機械振動式沙棘采收機的改進

摘要：為提高機械振動式沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）采收機的可靠性和作業(yè)效率，改善其可操控性和作業(yè)效果，對采收機的振動頭改進設計，在振動頭和軸管間增設棘輪調節(jié)機構，將軸管由壁厚為2.0 mm的鋁合金改為壁厚為2.5 mm的不銹鋼管，并將軸管長度縮短33.3%，設計出新型對接式果實收集裝置。試驗結果表明，改進后的機械振動式沙棘采收機的可操作性、作業(yè)穩(wěn)定性和可靠性得到顯著提高，作業(yè)效率、采凈率較改進前分別提高35%和3%以上，果實損失率降為原來的近50%。

關鍵詞：沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）；采收；收集裝置；試驗

中圖分類號：S793.6 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）10-2649-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.10.050

Abstract： In order to improve the reliability，controllability and working efficiency，the mechanical vibratory sea buckthorn picker has been modified. Ratchet mechanism was set up between vibration head and shaft-tube. Stainless steel pipe whose wallthickness is 2.5 mm was used to instead of aluminium alloy whose wallthickness is 2.0 mm，and the shaft-tube has been shoetened 33.3%. A new kind of fruit collection device has been designed. Tests showed that the mechanical vibratory sea buckthorn picker which has been modified had better controllability and reliability. Its working efficiency has been improved 35%， fruit recovery ratio improved 3%， and fruit loss rate dropped to 50%.

Key words： Hippophae rhamnoides Linn.； picking； collection device；test

沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）是一種生命力極強的灌木，具有很強的防風固沙、水土保持作用，果實富含多種人體所需的營養(yǎng)成分，具有較高的食用和藥用價值[1-3]。隨著沙棘種植規(guī)模的持續(xù)擴大及沙棘果在醫(yī)藥、食品、化妝品等領域的應用，逐步形成了符合綠色產業(yè)、綠色食品要求的新興產業(yè)[4，5]。沙棘果簇生于帶刺的沙棘枝干上，具有很強的附著力，其果實采摘多年來一直是十分棘手的難題[6]。通過對沙棘果多種采收方式的研究與對比，設計出機械振動式沙棘采收機，以緩解沙棘機械采收困難的問題。在連續(xù)作業(yè)過程中，機械振動式沙棘采收機顯現(xiàn)出可靠性和作業(yè)效率低、可操作性和作業(yè)效果較差等問題?；诖?，本研究對其主要作業(yè)部件進行優(yōu)化改進，并設計出與該類型采收機匹配的對接式沙棘果實收集裝置，使機具可操作性、作業(yè)穩(wěn)定性及綜合作業(yè)性能得到顯著提高。

1 結構組成及工作原理

改進后的機械振動式沙棘采收機主要由振動頭、機體、曲柄滑塊機構、齒輪副、棘輪機構、軸管、花鍵軸、汽油機等零部件組成，如圖1所示。作業(yè)時，汽油機直接驅動花鍵軸，花鍵軸帶動傳動罩內的齒輪副，齒輪副改變花鍵軸的旋轉面方向并驅動曲柄滑塊機構的曲柄，曲柄滑塊將圓周運動轉化為滑塊的往復運動，沙棘枝桿上的振動頭隨之作共頻往復運動，從而振落沙棘果實，實現(xiàn)沙棘果實的機械振動采收，振落后的沙棘果被圍在沙棘枝干周圍的收集裝置收集。

2 關鍵作業(yè)部件的改進設計

2.1 振動頭的改進設計

振動頭是與沙棘枝干直接接觸的作業(yè)部件，作業(yè)過程中高頻往復運動，承受較大的沖擊載荷。原有夾持振動頭主要由內桿、外套桿、回位彈簧、鋼絲繩和上、下夾持頭組成，通過鋼絲繩可以對上、下夾持頭間的距離進行調整，以適應對不同直徑枝干的夾持，且上、下夾持頭間的預緊力可以通過回位彈簧進行調整[7]。在使用過程中，用戶常將上、下夾持頭的間距固定，回位彈簧在機具作業(yè)時易卸荷，導致機具抖動、果實采收不理想，于是將回位彈簧壓緊，使其彈性功能基本喪失?；诖耍瑢φ駝宇^的結構進行優(yōu)化改進，將夾持頭改為固定結構，主要由卡頭、連接桿等組成，如圖2所示。盛果期的沙棘枝干直徑多在15～35 mm間，將夾持頭間距確定為40 mm，滿足沙棘果實采收的需要。

2.2 振動頭調節(jié)部件的改進設計

沙棘屬灌木，枝干附生，再加上沙棘產業(yè)為新興產業(yè)，在沙棘種植區(qū)主要是利用其生態(tài)效益，而其經濟價值尚未引起足夠的重視，對沙棘林的管理不規(guī)范，沙棘林間雜草叢生。原有的沙棘采收機振動頭設置在軸管上，振動頭的傾角不能調整，難以更好適應不同操作人員的作業(yè)習慣，作業(yè)過程中普遍顯現(xiàn)出其可操控性和作業(yè)舒適性差。基于此，在振動頭與軸管間加裝棘輪調節(jié)部件，該部件主要由棘輪、調節(jié)手柄等組成，如圖3所示。棘輪調節(jié)部件一端連接軸管，另一端連接振動頭，根據操作者身高、操作習慣及沙棘林實際情況，可對振動頭的作業(yè)角度進行調節(jié)，以提高其操控性和作業(yè)效果。試驗表明，操作人員更傾向于將振動頭傾斜一角度進行作業(yè)。

2.3 軸管的改進設計

軸管是連接動力源和振動頭的關鍵部件，其穩(wěn)定可靠是保證整機作業(yè)性能的關鍵。為減輕機具重量，原機軸管采用壁厚為2.0 mm的非標鋁合金管材，作業(yè)過程中普遍存在固定振動頭的螺栓將軸管拉豁的現(xiàn)象。針對此問題，對軸管進行改進，將軸管的材料更換為2.5 mm厚的國標不銹鋼管，同時將軸管的長度由之前的1.5 m改為1.0 m，改進后整機重量基本不變，但其整體長度得到縮減，在沙棘林里可以更加便捷進行采收作業(yè)。軸管改進后操作人員的持續(xù)作業(yè)時間和勞動強度得到明顯改善，作業(yè)效果得到提高，整個采收作業(yè)期未發(fā)現(xiàn)有軸管被固定螺栓拉豁的現(xiàn)象。

2.4 果實收集裝置的改進設計

果實收集是確保沙棘機械化有效采收的關鍵環(huán)節(jié)，原有收集裝置主要由收集篷布、收集袋、支架、骨架、粘扣帶、吊耳等零部件組成[7]，進行沙棘采收前先對沙棘樹進行圍網，由于沙棘枝干雜生，圍網困難，且難以達到理想的圍網效果，圍網卻消耗沙棘采收一半以上的時間，極大制約著沙棘機械化采收的效率。基于此，設計了對接式沙棘果實收集裝置，該裝置主要由支撐輪、機架、收集箱、支桿、濾網等組成，如圖4所示。作業(yè)時，兩個收集裝置成對使用，分別從兩側對接在待采收的沙棘枝干周圍，沙棘果實沿濾網落入收集箱內，待收集箱集滿到一定程度后，將其取出，把收集箱內的沙棘果實倒入轉運容器內，完成沙棘果實的一輪收集。試驗結果表明，改進后的沙棘收集裝置可將圍網時間壓縮為原來的1/3，大幅提高圍網效率和作業(yè)效率，同時，圍網效果明顯提高，果實的損失率降低了50%。

3 驗證試驗

3.1 試驗方法及試驗條件

為全面檢測改進的機械振動式沙棘采收機的作業(yè)性能，依據企業(yè)標準《Q/XJZ 01-2012手持振動式沙棘采收機》，在新疆阿勒泰地區(qū)青河縣的沙棘種植基進行田間試驗，沙棘樹種選擇較適合機械振動采收的楚伊和向陽2個品種，重點測試改進前后機具的果實采凈率、作業(yè)效率、損失率等性能指標。

機具在正常工作狀態(tài)進行收獲作業(yè)，作業(yè)對象均為首次采收的沙棘林，連續(xù)作業(yè)時間為1 h，每個品種測試3組數據，取其平均值。

3.2 試驗分析

改進前后機具的果實采凈率、作業(yè)效率、損失率結果見表1。由表1可以看出，機械振動式沙棘采收機在改進前已達到較高的采凈率，再加上改進前后機具的工作原理未做改變，通過改變振動頭的結構，將采凈率提高3個百分點以上。果實收集裝置改進后，大幅縮減圍網時間，同時改進后的機械振動式沙棘采收機結構更緊湊，其操控性和作業(yè)舒適性均得到明顯改善，機具作業(yè)效率也得到顯著提高，對楚伊和向陽兩種較適合機械采收的沙棘品種的作業(yè)效率均提高35%以上。采用改進后的沙棘果實收集裝置可以更好從四周包圍需要采收的沙棘枝干，將損失率降低了50%左右，有效降低沙棘果實從枝干振落后的損失率。

4 結論

1）振動頭采用固定夾持結構，取消限位彈簧，機具作業(yè)過程中因共振產生的抖動現(xiàn)象得以消除，解決振動頭設計的缺陷，提高其可靠性和作業(yè)穩(wěn)定性，采凈率也有所提高。

2）采用振動頭可調節(jié)的機構設計，有效改善機具對不同操控人員的適應性和作業(yè)舒適性，機具人性化設計得到充分體現(xiàn)，有效保證操作人員進行快速高效采收作業(yè)。

3）機具軸管采用縮短的不銹鋼管材后，有效解決沙棘林帶中操作不便的問題，其作業(yè)穩(wěn)定性和可靠性得到顯著提高。

4）改進設計的對接式沙棘果實收集裝置更能適應沙棘林的生長特點，達到快速圍網、高效收集的目的，顯著提高沙棘機械化采收的作業(yè)效率，為推廣振動式沙棘采收機械奠定基礎。

參考文獻：

[1] 李 敏.沙棘在中國西部發(fā)展中的地位和作用[J].沙棘，2002， 15（3）：1-4.

[2] 周張章，周才瓊，闞健全.沙棘的化學成分及保健作用研究進展[J].糧食與食品工業(yè)，2005，12（2）：15-18.

[3] 傅建熙，孔東寧，陳 靜.利用資源優(yōu)勢加快發(fā)展沙棘產業(yè)[J].國際沙棘研究與開發(fā)，2007，5（4）：21-24.

[4] 張 軍.淺析我國沙棘產業(yè)化開發(fā)的瓶頸與對策[J].國際沙棘研究與開發(fā)，2007，5（2）：14-18.

[5] 徐永昶.對我國當前沙棘研究與開發(fā)的幾點設想[J].沙棘，2004，17（4）：34-35.

[6] 慕厚春，楊浩生，梁建平.撥簧-吸送式沙棘果實采收機的研制[J].林業(yè)機械與木工設備，2012，40（1）：30-32.

[7] 王 敏，曹肆林，何義川，等.機械振動式沙棘采收機的試驗研究[J].農機化研究，2013，35（9）：109-111.