便攜式枸杞采摘裝置設(shè)計(jì)

余 水，郭書(shū)杰，楊 棟，萬(wàn)芳新

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

我國(guó)西北地區(qū)特產(chǎn)枸杞，目前僅甘肅省栽培面積就達(dá)到200 km2，2012年產(chǎn)量約3.5萬(wàn)噸，已成為構(gòu)杞的主產(chǎn)區(qū)之一，而枸杞也成為種植戶主要的經(jīng)濟(jì)來(lái)源之一。枸杞采摘是一個(gè)季節(jié)性較強(qiáng)且勞動(dòng)密集型的工作，枸杞傳統(tǒng)的采摘方法為手工采摘,采摘速度慢、效率低，勞動(dòng)力需求量巨大，一旦遇到雨天等不良天氣不能及時(shí)進(jìn)行采收，就會(huì)使枸杞潰爛，給果農(nóng)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。嚴(yán)重制約著枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展[1]。

枸杞主要分布在中國(guó)，國(guó)外對(duì)枸杞采摘機(jī)械的研究尚屬空白。國(guó)內(nèi)枸杞采摘機(jī)械主要為小型半機(jī)械化機(jī)具，采摘方式有振動(dòng)式、梳刷式、剪切式和氣動(dòng)式等[4-6]。雖然有部分研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)了自走式機(jī)械化采收機(jī)械，但由于可靠性及采凈率、果實(shí)損傷率等問(wèn)題未得到很好的解決，因此尚未在市場(chǎng)上得到推廣[7]。根據(jù)我國(guó)枸杞采收的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種便攜式采收裝置，以期能一定程度上提高枸杞的采收效率,降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 果實(shí)特性與采摘工藝要求

1.1 枸杞果實(shí)成熟自然特性

枸杞屬茄科灌木，每年4月中旬發(fā)芽，5月開(kāi)花，6月下旬果實(shí)開(kāi)始成熟。枸杞果實(shí)呈橢圓形，果實(shí)較小，長(zhǎng)涇為15 mm，短徑為10 mm，果實(shí)與樹(shù)枝之間有20 mm的把，枸杞掛果如圖1所示。試驗(yàn)研究表明，枸杞果實(shí)成熟時(shí)，果實(shí)與萼片之間的結(jié)合力呈下降趨勢(shì)，如圖2所示。在青稞時(shí)，平均結(jié)合力為3 N；到果實(shí)成熟時(shí)，結(jié)合力僅為 0.6～1 N之間，此時(shí)果口松動(dòng)，稍加外力，果實(shí)便與萼片分離而脫落。到夏果(成熟期)末期，果實(shí)的結(jié)合力更弱，在0.4～0.6 N 之間[2]。

圖1 枸杞果實(shí)尺寸與植株的相對(duì)位置1.枸杞果 2.枸杞果實(shí)與植株連接枝 3.植株

1.2 采摘工藝要求

枸杞屬于落葉灌木果實(shí)，開(kāi)花、結(jié)果、成熟同時(shí)進(jìn)行，要使枸杞在后期干燥加工時(shí)具有良好的商品性狀，一般每隔7天采收1次，枸杞的成熟度均要求在8成左右。每年從6月下旬枸杞開(kāi)始成熟，頭茬果占全年產(chǎn)量的15%，夏果占 70%，7月以后發(fā)秋梢，秋果占全年產(chǎn)量15%[6]。7月枸杞進(jìn)入盛果期，枸杞成熟量大，此時(shí)為機(jī)械化采收的的最佳時(shí)期，用機(jī)械采收對(duì)葉片、青果和花的影響也最小。

圖2 枸杞果實(shí)成熟度與結(jié)合力關(guān)系

2 采摘裝置設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

設(shè)計(jì)的便攜式枸杞采摘裝置由手持采摘頭(包括直流電機(jī)、左右旋轉(zhuǎn)子體、傳動(dòng)齒輪)、果實(shí)輸送管、果實(shí)箱、密 封式鉛酸蓄電池等組成。圖 3為采摘裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖4為采摘裝置篩選網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 采摘裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1.果實(shí)收集盒 2.手柄3.外殼 4.篩選網(wǎng) 5.轉(zhuǎn)字體 6.圓柱定刀

當(dāng)采摘成熟枸杞果實(shí)時(shí)，將手持采摘頭上的矩形采摘口對(duì)準(zhǔn)枸杞樹(shù)枝上的枸杞果實(shí)，啟動(dòng)電源開(kāi)關(guān)，采摘頭內(nèi)的直流電機(jī)在蓄電池的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子體轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子體上的螺旋狀刀片隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。刀片兩側(cè)貼有硅膠，由于硅膠具有一定的柔性和強(qiáng)度，可以降低枸杞的機(jī)械損傷。在圓柱定刀的支撐下，枸杞果實(shí)在螺旋狀硅膠刀片的梳刷和牽拉的作用力下脫落，掉入手持采摘頭內(nèi)。在刀片的梳撥下，尺寸較小的枸杞果實(shí)通過(guò)篩網(wǎng)落入底部對(duì)應(yīng)的小果收集盒，尺寸較大的枸杞果實(shí)被推至采摘裝置側(cè)方落入大果收集盒，從而實(shí)現(xiàn)枸杞果實(shí)大小分級(jí)。同時(shí)由于刀片側(cè)向的梳撥，可以有效防止篩選網(wǎng)的阻塞。果實(shí)收集盒與采摘頭為活動(dòng)連接，當(dāng)枸杞果實(shí)充滿收集盒后，可快速更換或清空收集盒，實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。

2.2 轉(zhuǎn)子體設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子體結(jié)構(gòu)如圖5所示。轉(zhuǎn)子體主體結(jié)構(gòu)為柱型圓柱體，直徑100 mm、壁厚4 mm、長(zhǎng)140 mm。圓柱體縱向表面均勻分布10條螺旋線槽，相鄰線槽之間的夾角為36°，10 條螺旋線槽上均勻分布10個(gè)側(cè)壁貼有2 mm厚度的硅膠刀片。每個(gè)螺旋狀刀片長(zhǎng)120 mm、高50 mm、寬1 mm。轉(zhuǎn)子體結(jié)構(gòu)如圖5所示。轉(zhuǎn)子體材料選用PVC(PolyVinylChloride 聚氯乙烯)塑料管，轉(zhuǎn)子體上刀片的柔性膠管材料選用硅橡膠(Silicone Rubber)。

2.3 蓄電池、電機(jī)選擇

蓄電池選用鋰離子電池(Li-lon)，型號(hào)：TY-18650，標(biāo)準(zhǔn)電壓：3.7V 2000 mAh，數(shù)量：4節(jié)，使用壽命：500次，放電溫度范圍：-20°～60°，適宜枸杞采摘季節(jié)的高溫天氣，充電溫度為：0°～45°。所選型號(hào)蓄電池質(zhì)量輕，便于攜帶，重量比鎳氫電池輕30%～40%，但是容量高出鎳氫電池60%以上。電池連接采用覆膠銅板或軟銅線，能承受大電流沖擊放電。

由于便攜式枸杞采摘裝置在野外工作，沒(méi)有動(dòng)力電，所以采用蓄電池直流供電。電機(jī)采用直流無(wú)刷齒輪減速電機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)緊揍、體積小、壽命長(zhǎng)、效率高，噪聲低、出軸轉(zhuǎn)速低、通用性和交互性強(qiáng)，維修方便等特點(diǎn)。電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：直流電壓：+12 V；功率：4 W；電流：0.33 A；最大輸出扭矩：294 N·m；電機(jī)轉(zhuǎn)速：120 r/min。

蓄電池使用時(shí)間計(jì)算：

理論工作時(shí)間(h)=蓄電池容量(Ah)/直流電機(jī)電流(A)=2Ah×4/0.33 A=12.12 h。

一般在設(shè)計(jì)計(jì)算蓄電池容量時(shí)，要保證一定的余量，一般取 70%。

實(shí)際工作時(shí)間(h)=理論工作時(shí)間(h)×70%= 12.12×0%=8.48 h。這樣可以保證 1個(gè)工作日，給蓄電池充 1次電。

3 試 驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性及采收效果，加工試制了枸杞采摘裝置，以破損率、含雜率和采凈率為試驗(yàn)指標(biāo), 進(jìn)行了田間驗(yàn)證性試驗(yàn)。

田間試驗(yàn)于2017年9月4日在甘肅靖遠(yuǎn)枸杞試驗(yàn)基地進(jìn)行。針對(duì)前期試驗(yàn)效果，首先枸杞采摘頭和采摘裝置篩網(wǎng)等重要部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)過(guò)連續(xù)多次試驗(yàn)，最終加工試制的樣機(jī)試驗(yàn)效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)為：采凈率大于93%，損傷率低于5%，含雜率低于3%。

4 結(jié) 論

根據(jù)枸杞果實(shí)特性和采摘的工藝要求，結(jié)合人工采摘的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種便攜式手枸杞采摘裝置。采摘裝置由采摘頭和果實(shí)收集箱組成，采摘頭利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)采摘裝置內(nèi)部螺旋形采摘刀片旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生梳刷與牽拉作用，實(shí)現(xiàn)枸杞的采收。該采摘裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便快捷，同時(shí)刀片兩邊貼有硅膠，降低了枸杞的損傷率。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該裝置采收枸杞，采凈率達(dá)到93%，損傷率低于5%，含雜率低于3%，效果良好。