便攜式枸杞采摘機的設計

雒曉兵 馬淑霞 許可芳 陳江明

摘? 要：筆者根據(jù)靖遠縣枸杞果實不同階段熟果的特征，設計出了一種可更換采摘刀片的便攜式枸杞采摘機。采摘機主要由蓄電池、電動機、齒輪箱、硅膠輥輪和集果盒等部分組成，利用硅膠輥輪相向轉動時硅膠刀片間的間隙完成枸杞的采摘。研究表明：采摘頭茬枸杞時采摘頭選擇較長的軟毛刷的輥輪，最大限度的降低枸杞的損傷率，提高經濟效益;采摘二茬以后的枸杞時選擇柔軟的硅膠輥輪，能降低枸杞的損傷率同時提高采摘機的使用壽命;采摘枸杞與果柄的結合力大的枸杞時，選擇軟橡膠制成的輥輪可提高采摘效率。這種枸杞采摘機不僅可以提高采摘效率，而且還能夠降低枸杞的破損率。

關鍵詞：枸杞? 采摘技術? 輥輪? 采摘機

中圖分類號：S225. 93? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（c）-0055-03

Abstract： In this paper， the characteristics of different stages of fruit ripening of Chinese wolfberry in Jingyuan County were studied， and a portable picking machine with replaceable picking blades was designed. The picking machine consists of a battery， a motor， a gear box， a roller with soft silica and a fruit collecting box.It can pick Chinese wolfberry by the clearance between the Silica Gel Blade when the Silica Gel roller rotates in the opposite direction. The results show that the roller with longer soft bristles can reduce the damage rate of Chinese wolfberry and increase the economic benefit; and the roller with Soft Silica can be used to pick chinese wolfberry after the second harvest， to reduce the damage rate of Chinese wolfberry and improve the service life of picking machine; picking Chinese wolfberry which has strong binding force with fruit handle， the selection of soft rubber made of roller is selected to improve the picking efficiency. The picking machine can not only improve the picking efficiency， but also reduce the damage rate of Chinese wolfberry.

Key Words： Chinese wolfberry; Picking technology; Roller; Picking machine

枸杞果實為漿果、果皮薄、含水量大，在采摘過程中很容易損傷，因此枸杞采摘一直以來主要以人力為主，勞動強度大，用工量多，采摘成本非常高。隨著國際市場和國內市場對枸杞需求的日益增長，在我國青海、甘肅、寧夏、新疆等地區(qū)，種植面積大幅擴大，枸杞產量不斷上升。甘肅枸杞主要集中在白銀、酒泉、武威、金昌、張掖5市，其中白銀靖遠縣、酒泉瓜州縣、武威三個地方種植面積占全省90%以上[1-2]。2019年甘肅靖遠縣枸杞的種植面積約為27.2萬畝，產量也達到了5.69萬t，枸杞鮮果約28450萬kg。人工采摘枸杞的效率僅為3～5kg/h，人工費用高達3元/kg，約占生產成本的50%以上，枸杞一年的盛果期按6茬計算，每茬周期7d，一畝枸杞1d摘完需要15個人，每年至少需要10.8萬枸杞采摘勞務工。這里面的采摘工包括農戶自己家庭的成員，同時要求所有采摘工連續(xù)工作兩個月，考慮諸多因素枸杞采摘人員的需求量將達到15萬人。隨著枸杞產業(yè)的發(fā)展，用工規(guī)模還將進一步擴大，今后枸杞采摘工緊缺、采摘費用高成為制約靖遠枸杞產業(yè)發(fā)展的重要因素[3]。

21世紀初，國內就對枸杞采摘機械進行了研究。目前，枸杞采摘機有自走式和便攜式兩種，自走式枸杞采摘機具能夠進行連續(xù)采摘作業(yè)的能力，由于枸杞樹枝條重疊，交錯復雜，不易采用大型采摘機作業(yè)。我國研制的便攜式枸杞采摘機，主要有振動式、梳刷式、剪切式和氣流式幾種類型。振動式枸杞采摘機采摘時因枸杞枝條受到持續(xù)激振力的作用，很容易造成對掛果枝條的傷害，影響果樹生長，采摘操作繁瑣、采摘效率低、果實損傷率大等缺點。梳刷式枸杞采摘機不能使成熟枸杞完全脫落，采凈率較低，在采摘過程中需要人工輔助，采摘效率不高。剪切式枸杞采摘機采摘時需人工輔助操作，采摘效率低，很容易將成熟枸杞剪破，而且采摘時將未成熟枸杞、花朵、葉片、枝條莖稈剪切下來或割傷，影響枸杞后續(xù)生長和總產量。氣流式枸杞采摘機在工作時需要消耗的能量較大，噪音較大，且氣流的大小和速度不好控制，難以持續(xù)提供穩(wěn)定的使成熟枸杞脫落的氣壓。以上這幾種枸杞采摘機采摘效果均不理想，主要存在采摘效率低、果實損傷率大和成本較高的問題。目前市面上枸杞采摘機的采摘效果均不理想，傳統(tǒng)種植的枸杞樹，因枸杞長勢無規(guī)律，不適合大型機械采摘，設計一種采摘效果好、損傷率低的便攜式采摘機很有必要[4-7]。

1? 枸杞采摘機設計技術要求

設計枸杞采摘機時可根據(jù)不同的工作環(huán)境、不同成熟度、不同果型和不同結合力的果實，靈活改變采摘裝置，同時考慮枸杞的生長特性及枸杞在枝條上的分布情況，提高采摘機的采凈率。靖遠縣枸杞每年的第一茬枸杞縱徑可達20mm，二茬以后枸杞縱徑也在18mm左右，枸杞與果柄結合力的大小會隨環(huán)境中的各種因素變化而變化，應通過試驗選擇合適的采摘機械與采摘原理，提高成熟枸杞鮮果的采收效率和質量。在采摘成熟枸杞的同時，應該減少因碰撞和擠壓使果實破裂流出果汁，否則果實曬干后就會發(fā)黑，造成枸杞干果品質下降，造成經濟損失，還應減少采摘機在工作時對未成熟枸杞、花朵、葉片、枝條帶來一定程度的損傷。對枸杞的成熟果實、青果、花蕾與果柄的結合力進行測量和計算，枸杞果實成熟時，枸杞與果柄之間的結合力呈遞減趨勢，果實成熟度越高結合力越弱，青果的結合力在3N左右，而八成熟的果實結合力在0.6～1N之間。在采摘周期末期，果實的結合力也變弱，熟果的結合力在0.5N左右。為了降低采摘刀片對枸杞的損傷，提高采摘質量，可選用硅膠材料制作刀片，其硬度在30-90邵氏硬度，硅膠硬度隨著溫度的變化不明顯，且使用壽命較長，可使采摘機的的性能更加穩(wěn)定。

2? 枸杞采摘機設計

2.1 整機結構與原理

枸杞采摘機的動力由鉛酸電池提供，在采摘時可將鉛酸電池置于背包中背到背上，手柄內的電動機帶動兩硅膠輥輪作相向運動，利用硅膠刀片之間的間隙完成枸杞果實的采摘，摘下的枸杞果實掉落在集果盒里，鮮果裝滿時即可打開集果盒端部倉門倒出枸杞鮮果，繼續(xù)采摘，其整機結構如圖1所示。

2.2 集果盒設計

集果盒起著支撐固定采摘輥輪、儲存果實的作用。集果盒整體為圓柱形，上面的擋板可拆卸，圓柱形的一端設置活動倉門，方便倒出收集到的果實，另一端安裝手柄，手柄內安裝電動機。

2.3 采摘輥輪設計

根據(jù)不同成熟度的枸杞鮮果，設計了三種不同材質的采摘輥輪，可根據(jù)不同的工作環(huán)境、不同成熟度、 不同果型和不同結合力的果實靈活選擇。兩個硅膠輥輪上有整齊分布的的硅膠刀片，通過硅膠刀片之間的間隙完成鮮果的采摘。采摘輥輪可以設計為硅膠片制成采摘刀片的硅膠輥輪、柔軟的棕毛制成的毛刷輥輪和細橡膠棒制成的橡膠輥輪，可根據(jù)枸杞鮮果的不同類型更換輥輪刀片，硅膠輥輪和橡膠輥輪如圖2所示。

2.4 蓄電池與電動機的選擇

這里選用鉛酸蓄電池給電動機供電，它的容量為：+12 V、15Ah。它的外形尺寸：長為 151mm、寬為 64mm、高為 99mm、重量約為 2.6kg。這種蓄電池質量輕、便于攜帶、可靠性高、使用壽命長、維護成本低。電動機選擇12V直流無刷減速電機，結構緊揍、體積小、壽命長、效率高、噪聲低、維修方便。按蓄電池容量的70%計算，根據(jù)蓄電池容量（Ah）和直流電機電流（A），計算實際的工作時間約為12h，這樣可以保證1個工作日電量。

3? 試驗

根據(jù)設計要求試制了枸杞采摘樣機，在甘肅靖遠枸杞試驗田進行了驗證性試驗。從試驗的結果來看，枸杞采摘機采摘的速度是人工采摘的1.5倍，枸杞的破損率不到5%，此次試驗驗證了枸杞采摘機設計方案是可行的，枸杞的損傷率也能達到要求，從采摘效率來看，還需要對硅膠輥輪和硅膠刀片等重要部分進行優(yōu)化設計，這次試驗為最終的樣機試制提供了重要的數(shù)據(jù)。

4? 結語

便攜式枸杞采摘機利用輥輪采摘裝置，根據(jù)枸杞熟果的不同類型選用毛刷輥輪、硅膠輥輪和橡膠輥輪制成的三種采摘刀片，利用采摘刀片之間的間隙完成枸杞果實的采摘。本枸杞采摘機攜帶方便，成本低，體積小，重量輕，收集簡單，方便靈活，果實損傷率低，提高了工作效率。

參考文獻

[1] 馬嘉偉.我國枸杞機械化采摘技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機械研究與應用，2017，30（4）：151-153，155.

[2] 丁雷鳴.基于雙目視覺的枸杞采摘機器人系統(tǒng)設計與研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2019.

[3] 楊曉民，王彥，劉繼德.白銀市枸杞產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J].農業(yè)開發(fā)與裝備，2018（3）：2，12.

[4] 胡明明.振動式枸杞采摘機虛擬樣機設計[D].蘭州：甘肅農業(yè)大學，2018.

[5] 趙映，肖宏儒，王新江，等.基于標準化種植模式下4GQB-3300枸杞采摘機設計與脫果試驗[J].中國農機化學報，2019，40（6）：43-51.

[6] 胡明明，萬芳新，杜小龍，等.振動式枸杞采摘機設計[J].中國農機化學報，2018，39（7）：25-29.

[7] 石志剛，肖宏儒，萬如，等.枸杞采摘機研究進展[J].農業(yè)科技與裝備，2016（5）：53-56.