所需要采摘的水果，手動打開分段桿下端的控制開關，利用氣壓差產生的力吸附水果拉扯采摘。若需將水果放置于收集筐內；調節閥門，使分段桿連通高壓桶內的高壓氣體（有低壓桶內抽取氣體充入高壓桶），產生推力，水果自動從末端機械手中落下，往復使用。

3 結構設計

3.1 分段式工作桿設計及材料選擇

為滿足不同高度果樹的采摘工作，利用三段尺寸分別為100cm，50cm，50cm的鋁塑管實現操作桿的長度調節。工作桿的一端接入三通閥、另一端接吸盤機械手完成采摘工作，選擇鋁塑管這種材料減輕裝置的整體重量，方便果農搬運及輕松手持。選擇鋁塑管的原因是它是一種由中間縱焊鋁管，內外層聚乙烯塑料以及層與層之間熱熔膠共擠復合而成的新型管道。聚乙烯是一種無毒，無異味的塑料，具有良好的耐撞擊、耐腐蝕、抗天候性能。中間層縱焊鋁合金使管子具有金屬的耐壓強度，耐沖擊能力使管子易彎曲不反彈，鋁塑復合管擁有金屬管堅固耐壓和塑料管抗酸堿耐腐蝕的兩大特點。

3.2 控制開關部分設計

使用三通閥作為本裝置的控制開關部分。三通閥閥體有三個口，一進兩出，(左進，右和下出)和普通閥門不同的是底部有一出口，當內部閥芯在不同位置時，出口不同，如閥芯在下部時，左右相通，如閥芯在上部時，右出口被堵住，左和下口通。在這次裝置中左，右，上三個口分別接入低壓桶，高壓桶和分段式操作桿，從而實現利用氣壓差采摘水果以及放置水果。若三通閥未配置開關，則可密封連接雙通閥后再裝配其他部件。

4 結語

（1）真空抽氣原理的巧妙運用，使用范圍廣泛，減少對水果的傷害，便于采摘。（2）工作桿設計為分段式，簡便調整合適長度，亦可分批次采摘。（3）操作者需要合理使用三通閥，靈活實現對水果抓放的控制。（4）經過實地的考察與測試，我們能成功采摘某些比較偏僻、人工采摘不到地方的水果，且采摘率為100%，并且水果的損傷程度幾乎沒有，不影響商家的銷售。我們不需要爬梯子，也不需要有另一個人在地面上輔助，采摘效率高出人工3至5倍，滿足現市場的需求，具有良好的發展前景。（5）本設計還有許多地方仍有待改進，可以再進一步提高伸縮桿的靈活性，避免出現采摘完高處的水果后難以收回的現象，導致無法將水果快速放入車籃的困難；車輪可設計為履帶式以適應果園不平的地勢。