摘 要：为解决冬枣采摘时消耗劳力大的问题，运用仿生学和数据分析法，设计了一种便携式仿生冬枣采摘机。该设计通过硅胶条相向运动，相互挤压使冬枣脱离枣吊滑入伸缩式输送管从而落入收纳箱。并且阐述了采摘机的各部件设计原理，确定各部件结构，并对主要受力部位进行了有限元分析，分析结果表明，伸缩杆的最大应力 11.65MPa 远小于屈服极限 325MPa，最大合 位移仅约为杆长的 0.12%，伸缩杆的刚度满足工作要求。
关键词：冬枣；采摘机；伸缩杆
冬枣自古以来为皇家贡品，迄今已有千年的历史，属国内外珍稀树种。冬枣品系纯正，享有百枣之王的美誉，其特点为：果大、皮薄、核小、汁多、肉质细嫩酥脆、色泽鲜艳、凝重、富含钙、铁、锌等多种矿物质，每百克维生素C含量为四百零八毫克，居于百果之首。但是中国作为水果生产大国在果园采摘中所需劳力占整个果类产品生产过程中的35% ～ 45% ，而我国果园采摘机械化程度却较低，当前果园机械采摘方法主要分为： 机械辅助采收和机械化采收两种形式。因此本文设计的仿生冬枣采摘机就主要应用机械辅助采收，大大提高了原来的采摘效率。
一、仿生冬枣采摘机设计原理
我国目前采摘冬枣的方法多为人工采摘，同时包括几种机械辅助人工采摘方法，如气息梳刷式冬枣采摘机、便携式冬枣采摘机等。由于冬枣果壳薄亮，肉质酥脆，采摘过程中由于不确定因素，时常导致果实损坏；同时需投入大量劳动力。本研究就是根据冬枣的生长情况及冬枣的性状特征，基于机械理论的基本知识设计出适于冬枣的采摘工具。旨在提高我国机械化采摘率，降低人工工作强度。
仿生冬枣采摘机，主要构件包括（1）调速器、（2）腰带、（3）蓄电池、（4）伸缩杆、（5）导线伸、（6）采摘装置、（7）缩式输送管、（8）卡树扣。
1.工作原理
一种基于模拟人手采摘的冬枣采摘装置，包括机架、护罩、滚筒、传动机构、输送管和电源，所述机架采用了铰链四杆机构通过其运动实现了万向采摘，能实现其空间的三维运动。从而扩大了采摘范围。其与所述护罩连接，在护罩的前端形成有开口；所述滚筒在所述护罩内平行安装有两个，在每个滚筒的外壁上间隔形成有多个弹性突起。所述采摘机传动装置包括电机、联轴器、轴、齿轮，其工作原理为联轴器和轴相连并带动轴两端齿轮转动，从而使硅胶滚筒相向运动将冬枣采摘下来。
主要采摘原理是通过滚筒上硅胶条的相向运动使冬枣脱离枣树，滑入伸缩式输送管进而落入收纳箱内。硅胶条上端细、下端粗，自身性较好，具有不伤枝、不缠枝、不伤果等特点。为实现齿轮密封和滚筒的支撑，在齿轮外围设置起保护和支撑作用的罩体。工作时，滚筒在微型电机的带动下旋转，从而达到了模拟人手采摘的效果，手柄顺延果实枝条向上运动，硅胶条连续不断地相向运动，从而方便地对果实进行采摘。动力源为12V直流电源，简便易行，降低机器成本。
2.装置介绍
（1）传动装置：包括设置在手柄内的联轴器、轴、齿轮，其工作原理为联轴器和轴相连并带动轴两端齿轮转动，从而使硅胶滚筒相向运动将冬枣采摘下来。
（2）护罩与手柄：两者通过螺栓连接。
（3）硅胶滚筒：设有若干个T型插孔，所述硅胶条底部设有凹槽，凹槽两边为凸台；硅胶条通过凹槽塞入T型插孔内，并通过两边的凸台卡紧T型插孔。
（4）电动机：转速为可调式，其手柄外部设有调节旋钮。
3.性能对比
本产品与现有采摘器相比，结构与功能上有较大提高：
（1）利用柔性采摘轮相向运动的原理进行采摘，效率高、果实破损率低。
（2）节省人力、缩减采摘时间。
（3）结构巧妙，携带方便，操作灵活，可靠性强。
4.各主要构件的强度和刚度校核
（1）齿轮传动的计算和说明。
根据所选电机的类型设计齿轮传动，将动力传送至工作部分进行受力分析，所以特列传动轴和齿轮的强度校核。根据查阅资料，选定功率为20W，转速为400r/min的555-1280直流电动机，已知传动比为i=1，每天工作8h。
该齿轮Z1=Z2=40，α=20°，
d1=d2=40×1.5=60mm，
模数m=1.5，此处是非金属齿轮，因此φd=0.5
齿宽b=φdd1=0.5×60=30mm，
此处b_1=b_2=30mm
啮合角α=cos-1[（（a cos α ））/a]=20°，
zε=z1+z2=40+40=80，
Xε=X1+X2=0， y=0，
因为该齿轮为闭式软齿面齿轮，所以此处我们只校核它的弯曲疲劳强度。
该许用弯曲疲劳强度为，查表可知，KN=50，σlim=1，S=1.5，
所以[σF ]1=33MPa
根据≤，
查表可知KF=KA KV KFα KFβ=1.14，
T1=17N， YFa=2.4，YSa=1.65，Yq=1，
因此σF=0.057MPa
（2）轴的扭矩计算及扭矩图（图4）。
扭转切应力应满足
查表得τT≤[τT ]
扭矩
二、结语
本文设计的仿生冬枣采摘机的主要优点是，能大幅减少人工捡果量、电动化，便携，降低了劳动强度。采用硅胶滚轮，模拟人手的采摘过程，保证枣树不受伤害，对枣树下一年产果量影响较小，能够方便枣农采收冬枣果实，有效提高采收安全性、采收率和采收速度。该采摘机结构简单，质量小，携带、操作都很方便，加工制造非常容易，造价低廉，维修简单方便，是一种既能降低枣农的劳动强度，提高劳动效率，结构简单，使用方便，提高枣类果实收获效率，是人工采摘的 5-8 倍，提高枣农种植冬枣的积极性和劳动生产效益，又能为生产厂家带来利润的双赢产品。我国冬枣种植面积非常广阔，发展速度也很快，该产品具有良好的推广应用前景。
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