摘要：基于万州古红桔种植地形复杂，传统采摘效率低、劳动强度大、任务量繁重，设计了一款轻简式古红桔采摘装置。本装置由切割机构、伸缩手柄、收集机构与控制系统组成，控制系统通过控制驱动电机带动旋转拨轮转动，与定切割刀片、切割支撑板配合实现果柄剪切。通过对果柄进行切割应力分析，正确选择合适的切割方式与电机型号。使用有限元对切割拨片进行仿真分析，验证切割机构的结构强度及可靠性，最大切割状态下拨片最大应力为58.4MPa，选用材料满足要求；经过切割试验，本轻简式采摘器能够有效完成直径1.8~3.0mm果柄切割工作，30根果柄切割时间为45.50s，满足工作效率需求。

　　关键词：采摘装置；古红桔采摘；自动控制；轻简式

       前言

　　万州古红桔，古称丹桔，是三峡库区培育出的、世界栽培历史最悠久的古农作物良种之一。万州古红桔产量大、种植面积分散，万州现有古红桔种植面积10万亩，最高时达15万亩，常年产量100万t以上，占全国产量的三分之二[1-2]。古红桔采摘周期短，劳作强度大、任务量繁重，每年12月初是古红桔的采摘季，农村年轻劳动力多外出务工，每到古红桔采摘季节劳动力缺口巨大，另外古红桔采摘十分不便，古红桔树木高大，平均树冠可达3m，万州区太龙镇甚至有高达7m的“三峡古红桔王”，相较于现代规模化柑桔种植园采摘难度大，并且古红桔种植区域大多为典型的丘陵山地，种植地形不适宜大型采摘机械作业，古红桔采摘机械化程度与效率比较低，仍然人工采摘为主。

　　本研究设计了一种轻简式古红桔采摘装置，将机械化采摘方式应用到古红桔采摘工作，设计适应丘陵地形的便携式采摘器，集成采摘与收集功能，解决高枝采摘困难，降低采摘劳动强度，提升古红桔采摘效率，降低果实损伤。对推动丘陵山地农业机械化，助力古红桔产业可持续发展具有重要意义。

　　1整体设计方案

       1.1采摘需求分析

　　经调研，古红桔单株平均产量为75~120kg，果实平均重量95~110g，平均果实直径62mm。采摘装置设计时应能够满足最大果品采摘需求。经现场采样测量，古红桔果柄采收期果柄直径在1.82~3.02mm之间，剪切机构设计时应能够满足最大直径果柄剪切需求。古红桔属宽皮柑桔类，果皮宽松、脆弱，采摘时需避免尖锐接触。古红桔树形高大，传统古红桔果园平均坡度18.6°,设计采摘高度能够满足高枝作业，充分考虑整机轻简性，确保坡地操作稳定，并且具有足够的续航，保障连续作业能力。

　　1.2采摘器总体结构及原理

　　便携式采摘器由切割机构、伸缩手柄、收集机构与控制系统组成。切割机构由旋转拨轮、定切割刀片、切割支撑板与驱动电机组成，工作时，按压启动开关，控制系统发出控制信号，驱动电机转动，带动旋转拨轮旋转，拨轮拨杆与切割支撑板及定切割刀片配合作用下，拨动果柄并进行切割，拨轮连续转动，实现采收切割动作的连续性。切断后果实由下方果实收集机构集中收集装箱。拨杆外形的设计采用弧形设计，能够使果柄切割位置居中。针对不同高度的果实可通过调整伸缩手柄长度实现不同高度的采摘。

       1.3主要技术参数

　　根据古红桔采摘工作环境及工作效率需求，确定主要技术参数如表1所示。

　　2关键结构设计

       2.1切割机构设计

　　本设计采用拨轮与定切割刀片配合切割形式。如图2所示，剪切机构由切割拨轮提供切割动力，将果柄推入拨轮与定切割刀片之间，切割支撑板起到果柄辅助支撑作用。切割拨轮拨杆设计成弧形结构，且为双层错位布置，使之与定切割刀片配合完成切割动作时，抵消果柄垂直偏角，减小切割阻力；拨杆工作边缘设计成锯齿状，用于固定果柄使之切割时两端固定，形成简支梁形式[3]，避免果柄切割时产生滑移，减小切割阻力。

　　2.1.1果柄切割受力分析

　　本切割机构在设计时，应能够满足最大直径剪切需求。切割作业时，果柄按照简支梁剪切形式受力如图3所示。

　　剪切装置剪力FM由驱动电机的扭矩提供，果柄的切割剪力与扭矩的关系为[4]

　　式（1）中FS—果柄切割剪力；M—驱动电机扭矩；L—切割作用点到电机回转中心长度。

　　由式（1）可知，切割剪力受驱动电机扭矩与切割作用点到电机回转中心长度影响。

　　2.1.2回转拨轮直径的确定

　　结合古红桔平均果实直径62mm进行设计，在切割机构尺寸选择时应能够满足最大尺寸古红桔进入切割机构，取拨杆长度80mm，切割作用点到电机回转中心长度L最大为80mm。

　　2.1.3电机型号选择

　　如图4所示，对古红桔采收期距离果蒂10mm处果柄直径进行测量统计。选取不同区域果树共3棵，每棵树均匀选取10个果实，测得果柄直径范围集中在1.82~3.05mm之间，设计时取果柄直径为3mm，查阅文献可知，柑橘果柄直径为3mm时，简支梁形式所需切应力为71.26N[3]。

　　如图4所示，采摘时随着采摘高度增加，果柄与刀片垂直偏角α持续减小，剪切时截面呈椭圆形。

　　式中F1—偏角α状态下切割阻力，FS—果柄垂直切割剪力。

　　采摘时果柄留长10mm，取平均果实直径代入计算，为保证在采摘后果柄长度，即偏角α最小为49.12°。

　　取最大切割剪力，即FS为71.26N，代入式（2）中可得F1约为94.25N。

　　代入式（1）可知，所需电机扭矩为7.54N·m。按照扭矩要求，本设计选择驱动电机扭矩为7.84N·m，额定工作电压为8.4V。

　　2.2电池容量选择

       根据电能计算公式

　　式（3）中，M—电机扭矩，n—转速，t—工作时间。根据收割作业效率要求，每分钟需完成收割15个，即拨轮最少需能满足5r/min，按照2倍转速需求进行设计，取转速n为30r/min，工作时间按8h计算，代入式（3）中可得，所需电池容量约为189.49W·h。结合电机额定工作电压以及工作时间需求，本设计选择电源输出电压8.4V，容量为25Ah的锂电池。

　　2.3拨片强度校核

　　在采摘装置中，拨轮作为整机工作的主要运动部件，其中拨片作为切割动作的受力部件单元，对拨片强度进行校核是十分必要的。

　　2.3.1切割网格划分与材料属性定义

　　使用SolidWorks平台中的有限元分析功能模块对拨片强度进行校核[5]。如图5（a）所示，对拨片进行自由网格划分，计算时使用实体网格，通过单元尺寸控制参数将网格设置为1.5mm，共划分成8410个单元，节点总数共计14211个。材料选择为PET，密度设置为1020kg/m3，分别检查弹性模量、泊松比、抗剪模量、张力强度等参数并修正。

　    2.3.2分析及结果

　　在拨片安装端施加固定约束，模拟拨片中间位置剪切时的阻抗力，分析拨片的应力是否超出许用范围。如图5（b）所示，在施加扭矩为7.84N·m时，在拨片中间处最大应力为58.4MPa，小于PET材料的拉伸强度58.6MPa，满足使用要求。

　　3结语

　　本文针对万州古红桔地形复杂、传统采摘效率低、劳动强度大、任务量繁重等问题，设计了一款轻简式古红桔采摘装置，结合实际作业需求，确定了切割机构关键参数；结合实际测量数据，确定驱动系统配置要求。基于三维建模软件对关键受力构件进行有限元分析，在电机最大扭矩状态下拨片中段位置剪切应力为58.4MPa，满足PET材料使用强度，满足设计目标。

　　参考文献：

　　[1]甘德彬,陈现军,周长春,等.三峡库区万州古红桔产业现状及高质量发展对策[J].中国南方果树,2024,53(01):254-262.

　　[2]万元丽,李炯光,左正强.万州区柑橘产业现状与发展对策研究[J].南方农机,2018,49(05):65-66.

　　[3]张茂.基于果柄剪切特性的柑橘采摘机器人末端执行器研究[D].重庆理工大学,2018.

　　[4]何家*,汪洋,刘宏博,等.便携式果园采摘机设计[J].农机化研究,2018,40(05):83-87.

　　[5]田未沫,汤文翰,师文远.Solidworks软件在农业机械设计与仿真中的应用[J].农业工程,2025,15(03):46-49.