沙棘螺旋伸縮剪的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

胡文威，胡靖明，畢 陽，張 忠，馮常建

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工學(xué)院；b.食品科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730070)

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沙棘螺旋伸縮剪的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

胡文威a，胡靖明a，畢 陽b，張 忠b，馮常建a

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工學(xué)院；b.食品科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730070)

為解決我國沙棘的采收問題，研制了一種螺旋伸縮剪，長度能在1.2～1.8m之間調(diào)節(jié)。選擇手工園藝剪、沃施剪中低搭配的采收方式，與手工園藝剪、沃施剪、螺紋伸縮剪3者高中低搭配的采收方式進(jìn)行試驗(yàn)對比分析，包括采收效率、采凈率、采收范圍、勞動強(qiáng)度。通過對比分析，得到在手工園藝剪、沃施剪、螺紋伸縮剪3者搭配時，沙棘的采收效率、采凈率、采收范圍3項(xiàng)指標(biāo)都得到提高，確定了3者比例為2:1:1時沙棘采收效率、采凈率最高。經(jīng)兩種沙棘采收方式的對比試驗(yàn)分析，為沙棘采收機(jī)的理論研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考，也為沙棘采收機(jī)的研制開發(fā)提供了新的思路。

沙棘； 采收機(jī)；作業(yè)性能；對比試驗(yàn)

0 引言

沙棘是生態(tài)環(huán)境建設(shè)的一種優(yōu)良樹種，枝葉茂密、根系發(fā)達(dá)、生長迅速、適應(yīng)性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的水土保持和防風(fēng)固沙能力[1]，近年來被作為退耕還林樹種被廣泛種植，生態(tài)效益顯著。其果實(shí)具有很高的藥用和營養(yǎng)價值，含有上百種生物活性物質(zhì)，包括10多種維生素、20多種黃酮類化合物、20多種有機(jī)酸及40多種酯，具有營養(yǎng)保健、增強(qiáng)人類體質(zhì)的食用和藥用價值[2-3]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在醫(yī)藥、食品、化妝品等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用，逐步發(fā)展形成了符合綠色產(chǎn)業(yè)及綠色食品要求的新興產(chǎn)業(yè)[4-5]。

我國沙棘(Hippophae rhamnoides L.subsp.sinensis)果實(shí)小而果柄短且生長牢固，果皮薄，易破裂。實(shí)驗(yàn)研究表明：成熟沙棘漿果的抗擠破能力還不到50g[6]。沙棘樹枝密刺多，一些缺少管理的野生沙棘林，沙棘枝條遍布叢生，連成片狀?；谝陨系纳鷳B(tài)特征使得采收果實(shí)的采收十分困難，成為制約相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。

國外對沙棘的研究起步早，在沙棘育苗、采收、加工及園藝等方面取得了豐富的成果。目前，國外比較先進(jìn)的沙棘采收方式有氣吸式采收機(jī)、振動式采收機(jī)、剪枝采收機(jī)及聯(lián)合收割機(jī)[7]。此類采收機(jī)都依托于大型機(jī)械，對采收場地有較高要求，適用于地勢平坦的人工沙棘林。根據(jù)全國沙棘資源普查資料，我國沙棘屬植物總面積達(dá)92萬hm2；天然林67.54萬hm2，占73.4%；人工林24.46萬hm2，占32. 46%,自然分布于華北、西北、東北西南部分地區(qū)的石質(zhì)山區(qū)及黃土丘陵區(qū)，垂直分布在海沷1 000～4 000m，最高達(dá)5 000m[8]。我國沙棘的區(qū)域分布特點(diǎn)決定了大型機(jī)械難以適應(yīng)我國國情。

20世紀(jì)80年代末，我國開始推廣沙棘種植，同時沙棘果實(shí)機(jī)械化采收技術(shù)的研究逐漸起步[9]；但機(jī)械化采收發(fā)展緩慢，采收方式落后粗放。通過對幾家沙棘企業(yè)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前我國沙棘的采收工具主要為普通剪刀及園藝剪等簡單工具，采收效率低。因受采收工具的長度限制，采收范圍小、采凈率低，進(jìn)而造成沙棘漿果品質(zhì)低、出果率下降。

針對采收范圍小及采凈率低等問題，本文設(shè)計(jì)了一種沙棘螺旋伸縮剪，并對其進(jìn)行田間對比試驗(yàn)和性能分析，為進(jìn)一步研制適合我國國情的沙棘采收機(jī)提供依據(jù)。

1 3種沙棘采收機(jī)械模型

圖1為普通手工園藝剪模型圖。其特點(diǎn)是省力、質(zhì)量小、價格便宜、動作迅速、工作可靠少維護(hù)，但其手柄很短，制約了其作業(yè)范圍。

圖2為沃施高枝剪模型圖。其特點(diǎn)是增加了支撐桿及相應(yīng)的傳動連桿機(jī)構(gòu)，作業(yè)范圍得到大幅度的擴(kuò)展。此外，在剪刀的動刀片上增加了壓簧，在枝條被剪斷的同時依靠壓簧的彈力將斷枝條夾持住，以便于拉回技條。

圖3為所設(shè)計(jì)的螺旋伸縮剪模型圖，圖4為結(jié)構(gòu)原理圖。其長度調(diào)節(jié)裝置由外螺紋管、內(nèi)螺紋管、內(nèi)螺紋拉桿、外螺紋拉桿、定握把、定刀、鎖緊螺母等組成，外螺紋管與內(nèi)螺紋管內(nèi)外螺紋配合，通過螺紋的驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)內(nèi)外螺紋管長度的調(diào)節(jié)。外螺紋拉桿、內(nèi)螺紋拉桿上有與定握把、定刀上的突起相配合的卡槽，通過突起與卡槽的配合，內(nèi)螺紋管相對于外螺紋管轉(zhuǎn)動時，外螺紋拉桿、內(nèi)螺紋拉桿分別與外螺紋管、內(nèi)螺紋管聯(lián)動，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)外螺紋管與內(nèi)外螺紋拉桿的同步長度調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)到合適長度時通過鎖緊螺母鎖緊，便可以繼續(xù)使用了。

圖1 手工園藝剪

圖2 沃施剪

圖3 螺旋伸縮剪

1.定握把 2. 外螺紋管 3.鎖緊螺母 4 .內(nèi)螺紋管 5.定刀 6. 外螺紋拉桿 7.內(nèi)螺紋拉桿

2 對比試驗(yàn)

實(shí)地試驗(yàn)是機(jī)械性能測試的重要依據(jù)和組成部分[10]。在實(shí)地試驗(yàn)中，選擇立地條件相似、沙棘長勢相似的地方進(jìn)行試驗(yàn)。為盡量減小人為因素的影響，選擇身體條件相似的采收人員進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)條件及內(nèi)容

試驗(yàn)時間為2015年11月4日。試驗(yàn)場地選擇位于甘南藏族自治州的卓尼縣木耳村大峪溝，這里野生沙棘覆蓋率高，長勢良好，樹高2～3m，樹冠幅度5m，滿足1h試驗(yàn)不需要更換場地的要求。

試驗(yàn)內(nèi)容：5名采收者分為兩組，分別為2人一組，3人一組，進(jìn)行3次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)0.5h。2人組組員分別用手工園藝剪和沃施剪中低搭配進(jìn)行采收。3人組組員分別用手工園藝剪、沃施剪及螺旋伸縮剪高中低搭配采收。

試驗(yàn)指標(biāo)：采收效率、采凈率、采收范圍、勞動強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示 ，試驗(yàn)結(jié)果對比如圖5～圖8所示。

表1 手工園藝剪與沃施剪組合

續(xù)表1

1)勞動強(qiáng)度x分5等：①強(qiáng)度很高；②強(qiáng)度高；③強(qiáng)度較高；④強(qiáng)度稍高；⑤強(qiáng)度適中。2)采收范圍h/l，h代表高度,l代表橫向長度。

表2 手工園藝剪、沃施剪和螺旋伸縮剪組合

圖5 綜合采收效率對比

圖6 綜合勞對強(qiáng)度對比

圖7 綜合采凈率對比

圖8 綜合采收范圍對比

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

因生態(tài)保護(hù)的要求，我國沙棘生產(chǎn)企業(yè)要求農(nóng)民剪枝采收沙棘果枝的枝條直徑應(yīng)小于12mm。在效率方面，采收過程中3種采收剪的采收沙棘枝條直徑都控制在12mm以下。由表1、表2和圖5可以看出：在不同小組上，3人組的采收效率要略高于2人組采收效率。單人單剪效率上，沃施剪效率最高，原因在于對于樹高2～3m的沙棘樹，其帶果枝條大多分在1.5m以上空間，此范圍內(nèi)帶果沙棘枝條密度最高，又恰好在沃施剪的適宜采收范圍內(nèi)。螺旋伸縮剪效率次之，原因在于螺旋伸縮剪的長度的可調(diào)圍為1.2～1.8m，適宜采收范圍廣，但因其質(zhì)量較大，靈活性較差，增加了對準(zhǔn)枝條的時間，因此其效率較沃施剪略低。手工園藝前效率最低，手工園藝剪質(zhì)量小，枝條對準(zhǔn)時間短，動作訊速靈活；但因沙棘外圍帶果枝條稀疏，其適宜采收范圍小，所以手工園藝剪采收效率最低。

采收范圍方面，每種采收剪都有各自適宜的采收范圍，在適宜采收范圍以外其效率都大為下降，且勞動強(qiáng)度加大。通過不同長度采收剪的搭配便能在兼顧效率的同時實(shí)現(xiàn)較大的采凈率。2人小組和3人小組的適宜采收范圍由其長度最長剪刀的長度決定。由表1、表2、圖8可以看出：增加了螺旋伸縮剪后小組適宜采收范圍有了大幅度提高，基本能覆蓋2～3m高的沙棘樹全樹冠。

采凈率方面，由表1、表2和圖6可以看出：在沃施剪的基礎(chǔ)上配備螺旋伸縮剪后，小組采凈率有大幅度提高。采凈率與采收范圍成正相關(guān)關(guān)系，采凈率的提高對于原本產(chǎn)量就不是很高的沙刺來說無疑具有重大意義。

勞動強(qiáng)度方面，由表1、表2和圖7可以看出：在配備螺旋伸縮剪后，小組勞動強(qiáng)度有所加大。因螺旋伸縮剪長度較長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大造成操作勞動強(qiáng)度較大。

3 結(jié)論

在目前沙棘資源的分布條件下，我國沙棘采收尚處于以人工剪枝采收為主的階段。由于沙棘樹高矮不一，分布地形復(fù)雜，帶果枝條立體空間分布范圍廣，宜用多把剪刀高低搭配進(jìn)行采收。設(shè)計(jì)生產(chǎn)的螺旋伸縮剪，在采收操作勞動強(qiáng)度增加約7%情況下，采收范圍擴(kuò)展了約28%，有效避免了采摘人員深入沙棘叢中被棘刺劃傷，減輕了采摘人員勞動損傷。其采凈率提高了約23%，提高了沙棘漿果的單位面積產(chǎn)量和漿果品質(zhì)及帶果枝條出果率，采收效率也略有提高。采收機(jī)自重及其重心位置是影響勞動強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)沙棘采收機(jī)時，要在滿足功能的條件下簡化設(shè)計(jì)，用較輕的材料制造生產(chǎn)，并使重心盡量靠近握把一端。經(jīng)沃施剪和螺旋伸縮剪采收下來的沙棘枝條需要經(jīng)過手工園藝剪的二次精剪才能滿足后續(xù)脫果需要。本研究確定了在手工園藝剪、沃施剪、螺紋伸縮剪三者搭配采收沙棘時，其最佳配比為2:1:1。

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The Design and Test Research of Spiraling Stretch Shear for Sea-Buckthorn

Hu Wenweia, Hu Jingminga, Bi Yangb, Zhang, Zhongb, Feng Changjiana,

(Gansu Agricultural University, a.College of engineering; b.College of Food Science and Engineering, Lanzhou 730070, China)

In order to solve the problem of harvesting sea buckthorn in china , a spiraling stretching shear was developed. Its length can be freely stretch between 1.2～1.8m. we select the harvesting style of high collocates with low by manual gardening shear and worth shear and the harvesting way of manual gardening shear 、worth shear mix of spiraling stretch shear for comparison. the analysis indicators include: picking efficiency、 net mining rate、picking scope、 the labor intensity. Through the contrast analysis, the result proved in gardening manual shear, shear worth, spiraling stretching shear collocation, the sea buckthorn picking efficiency、 net rate、picking range, the three indicators have been effectively improved and determined when the ratio of them is 2:1:1, sea buckthorn picking efficiency、net mining rate is maximal.comparative analysis of the two trials by way of sea buckthorn harvest provides a reference for theoretical research and design optimization of sea buckthorn harvesting machine, but also provides a new way of thinking for research and development of sea buckthorn harvesting machinery.

sea buckthorn; harvesting machinery; working performance; comparative test

2016-03-20

國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2014DFR31230)

胡文威(1990-)，男，湖北咸寧人，碩士研究生，(E-mail)hww2010040191114@163.com。

胡靖明(1975-)，男，蘭州人，副教授，(E-mail)hujm@gsau.edu.cn。

S225.93

A

1003-188X(2017)04-0173-04