基于气压传动的高空水果采摘收集机械设计

田 超 董海龙 雒佛庶 石万涛

（1.兰州工业学院，兰州 730050；2.国网临夏供电公司，临夏 731100；3.西安石油大学，西安 710065）

在水果种植中，收获采摘是整个生产中最耗时、耗力的一个过程，收获期间需投入的劳力占整个种植过程的50%～70%[1]。由于采摘环境和操作的复杂性，目前国内水果的采摘基本上还是由手工完成。因此，生产一种可辅助人工采摘的装置以实现高效化水果收获采摘变得非常迫切。本文设计了一种集伸缩、剪切、回收功能于一体的水果采摘装置，广泛适用于各种果园和个体的水果采摘，具有较高的推广应用价值。

1 系统构成及总体工作原理

如图1所示，该机构主要由剪切器、伸缩杆、控制器及回收圈4部分组成。

1.1 球形剪切原理

该部分通过气缸带动滑块上下运动，其中滑块与连杆通过轴相连接，连杆又与半球通过轴相连接，实现滑块带动连杆，连杆带动球进行剪切运动。

1.2 伸缩杆工作原理

通过操控三位五通电磁阀控制气缸不同端进出空气，当下端进气时，伸缩杆向上运动；当上端进气时，伸缩杆向下运动；电磁阀处于中位时则两端都不进出气，伸缩杆停止运动，从而实现装置随不同高度的自由伸缩调节功能[2]。

1.3 控制器原理

当装置接通电源，并打开总开关时，气泵开始工作。首先，当剪切装置需要到达较高的位置时，按住控制开关3中的上升按钮，使伸缩杆4开始上升，到达所需高度后，松开上升按钮，装置停止上升。其次，按一次控制开关3中的剪切按钮，使气缸5接通，通过连杆7带动半球装置10旋转，使两刀片9相互啮合，执行剪切运动一次。再次，当摘完高处的水果需要收回伸缩装置时，按住控制开关3中的下降按钮，使装置下降，到达合适的位置松开按钮即可。最后，水果剪切完成后，将会从半球装置10掉入导向机构，从而进入回收缓冲布套12，经缓冲作用后掉入 水果筐。

1.4 水果回收原理

半球通过连杆推力向上运动剪断果实柄后，将从半球下端掉入导向元件，从而进入回收圈，回收圈里的弹性可收缩布料会给水果提供缓冲作用，保证其不被损伤，最终水果沿回收圈抵达回收筐。

2 关键部件设计

剪切部分可简化成以滑块为主动件的曲柄滑块机构[3]，如图2所示。

根据现有条件可知：图2（b）中a=70 mm，b=165 mm，h=160 mm，e=35 mm，杆a的摆角只需满足90°即可。

3 气压传动设计

3.1 动力分析

按照设计方案，伸缩杆所需的力F1为19.6 N，用于剪切伸缩的力F2为3.92 N。对大气缸和小气缸进行受力分析分别如图3和图4所示。

大气缸中：D=12 mm，d=6 mm，P2=0.1 MPa，因此可求得P1=0.25 MPa。下降时，由于重力的作用，其所需压强P＜0.25 MPa，故伸缩杆所需的最大气压为0.25 MPa。小气缸中：D=12 mm，d=6 mm，P2=0.1 MPa，因此可求得P1=0.12 MPa。同理，下降时，由于重力的作用，其所需压强P＜0.25 MPa，故伸缩杆所需的最大气压为0.12 MPa。综上所述，装置所需最大气压为0.25 MPa。

3.2 气动系统的设计

气动系统原理图如图5所示，系统工作原理如下。

3.2.1 剪切运动

当系统做剪切运动时，按下按钮，3YA通电，进气路的空气运动方向为：外部空气→气泵→电磁换向阀④（左位）→小气缸的无杆腔⑥。回气路的空气运动方向为：小气缸的有杆腔⑥→电磁换向阀④（左位）→外部空气。

3.2.2 伸缩杆上升运动

当系统做伸缩杆上升运动时，按下按钮，1YA通电，进气路的空气运动方向为：外部空气→气泵→电磁换向阀③（左位）→大气缸的无杆腔⑤。回气路的空气运动方向为：大气缸的无杆腔⑤→电磁换向阀③（左位）→外部空气。

3.2.3 伸缩杆下降运动

当系统做伸缩杆下降运动时，按下按钮，2YA通电，进气路的空气运动方向为：外部空气→气泵→电磁换向阀③（右位）→大气缸的有杆腔⑤。回气路的空气运动方向为：大气缸的有杆腔⑤→电磁换向阀 ③（右位）→外部空气。

4 光轴的设计及分析

根据现实要求，光轴[4]选用铝合金材质。为了与半球及导向装置形成过盈配合，其直径D应为8 mm，两端套用MR106滚动轴承，故d=6 mm，长度L=190 mm。 其尺寸图及装配简图分别如图6和图7所示。

对光轴进行位移变形分析、应力分析以及应变分析等分别如图8～图10所示，其中光轴两侧所受的支反力FNV=7.84 N，水平力为FNH=5.92 N，光轴中心所受的压力Fr=15 N[5]。

按弯扭合成应力校核轴的强度，只需校核轴上承受最大弯矩处的强度，由图9可知光轴所受的最大应力为8.640 4 MPa，由于光轴的材料为铝合金，查表得其许用应力为97.5 MPa。因此，光轴符合使用要求。

5 结语

本研究阐述了基于气压传动的高空水果采摘收集机械的设计，该装置集伸缩、剪切和回收等功能于一体，采摘水果高效、快捷，采用气动传动，工作过程平稳可靠，实现了半自动化，可采摘多种水果，如苹果、梨、橘子等，实用性强且价格低廉，具有较高的市场推广应用价值，弥补了传统辅助人工水果采摘装置的不足，解决了果农采摘难的问题，促进了果业的发展。