可伸縮便攜式刺梨采摘器的設(shè)計(jì)

劉建國(guó)

（云南建投第七建設(shè)有限公司，云南 昆明 650100）

0 引言

刺梨是云貴高原等地區(qū)的天然野果，貴州的刺梨品種最多，果實(shí)產(chǎn)量居全國(guó)之首，刺梨樹高1～2.5 m，果實(shí)呈扁球形或圓錐形，表面布滿毛刺[1-2]。由于風(fēng)味獨(dú)特并且具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和醫(yī)用價(jià)值，刺梨深受廣大消費(fèi)者喜愛(ài)，在四川、河南等地有大量的人工種植，至今仍廣泛分布于山區(qū)[3-5]。但是由于刺梨生長(zhǎng)在帶刺的刺梨樹枝上，樹枝生長(zhǎng)又參差不齊，部分樹枝直立生長(zhǎng)，部分樹枝則向四周生長(zhǎng)，通常一株刺梨樹呈“籠狀”，刺梨本身表面又布滿毛刺，這些都給刺梨的采摘收獲工作帶來(lái)了巨大的不便。在豐產(chǎn)刺梨的貴州山地，目前還是采用人工戴上較厚的防刺手套進(jìn)行采摘，這種手工作業(yè)方法不僅耗費(fèi)過(guò)多的人力，而且工作效率低，不能滿足現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)化的作業(yè)要求。

近年來(lái)，刺梨產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，多用于果汁飲品、化妝品，刺梨中有效成分的藥用價(jià)值及其基礎(chǔ)研究也開展得如火如荼。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)刺梨的研究主要集中在刺梨種植管理及養(yǎng)護(hù)[6-7]、刺梨產(chǎn)品的加工和保存[8-9]、刺梨中一些成分在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[10-11]、刺梨生物活性成分的開發(fā)[12]等方面，對(duì)刺梨采摘方面相關(guān)設(shè)備的研究相對(duì)較少，導(dǎo)致切實(shí)可用的采摘器捉襟見肘。

現(xiàn)有的一種便攜式變徑球形刺梨采摘器，攜帶方便，且據(jù)報(bào)道能有效進(jìn)行刺梨采摘，其在采摘過(guò)程中也能一定程度上避免損壞刺梨樹枝，但其伸縮桿調(diào)節(jié)長(zhǎng)度太短，不利于特殊高度和特殊地形下的刺梨采摘[13]。

貴州大學(xué)羅兵、張建敏基于TRIZ和AD理論設(shè)計(jì)出耙型刺梨采摘機(jī)[14]，從其工作原理可見，該刺梨采摘機(jī)采摘中易折斷刺梨樹枝丫，導(dǎo)致來(lái)年刺梨減產(chǎn)。

貴州師范大學(xué)的黃遠(yuǎn)翔等人設(shè)計(jì)了一種便捷式刺梨采摘機(jī)，采用三個(gè)成一定角度的球形滑動(dòng)刀頭來(lái)切斷刺梨果柄莖，采摘后的刺梨通過(guò)管道進(jìn)入收集器，并實(shí)現(xiàn)初步分級(jí)[15]，但從其工作原理可見，對(duì)于個(gè)體較大的刺梨，三滑動(dòng)刀滑動(dòng)切斷果柄時(shí)會(huì)把刺梨果實(shí)壓碎，壓碎的刺梨在空氣中易被氧化、腐敗，影響采摘質(zhì)量，不符合采摘作業(yè)要求。

可見，現(xiàn)有為數(shù)不多的刺梨采摘機(jī)，都或多或少地存在著一些小弊端，給生產(chǎn)應(yīng)用帶來(lái)了不便，不滿足刺梨大面積種植后采摘的工業(yè)化作業(yè)需求。

綜上，本文擬設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧，使用方便，可根據(jù)刺梨與人手間的距離來(lái)調(diào)節(jié)伸縮桿長(zhǎng)度，且采摘過(guò)程中不會(huì)損傷刺梨樹枝丫，更不會(huì)壓碎個(gè)體較大刺梨的可伸縮便攜式刺梨采摘器，旨在為刺梨大面積種植后工業(yè)化采摘提供一定的實(shí)踐指導(dǎo)，并為相關(guān)采摘器的設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)參考。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的可伸縮便攜式刺梨采摘器主要由伸縮桿、收集器、剪切器和繞線裝置等部分組成，如圖1所示。

圖1 刺梨采摘器總體結(jié)構(gòu)

伸縮桿是由固定桿（5）、伸縮桿A（6）和伸縮桿B（7）三段空心方管組成，三段桿的內(nèi)外壁相互形成緊滑動(dòng)配合，可在0.6～1.5 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自由伸縮，固定桿安裝在握桿（4）上。剪切器由桿頭（9）、轉(zhuǎn)軸（10）、彈簧（11）、活動(dòng)剪（12）和固定剪（14）組成桿頭（9）與伸縮桿B（7）固定配合，桿頭（9）上緊固安裝轉(zhuǎn)軸（10）和固定剪（14），轉(zhuǎn)軸（10）上安裝帶鉤頭的活動(dòng)剪（12），固定剪上安放收集袋（13）。繞線部分由帶拉線的繞線輪（3）、手柄（1）、轉(zhuǎn)銷（2）和拉線（8）組成，拉線（8）可隨著伸縮桿長(zhǎng)度的變化，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)繞線輪（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)伸縮。其中轉(zhuǎn)銷（2）固定安裝在握桿（4）上，轉(zhuǎn)銷（2）上安裝帶有5個(gè)均勻分布正六邊形孔的繞線輪（3），繞線輪（3）上纏繞拉線（8）和安裝手柄（1），拉線（8）的另一端連接在活動(dòng)剪（12）的不帶切削刃口的一個(gè)端頭。

1.2 工作原理

采摘刺梨作業(yè)前，依據(jù)需采摘刺梨與人手間的距離，調(diào)節(jié)伸縮桿A（6）和伸縮桿B（7）的伸出長(zhǎng)度來(lái)獲得一段適宜的桿長(zhǎng)。此時(shí)，繞線輪（3）繞轉(zhuǎn)銷（2）轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)拉緊或放松拉線（8），使活動(dòng)剪（12）與固定剪（14）間呈一定角度；隨后，把手柄（1）以一定方位安裝到繞線輪（3）上的某一正六邊形孔內(nèi)，以待進(jìn)行刺梨采摘。

采摘刺梨時(shí)，手四指彎曲拿著握桿（4），大拇指輕壓靠在手柄（1）上，移動(dòng)整個(gè)采摘器，使刺梨果柄卡入活動(dòng)剪和固定剪構(gòu)成的角度內(nèi)。此時(shí)，大拇指壓下手柄（1）使繞線輪（3）繞轉(zhuǎn)銷（2）逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一定角度繞緊拉線（8），拉線（8）使活動(dòng)剪（12）繞轉(zhuǎn)軸（10）順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一角度，活動(dòng)剪（12）便壓向固定剪（14），剪斷刺梨果柄，刺梨掉入收集袋，完成一次采摘作業(yè)。

采摘刺梨結(jié)束時(shí)，大拇指松開手柄（1），活動(dòng)剪（12）在彈簧作用下繞轉(zhuǎn)軸（10）逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一角度進(jìn)行復(fù)位，等待下一次采摘刺梨作業(yè)。

2 主要零部件的設(shè)計(jì)

2.1 伸縮桿的設(shè)計(jì)

因刺梨樹枝丫呈“籠狀”平鋪生長(zhǎng)，有時(shí)一些刺梨樹還被種植在坡度較大的斜壁土地里，此時(shí)采摘刺梨樹中部枝丫上的刺梨或斜壁土地里生長(zhǎng)的刺梨，人不易靠近采摘點(diǎn)，就需支撐桿較長(zhǎng)的刺梨采摘器。因而，設(shè)計(jì)可在一定長(zhǎng)度內(nèi)自由伸長(zhǎng)與縮短的刺梨采摘器，以適應(yīng)不同距離的刺梨采摘至關(guān)重要。

圖2為本文所設(shè)計(jì)可伸縮便攜式刺梨采摘器的伸縮桿組，其由三段長(zhǎng)度為0.6 m的固定桿（1）、伸縮桿A（2）和伸縮桿B（3）組成，三段桿橫截面為正方形，以防止桿間發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，三段桿內(nèi)外壁采用H7/p6的輕過(guò)盈配合，以保證獲得一定的過(guò)盈量，在伸縮桿未受到沿桿的軸向載荷時(shí)，不會(huì)發(fā)生自由伸縮。當(dāng)給桿施加軸向載荷時(shí)，又不需要過(guò)大的軸向力便可使桿產(chǎn)生軸向伸縮以獲得所需的一段長(zhǎng)度，以適應(yīng)采摘距離的需求。為防止桿在伸長(zhǎng)過(guò)程中受力過(guò)大，產(chǎn)生軸向拉出、脫節(jié)分離，在伸縮到極限位置時(shí)，設(shè)置有卡扣。

圖2 刺梨采摘器的伸縮桿

2.2 剪切器的設(shè)計(jì)

剪切器是刺梨采摘機(jī)的重要部件，直接決定著采摘刺梨的效率和質(zhì)量，同時(shí)要求在進(jìn)行刺梨采摘時(shí)，又不能損傷刺梨樹枝丫，以保證刺梨的來(lái)年產(chǎn)量。

本文設(shè)計(jì)的剪切器總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要由拉線（1）、轉(zhuǎn)軸（2）、彈簧（3）、活動(dòng)剪（4）和固定剪（6）等組成。活動(dòng)剪（4）安裝在轉(zhuǎn)軸（2）上，可轉(zhuǎn)動(dòng)，其一端連接拉線（1），另一端連接拉力彈簧（3），活動(dòng)剪（4）全長(zhǎng)120 mm，與固定剪（6）相配的剪刀刃口長(zhǎng)度50 mm。為使采摘剪切刺梨時(shí)更加省力，彈簧（3）安裝在離轉(zhuǎn)軸（2）中心20 mm處，拉線（1）固定在離轉(zhuǎn)軸（2）中心60 mm處。同時(shí)，因刺梨的果柄較短，為4～8 mm不等，因此活動(dòng)剪（4）與固定剪（6）在剪切刃口段的總厚度不超過(guò)4 mm，以保證它們能夠順利深入刺梨與結(jié)刺梨的樹枝之間，完成對(duì)刺梨果柄的順利剪切。收集袋（5）的開口沿邊離固定剪（5）下邊緣30 mm，大于刺梨半徑，即收集袋（5）不會(huì)阻礙固定剪（6）伸入刺梨果柄處。

圖3 剪切器

2.3 繞線裝置的設(shè)計(jì)

繞線裝置一是配合刺梨采摘器伸縮桿的縮短與伸長(zhǎng)，進(jìn)行拉線（4）的收放，二是實(shí)現(xiàn)剪切刺梨果柄時(shí)，拉動(dòng)活動(dòng)剪向固定剪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行果柄的剪切。

本文中設(shè)計(jì)的繞線裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，其主要由手柄（1）、轉(zhuǎn)銷（2）、繞線輪（3）、拉線（4）、握桿（5）和螺釘（6）等組成。繞線輪（3）直徑70 mm，厚度20 mm，圓柱面上開設(shè)弧形凹槽以收納拉線（4），一個(gè)端面上開設(shè)5個(gè)均布的六邊形盲孔，槽底中心加工出M3的螺紋孔，以固定手柄（1）。設(shè)置5個(gè)均布的六邊形盲孔，主要是適應(yīng)伸縮桿自由伸縮時(shí)，在確保活動(dòng)剪與繞線輪（3）之間的拉線（4）長(zhǎng)度時(shí)，始終使與之配合的手柄（1）留有一個(gè)與伸縮桿軸線適宜的角度，以保證轉(zhuǎn)動(dòng)手柄（1）操作方便，能順利剪切下刺梨。

圖4 繞線裝置結(jié)構(gòu)

繞線輪（3）通過(guò)轉(zhuǎn)銷（2）安裝在握桿（5）上，并可繞轉(zhuǎn)銷（2）進(jìn)行正反轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)拉線（4）的收放。與繞線輪（3）配合的手柄（1）長(zhǎng)150 mm，寬與厚均為15 mm，一端鑄出與繞線輪（3）上的六邊形不通孔配合的六邊形柱，柱中心加工出直徑4 mm的通孔，以通過(guò)M3的螺釘緊固在繞線輪（3）上。

3 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的采摘器能根據(jù)人與刺梨樹的位置進(jìn)行桿長(zhǎng)的自由伸縮，以實(shí)現(xiàn)不同位置的刺梨采摘，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧，便于攜帶與使用。采摘刺梨過(guò)程中，人不會(huì)損害刺梨樹枝丫，也不會(huì)壓碎個(gè)體較大的刺梨。