基于氣壓傳動的高空水果采摘收集機(jī)械設(shè)計(jì)

田 超 董海龍 雒佛庶 石萬濤

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院，蘭州 730050；2.國網(wǎng)臨夏供電公司，臨夏 731100；3.西安石油大學(xué)，西安 710065）

在水果種植中，收獲采摘是整個(gè)生產(chǎn)中最耗時(shí)、耗力的一個(gè)過程，收獲期間需投入的勞力占整個(gè)種植過程的50%～70%[1]。由于采摘環(huán)境和操作的復(fù)雜性，目前國內(nèi)水果的采摘基本上還是由手工完成。因此，生產(chǎn)一種可輔助人工采摘的裝置以實(shí)現(xiàn)高效化水果收獲采摘變得非常迫切。本文設(shè)計(jì)了一種集伸縮、剪切、回收功能于一體的水果采摘裝置，廣泛適用于各種果園和個(gè)體的水果采摘，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及總體工作原理

如圖1所示，該機(jī)構(gòu)主要由剪切器、伸縮桿、控制器及回收圈4部分組成。

1.1 球形剪切原理

該部分通過氣缸帶動滑塊上下運(yùn)動，其中滑塊與連桿通過軸相連接，連桿又與半球通過軸相連接，實(shí)現(xiàn)滑塊帶動連桿，連桿帶動球進(jìn)行剪切運(yùn)動。

1.2 伸縮桿工作原理

通過操控三位五通電磁閥控制氣缸不同端進(jìn)出空氣，當(dāng)下端進(jìn)氣時(shí)，伸縮桿向上運(yùn)動；當(dāng)上端進(jìn)氣時(shí)，伸縮桿向下運(yùn)動；電磁閥處于中位時(shí)則兩端都不進(jìn)出氣，伸縮桿停止運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)裝置隨不同高度的自由伸縮調(diào)節(jié)功能[2]。

1.3 控制器原理

當(dāng)裝置接通電源，并打開總開關(guān)時(shí)，氣泵開始工作。首先，當(dāng)剪切裝置需要到達(dá)較高的位置時(shí)，按住控制開關(guān)3中的上升按鈕，使伸縮桿4開始上升，到達(dá)所需高度后，松開上升按鈕，裝置停止上升。其次，按一次控制開關(guān)3中的剪切按鈕，使氣缸5接通，通過連桿7帶動半球裝置10旋轉(zhuǎn)，使兩刀片9相互嚙合，執(zhí)行剪切運(yùn)動一次。再次，當(dāng)摘完高處的水果需要收回伸縮裝置時(shí)，按住控制開關(guān)3中的下降按鈕，使裝置下降，到達(dá)合適的位置松開按鈕即可。最后，水果剪切完成后，將會從半球裝置10掉入導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，從而進(jìn)入回收緩沖布套12，經(jīng)緩沖作用后掉入 水果筐。

1.4 水果回收原理

半球通過連桿推力向上運(yùn)動剪斷果實(shí)柄后，將從半球下端掉入導(dǎo)向元件，從而進(jìn)入回收圈，回收圈里的彈性可收縮布料會給水果提供緩沖作用，保證其不被損傷，最終水果沿回收圈抵達(dá)回收筐。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

剪切部分可簡化成以滑塊為主動件的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)[3]，如圖2所示。

根據(jù)現(xiàn)有條件可知：圖2（b）中a=70 mm，b=165 mm，h=160 mm，e=35 mm，桿a的擺角只需滿足90°即可。

3 氣壓傳動設(shè)計(jì)

3.1 動力分析

按照設(shè)計(jì)方案，伸縮桿所需的力F1為19.6 N，用于剪切伸縮的力F2為3.92 N。對大氣缸和小氣缸進(jìn)行受力分析分別如圖3和圖4所示。

大氣缸中：D=12 mm，d=6 mm，P2=0.1 MPa，因此可求得P1=0.25 MPa。下降時(shí)，由于重力的作用，其所需壓強(qiáng)P＜0.25 MPa，故伸縮桿所需的最大氣壓為0.25 MPa。小氣缸中：D=12 mm，d=6 mm，P2=0.1 MPa，因此可求得P1=0.12 MPa。同理，下降時(shí)，由于重力的作用，其所需壓強(qiáng)P＜0.25 MPa，故伸縮桿所需的最大氣壓為0.12 MPa。綜上所述，裝置所需最大氣壓為0.25 MPa。

3.2 氣動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣動系統(tǒng)原理圖如圖5所示，系統(tǒng)工作原理如下。

3.2.1 剪切運(yùn)動

當(dāng)系統(tǒng)做剪切運(yùn)動時(shí)，按下按鈕，3YA通電，進(jìn)氣路的空氣運(yùn)動方向?yàn)椋和獠靠諝狻鷼獗谩姶艙Q向閥④（左位）→小氣缸的無桿腔⑥。回氣路的空氣運(yùn)動方向?yàn)椋盒飧椎挠袟U腔⑥→電磁換向閥④（左位）→外部空氣。

3.2.2 伸縮桿上升運(yùn)動

當(dāng)系統(tǒng)做伸縮桿上升運(yùn)動時(shí)，按下按鈕，1YA通電，進(jìn)氣路的空氣運(yùn)動方向?yàn)椋和獠靠諝狻鷼獗谩姶艙Q向閥③（左位）→大氣缸的無桿腔⑤。回氣路的空氣運(yùn)動方向?yàn)椋捍髿飧椎臒o桿腔⑤→電磁換向閥③（左位）→外部空氣。

3.2.3 伸縮桿下降運(yùn)動

當(dāng)系統(tǒng)做伸縮桿下降運(yùn)動時(shí)，按下按鈕，2YA通電，進(jìn)氣路的空氣運(yùn)動方向?yàn)椋和獠靠諝狻鷼獗谩姶艙Q向閥③（右位）→大氣缸的有桿腔⑤。回氣路的空氣運(yùn)動方向?yàn)椋捍髿飧椎挠袟U腔⑤→電磁換向閥 ③（右位）→外部空氣。

4 光軸的設(shè)計(jì)及分析

根據(jù)現(xiàn)實(shí)要求，光軸[4]選用鋁合金材質(zhì)。為了與半球及導(dǎo)向裝置形成過盈配合，其直徑D應(yīng)為8 mm，兩端套用MR106滾動軸承，故d=6 mm，長度L=190 mm。 其尺寸圖及裝配簡圖分別如圖6和圖7所示。

對光軸進(jìn)行位移變形分析、應(yīng)力分析以及應(yīng)變分析等分別如圖8～圖10所示，其中光軸兩側(cè)所受的支反力FNV=7.84 N，水平力為FNH=5.92 N，光軸中心所受的壓力Fr=15 N[5]。

按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度，只需校核軸上承受最大彎矩處的強(qiáng)度，由圖9可知光軸所受的最大應(yīng)力為8.640 4 MPa，由于光軸的材料為鋁合金，查表得其許用應(yīng)力為97.5 MPa。因此，光軸符合使用要求。

5 結(jié)語

本研究闡述了基于氣壓傳動的高空水果采摘收集機(jī)械的設(shè)計(jì)，該裝置集伸縮、剪切和回收等功能于一體，采摘水果高效、快捷，采用氣動傳動，工作過程平穩(wěn)可靠，實(shí)現(xiàn)了半自動化，可采摘多種水果，如蘋果、梨、橘子等，實(shí)用性強(qiáng)且價(jià)格低廉，具有較高的市場推廣應(yīng)用價(jià)值，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)輔助人工水果采摘裝置的不足，解決了果農(nóng)采摘難的問題，促進(jìn)了果業(yè)的發(fā)展。