基于太陽能電池供電的花椒采摘器的結構設計

付子桐，嚴文超*

湖北三峽職業技術學院（宜昌 443000）

目前，市場上存在各種各樣的花椒采摘器，它們所具有的功能有一定的區別[1-2]。花椒的生長環境一般是海拔較高的山地，因而不適合大批量的種植，也限制了花椒采摘器的發展[3-4]。國內花椒不能大規模批量種植，其采摘基本還以人工為主，采摘效率低下[5-6]。基于此，市場迫切需要一種新的花椒采摘器來解決這一問題。隨著我國經濟快速發展，市場上對于此類產品的需求不斷增加，給農業機器的發展提供了很好的契機，這既是一個挑戰，也是一個機遇。盡管目前生產設備落后，但是國內機械還是取得了一定進步。因為我國城市發展水平不平衡，內陸城市的機械設備研發沒有得到足夠資金的投資，而沿海城市，尤其是江浙地區農業加工器具的企業很多，通過從外國來引進先進技術，并在此基礎上進行創新，可以接受各大食品加工企業的私人訂制，滿足客戶對特殊產品加工[7-8]。

1 花椒特點介紹

1.1 花椒形態

花椒屬于落葉灌木，高度在3～7 m，具有很濃香氣，一般在海拔較高的山地。除東北和新疆外幾乎分布于全國各地。它存在幾種不同的樹形，包括三主枝開心形、叢狀、自然開心形[9]。

1.2 花椒的采摘

采摘需確定好花椒最佳的采摘時間。由于采摘花椒需要的僅僅是花椒的果皮而已，所以花椒最佳的采摘時間也就是花椒果皮成熟時，只有這個時期才可以獲得品質更佳的花椒。確定好采摘時間后，準備采摘的準備工作，需準備一把可以把花椒果取下的剪刀，需準備一個用于放采摘的收集裝置，收集裝置要有光滑的內壁，這是為了避免放花椒果時出現花椒果皮與收集裝置的內表面出現摩擦，從而損傷花椒果的品質[10]。一般采摘的時間最好選在晴天采摘，這樣可以最大程度保持花椒果皮的品質，提高采摘的效率，在采摘時爭取一次性采摘，即采摘時盡量只采摘花椒，其余一概不采摘。

2 總方案的選擇

傳統上對花椒的采摘采用人工采摘的方式。采用這種方式存在很大的弊端[11]：一是因為花椒的生長地環境比較惡劣，一般在高海拔地區，且花椒樹上刺多，人工采摘時稍有不慎，就會傷到采摘人；二是花椒樹的高度較高，采摘人員必須爬到樹上采摘，有高處作業跌落摔傷的風險，且采摘效率較低。

2.1 方案介紹

2.1.1 方案1

方案1是對市面現存的花椒采摘器存在的缺點，進行補充設計的一種菱形圓形鋸齒采摘器。通過使用這種采摘器，不需要與花椒接觸，避免被花椒上的刺刺到，可以極大提高采摘效率。

方案中需要的部件：刀具、連桿，手柄。按照設計需要4把刀具。

設計的新型采摘器工作說明：為了實現采摘器把花椒采摘下來的功能，需要刀具對花椒的根部產生一個切割力，對刀具的要求是刀具的角度是可以變化的。刀片是安裝在連接軸上，需要改變連接軸的方向。設計在于通過一個連桿機構，連桿向上滑動時，連桿另外一端與2個三角架連接在一起，在連桿的推動作用下，會改變連接軸的位置，即相當于改變刀具的位置，通過這樣的方式獲得不同位置的刀具。設計的要求是需要刀具動起來，才可以對花椒產生一個切割作用，為此采用電機來驅動。通過電機的轉動，帶動與電機軸連接的軸轉動，利用軸上面齒輪的嚙合，各自帶動各自軸的旋轉，軸的旋轉也就帶動了軸上刀具的旋轉，從而使軸上的刀具獲得轉速，產生切割作用。基于此設計，這種結構可以實現更高的采摘效率的功能。

2.1.2 方案2

方案2包含4個刀具及一些必要部件。刀具能實現角度轉動，反轉開關被打開時，4個刀具會把需要切割的花椒包裹在一起，從而實現對花椒的采摘功能。

設計的新型采摘器工作說明：為了實現上述功能，方案2中的刀具也是與連接軸連接在一起。開關打開時，刀具開始轉動。開關調到反轉開關時，各齒輪間的嚙合，互相的傳動，4個刀具會把需要切割的花椒包裹在一起，可以實現對花椒的采摘。

圖1 刀具初始圖

圖2 刀具工作圖

圖3 運動原理圖（未切割時）

圖4 運動原理圖（切割時）

圖5 花椒采摘器示意圖

圖6 花椒采摘器傳動示意圖（切割時）

圖7 花椒采摘器傳動示意圖（未切割時）

2.2 方案對比

經過2種方案的對比和分析，可知花椒果實較小使得在采摘之時不僅要提高采摘效率，提高花椒的采摘質量，而且還要保證采摘花椒徹底，不能在花椒樹采摘部位遺留部分花椒。基于此種情況，就要求運動中的刀具不僅要把花椒剪下來，而且要確保刀具不會傷害到花椒果皮。對比2種方案，可知方案2能夠最大限度實現上述要求，因此選擇方案2實現花椒采摘。

3 傳動方案的設計

3.1 電機的選擇

考慮到采摘的花椒直徑很小，故設計花椒采摘器的時候可以選擇功率較小的電機，選擇一般的電機就可以滿足使用要求。基于此，設計選擇RC-280SA-12300電機，其功率為1.03 W，有負載時電機的轉矩為5 110 r/min，工作效率50%以上，相當于一個微型電機，根據設計需要，可以增減電機的傳動軸的長度[12]。

可知電機的輸出軸的轉速如n=5 110 r/min。

（1）軸1的轉速

帶輪的傳動比：

所以n1=2 555 r/min。

（2）軸2的轉速

齒輪的傳動比：

所以n2=5 110 r/min。

（3）軸3轉速

齒輪的傳動比：

所以n3=2 555 r/min。

3.2 齒輪的設計

（1）經分析結構選擇直齒圓柱齒輪。

（2）齒輪精度為8級。

（3）材料的選擇：考慮工作性質及電機的功率，選擇QT600-2，布式硬度為300[13]。

（4）選小齒輪的齒數：由上述可知帶輪的直徑，要求既要保證刀具可以采摘花椒，故需合理兩者之間的距離，此距離適宜大于50 nm[14]。

3.3 軸承的選擇

設計的花椒采摘器結構尺寸緊湊，在尺寸較小情況下，安裝零部件會帶來一定不便；且因為采摘器結構緊湊，很難向采摘器內部需要潤滑軸承添加潤滑油。基于此此次軸承所選擇材料要帶有一定的自潤滑屬性，且考慮材料的輕便性。因此，選擇新型材料聚四氟乙烯。

3.4 軸的設計

軸承的寬度1.2 mm，故軸的長度選為1.2 mm。安裝齒輪之時，考慮方便安裝的問題，加裝一跟軸，直徑2 mm，長度8 mm。齒輪安裝需要在兩者之間安裝一個軸肩，軸肩的尺寸規格與齒輪的尺寸相符。綜上所述，所設計軸的尺寸參數如圖8所示。

4 太陽能驅動能源概述

4.1 太陽能簡述

地球上的好多能源都依賴于太陽的存在，其中包括風能、水能、海洋能等多種能源[15]。太陽能之所以成為一種能量，其實質是利用一種裝置將太陽所釋放的光能收集并轉化成其他的一種能量，目前太陽能應用較廣泛的是家中必備的太陽能熱水器。另外的一種技術是利用光電反應，使用一種裝置將太陽能轉化成電能進行使用，這種技術被世界各國廣泛接受加以研究，這種技術也被稱為太陽能光伏技術[16]。

圖8 軸的尺寸參數圖

4.2 蓄電池的選擇

花椒采集器的主要能源是依賴太陽能實現的，但考慮現實因素，無法避免因天氣帶來的太陽能無法使用的情況，故在其結構上附加一個蓄電池就顯得尤為重要，可以有效補充因沒有太陽，機器無法工作的情況。

計算可知電動機負載的電流大小為0.22 A，得：0.22×8×5=8.8 A·h。

電動機的額定電壓是9 V，可以根據要求選擇常用12 V系列蓄電池：6-QA-75。

5 結語

對中國花椒本身特點及生長環境做了簡單闡述，并對市場的常用花椒采摘器進行分析，提出花椒采摘器的方案，對其主要零部件進行分析并對驅動動力太陽能電源做了設計。設計的花椒采摘器能夠大大提高采摘的速度，解放勞動力，且能最大限度減少花椒果皮與花椒采摘器的摩擦。從經濟角度和社會效益角度來看，都具有十分深遠意義。