山蒼子生物學特性與機械采收可行性分析

褚 璇，黃俊霖，馬稚昱，韋鴻鈺，劉洪利

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學院機電工程學院，廣東 廣州 510225）

0 引言

山蒼子（Litsea cubeba）又名木姜子，山雞椒等，是一種優(yōu)良的速生木本芳香油料樹種，其全株均含有芳香油，籽、桿、根和葉都可以利用，在食用香料、日用化工、航空潤滑油和醫(yī)藥產(chǎn)品的生產(chǎn)中有廣泛應用[1-2]。我國山蒼子資源占全世界的90%，種植總面積有1.44 萬hm2，廣泛分布于我國長江以南的廣西、廣東、福建、云南、四川等省[3]。同時，我國也是世界上最大的山蒼子油生產(chǎn)國和出口國，其年產(chǎn)量14.01 萬t，出口量占全球市場的80%[4]。因此，大力發(fā)展山蒼子產(chǎn)業(yè)有利于優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進農(nóng)民增收致富，助推鄉(xiāng)村振興。

目前，山蒼子產(chǎn)業(yè)初步形成了以林下種養(yǎng)、森林景觀利用為主體的林下經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)體系的基本格局，隨著山蒼子深加工產(chǎn)業(yè)的逐步發(fā)展，產(chǎn)品的多樣化開發(fā)，山蒼子產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善[5]。目前針對山蒼子的研究主要涉及優(yōu)良品種培育[6-7]、栽培管理[8]及精深加工工藝優(yōu)化[9-12]等方面。但由于山蒼籽果實的采收季節(jié)性很強、時效性要求高，且其采收情況直接關系到出油率及出油質(zhì)量，還關系到育苗成敗[13]。因此，山蒼子采收也是制約我國山蒼子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題之一。

1 山蒼子采收現(xiàn)狀與問題分析

迄今為止，我國山蒼子仍然以手工收獲為主，勞動強度大，工作效率低。山蒼子的生長環(huán)境、采摘要求等均導致其采收面臨“無機可用”的困境。2019-2021 年連續(xù)對廣東省連山縣山蒼子生產(chǎn)區(qū)采收情況進行調(diào)研，種植戶或合作社通常選擇雇傭工人完成采收，其價位通常在150 元/天，采摘成本較高。另外由于采摘熟練程度和山蒼子樹的長勢不同，工人采摘效率差異顯著，每人每天最多采收50 斤，這也導致山蒼子的采收效率較低，并造成了大量鮮果不能及時采收而浪費。因此，開發(fā)和研究先進的山蒼子采摘工具，提高山蒼子采摘的機械化水平，對促進山蒼子生產(chǎn)發(fā)展具有積極和重要的現(xiàn)實意義。

1.1 山蒼子的生物學特性制約果實采摘方式

山蒼子采收季節(jié)性很強，采集過早，果實含油少，水分重，含醛量也不足；采集過遲，果實中的芳香油會逐漸消失，遇到風雨也會落地腐爛[14]；因此應在其成熟時及時采收。山蒼子成熟期為7 至8 月，氣候炎熱，采摘環(huán)境較為惡劣。另外，山蒼子收獲的農(nóng)藝要求很高，要做到輕采輕摘，將果實連帶果柄一起摘下，因為無論是采摘過程中造成的果實破皮還是果柄脫離，都會造成果實中芳香油的揮發(fā)與氧化[15]。在采摘時通常將帶有部分葉子的細枝一簇一簇摘下，再進行逐粒采摘。山蒼子樹一般2～3 m，最高的高達8 m，樹枝高而分散，為采盡高處果實通常需要搭梯上樹，采摘工人安全也難以保證。山蒼子的這些生物學特性均決定了它采摘收獲的難度大、效率低。

1.2 山蒼子生長環(huán)境增大采收難度

山蒼子生長具有很強的區(qū)域性，在我國主要分布于南方及西南溫暖地區(qū)。野生山蒼子資源分布整體較分散，常生于荒山、荒地、灌叢或梳林內(nèi)。隨著現(xiàn)代林業(yè)建設力度加大，部分省市已經(jīng)開始人工培育山蒼子林[4]，但無論是野生山蒼子還是人工培育林，其種植地貌多以低山、丘陵為主，復雜的地形地貌、落后的基礎生產(chǎn)條件，均導致了傳統(tǒng)的采摘機械無法應用，同時目前市面上缺乏與之相適應的農(nóng)機，使得山蒼子采摘主要依賴人工完成。

2 常見采收技術與山蒼子機械采收可行性分析

目前尚無針對山蒼子采收機械的研究，但花椒、枸杞等果實與山蒼子在外形或植株存在相似形，因此針對此類小型果的采收機械及技術可以為山蒼子采收機械的設計提供參考。目前此類果實的常見的機械采摘工具（方式）包括：剪切式采收、機械振動采收及負壓采收等，本節(jié)結(jié)合不同采摘方式分析其應用于山蒼子采收的可行性。

2.1 剪切式采收

在種植于丘陵山地的花椒或枸杞的采收中，修枝剪、高枝剪、長柄剪等已有所應用。這種采摘方式是利用剪刀將成熟果實與枝條一同剪下[16]，再組織人員集中將果實采摘收集。目前市面上的這類機具品種繁多，包括手動剪、氣動剪及電動剪等等。較為著名的產(chǎn)品有日本ARS 公司的園藝剪、德國GARDENA 公司的樹枝剪和高枝剪、意大利CAMPAGNOLA 司的F/6U 型氣動高枝剪和Star50 型氣動高枝剪等等[17]。另外，也有研究人員結(jié)合結(jié)構(gòu)設計及運動仿真對高枝剪這類采摘器具進行研究。例如，劉志剛等[18]基于SolidWorks 軟件，提出了一種新型高枝花椒采摘剪的結(jié)構(gòu)設計方案，并對其進行運動仿真分析。錢稷等[19]設計了一款可調(diào)式握力高枝剪，并根據(jù)大宗果樹的生長參數(shù)，對剪刀伸縮桿結(jié)構(gòu)、伸縮調(diào)節(jié)器和剪切部件進行了參數(shù)設計和三維建模。

這類采摘裝置是一種輔助性采摘機械，在山蒼子采收中也同樣適用。普通剪刀可用于新林或1.5 m以下矮林的采收，高枝剪可以采摘較高處的枝條與果實[20]。但在實際采摘過程中，由于果實枝條的高度不等，高處枝條的剪切定位存在一定困難，并且對于高處的枝條（3 m 以上）仍需搭梯上樹才能采摘。因此這種方式在山蒼子采收中也存在一定限制。

2.2 機械振動采收技術

振動式收獲機械的工作原理是在不損傷果樹前提下，將激振力施加于果樹，使果實分離脫落，然后再通過收集裝置將脫離的果實收集。由于收獲效率較高，振動式收獲機械在規(guī)?；牧止麡I(yè)采摘中應用較多。機械振動采收技術在美國、英國、德國等國家研究與應用已較為普遍[21]，從動力學模型構(gòu)建、激振參數(shù)影響、果樹振動響應到振動采收機設計等均進行了細致深入的研究與分析[22-24]。目前，像葡萄、柑橘、核桃、橄欖等用于加工或果皮較厚的果品利用這種方式均實現(xiàn)了機械化收獲[25-26]。我國在振動采收方面的相關研究起步較晚，主要針對黑加侖、銀杏、紅棗、核桃、藍莓等果品。目前常見的機械振動采收多采用振搖、梳刷、沖擊和拍打等形式，不同振動形式的其工作原理和特點如表1 所示。

表1 振動采收原理及特點

在與山蒼子類似的果實，如花椒、枸杞及沙棘等果實的采收中，梳刷或振搖是最常用的2 種方式。胡明明等[37]通過對枸杞植株的模態(tài)分析，結(jié)合曲柄滑塊機構(gòu)的運動分析設計出了一種振動式枸杞采摘機，如圖1 所示。李瑞等[38]基于下樁采摘法的振動式花椒采摘方法，通過ADAMS 軟件對花椒枝和花椒果進行柔性體建模，設計了一種振動式花椒采摘機。張偉等[39]設計了鈣果的梳刷采摘裝置，其梳刷部件首先貼近地面，將梳齒插入枝條，然后向上運動將枝條扶起，由于梳齒間隙小于果實直徑且大于枝條直徑，在枝條扶起過程中，實現(xiàn)果實與枝條分離。劉磊等[40]設計了輥刷式蓖麻收獲機采摘機構(gòu)，兩輥刷等速相向旋轉(zhuǎn)，刷絲自下向上作用于蓖麻果實，使蓖麻果與莖稈分離。但以上所述裝置均為大型機械，而目前山蒼子以野生為主，分布在丘陵、荒山等地區(qū)，地形復雜，因此，這類大型采收機械難以適應山蒼子山地采收需求。

圖1 振動式枸杞采摘機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

在梳刷或振動采收的便攜設備中，張文強等[41]設計了變間距梳刷式枸杞采收裝置，如圖2（a）所示。萬芳新等[42]設計的機械式花椒采摘機，利用撥椒輪高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的梳刷作用和撥椒輪與弧形凹板間相對運動所產(chǎn)生的搓擦作用收獲花椒。于英杰等[43]利用梳刷式小?？Х炔烧b置中指排的轉(zhuǎn)動完成咖啡果實采摘，如圖2（b）所示。指排在轉(zhuǎn)動的同時會拍打果實，同時枝條在指排的作用下也會產(chǎn)生一定振幅和頻率的晃動，因此，此裝置同樣也是基于振動與梳刷2 種方式共同作用下實現(xiàn)的采摘。這幾種裝置便攜易操作，并且均具有較好的采收效果，可為山蒼子采摘提供思路。

圖2 便攜式梳刷采摘機械示意圖

在梳刷或振動采收過程中，梳齒或激振裝置容易損傷枝葉，并且在梳刷或振落果實的過程中容易打傷果實，或者梳落果實時造成果柄脫落的損傷。在山蒼子采收過程中，果實破損容易造成果實中芳香油的揮發(fā)，因此，將這種方式應用于山蒼子采收時，如何避免梳刷造成果實的損傷與果柄脫落是研發(fā)的難點。應深入研究果實振動采收機理、果樹的振動響應特性與果實損傷規(guī)律，實現(xiàn)山蒼子高效低損的采收。另外，由于大型振動采收機械對地形有較高要求，便攜式采收裝置在果實收集方面也存在一定困難，山蒼子在種植方面也需進一步推進種植環(huán)境，進行宜機化改造，為機械化采收提供條件。

2.3 負壓吸收采摘技術

負壓吸收采摘技術是采用負壓和撕扯原理實現(xiàn)果實與果枝的分離，由于基于以此原理的采收機械通常需要可產(chǎn)生較強負壓的大型動力機械，因此這種方式對地形要求較高。但目前也有一些小型負壓采收機械的設計。王峰等[44]設計了一種負壓吸收式花椒采摘機，如圖3 所示，其可不用割下枝條，較少損失地實現(xiàn)花椒籽粒采收，同時整個系統(tǒng)機構(gòu)簡單，制造和維護成本低，需要消耗的能量也較低。李樹森等[45]將負壓技術與梳刷采收技術結(jié)合，設計出了一種氣吸梳刷式枸杞采摘機。采收過程中，風機抽吸風將果柄由下垂狀變?yōu)樗綘?，再通過梳刷工作頭轉(zhuǎn)動將果實摘下。由于小型負壓采收機械設備吸力小，如何實現(xiàn)果柄與樹枝之間的高效分離而不損傷果實或花芽及嫩葉是其應用難點。

圖3 負壓吸收式花椒采摘機結(jié)構(gòu)圖

3 山蒼子采收方案

3.1 山蒼子生物學特性分析

山蒼子枝條細長，分支較多；其果實接近球形，直徑約5 mm，3～5 顆簇生；果實通過果柄與枝條連接，果柄長度通常為2～4 mm。為更好分析山蒼子機械采收可行性，本文初步分析了山蒼子鮮果和枝條的物理機械特性。選擇無病蟲害、無損傷的山蒼子枝條和果實，采用直尺與游標卡尺測量枝條的基本參數(shù)，并進一步以不同樹齡的枝條為試驗對象，分別從逆枝條和順枝條生長方向測量了果柄脫落所需要的力，結(jié)果如表2 所示。

表2 山蒼子枝條基本參數(shù)

3.2 高通量梳刷式山蒼子果枝分離與收集裝置設計

基于前文分析，提出了一種高通量山蒼子果枝分離與收集裝置設計方案。工人把成熟果實的枝條剪下后，再進行集中式果枝分離，避免了在果園直接應用振動式大型采收機器難以適應的問題，同時果實批量分離后，直接進行加工，減短了破損果實存放時間，有利于實現(xiàn)山蒼子果實采收與加工的高效銜接，減少了果實中芳香油的揮發(fā)浪費。所設計的高通量山蒼子果枝分離與收集裝置如圖4 所示，主要由夾持輸送帶、雙毛刷輥軸、果實收集箱及驅(qū)動電機組成。夾持輸送帶表面有橡膠凸起可起到夾持住枝條的兩端推動著枝條向里運動的作用，雙毛刷輥軸與輸送帶運動方向呈一定夾角安裝，以保證枝條在向里運送過程中始終在毛刷輥筒的掃刷范圍，雙毛刷輥筒由電機帶動做旋轉(zhuǎn)運動，將枝條上的果實梳落，同時由毛刷滾筒正下方的收集箱收集梳落的果實。

圖4 高通量梳刷式山蒼子果枝分離與收集裝置裝配圖

基于剪枝采收后山蒼子果枝特性，枝條長度最小為91 cm，因此調(diào)整所設計裝置中夾持輸送帶左右寬度為約80 cm，以滿足絕大多數(shù)枝條的輸送需求；另外，由于枝條中底部與頂部最小直徑分別為8.22 mm 和0.85 mm，故調(diào)整夾持枝條底部和頂部間隙分別為約8 mm 和0.5 mm。在整個機構(gòu)中，毛刷輥筒質(zhì)量較大，且僅靠兩端的軸承座支撐，因此其強度必須滿足要求。進一步對毛刷輥軸作靜態(tài)結(jié)構(gòu)力學分析。在工作過程中，毛刷輥軸主要受到電機的驅(qū)動和自身重量，因此在分析時在滾軸兩側(cè)軸上添加載荷，其中電機提供的轉(zhuǎn)矩為12.5 N·m，添加至一側(cè)軸的壓力為190 N，分析結(jié)果如圖5 所示。由圖可知滾筒所受最大應力結(jié)果為34.25 MPa，而不銹鋼的屈服力為172.3 MPa，故其強度滿足要求。

圖5 毛刷滾軸有限元分析結(jié)果

利用通常的方法對軸承座進行分析，軸承座底部通過螺栓螺母固定，其受力主要來自毛刷滾軸的壓力，因此在仿真過程中，添加載荷190 N,分析結(jié)果如圖6 所示。由圖可知軸承座所受最大應力結(jié)果為297.8 kPa，而軸承座的屈服力為275.7 MPa，故所設計強度滿足要求。

圖6 軸承座有限元分析結(jié)果

4 展望與討論

山蒼子的生長環(huán)境是限制其實現(xiàn)機械化采收的重要因素，應堅持以機適地與以地適機相向而行的原則，在設計相應采收機械時應注重與實際相結(jié)合。另外，山蒼子的規(guī)范化種植管理也必不可少，應根據(jù)山蒼子的生長特性，確定種植區(qū)域，規(guī)模發(fā)展。同時進一步完善配套設施建設，對農(nóng)田進行宜機化改造，改善丘陵山區(qū)農(nóng)機通行作業(yè)條件，突破自然環(huán)境的限制。

山蒼子機械化采收難點是高效低損地收集果實。因此深入研究山蒼子枝條與果實等的生物學特性，能夠為設計山蒼子采收機械中枝條的抓取、切割機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及材料選擇提供理論依據(jù)。目前雖然暫無對山蒼子機械采收的研究，但對花椒、枸杞等果實的采收均可為山蒼子采收機械設計提供基礎。在山蒼子采收機械設計中應充分借鑒相關的新理論與技術，并與山蒼子采收實際相結(jié)合，進而設計出高效、安全、操作簡單的采摘機械。

在提升山蒼子生產(chǎn)機械化過程中，樹立“研、推、用”一體化思維。企業(yè)與科研機構(gòu)應開展深度合作，形成科技創(chuàng)新、技術服務、產(chǎn)業(yè)開發(fā)有機聯(lián)系的產(chǎn)學研緊密合作體系，著眼于全產(chǎn)業(yè)鏈，研發(fā)制作和推廣應用兩手發(fā)力；并開展多渠道、多層次、多形式的農(nóng)民培訓，提高農(nóng)民機械化操作的技術與技能水平，提高山蒼子采收機械的接受程度。