一種刺梨采收機(jī)的設(shè)計

任永飛,閔 航

(貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所,貴州 貴陽 550007)

0 引言

刺梨是貴州獨(dú)有的特色林產(chǎn)品,是云貴高原特有的珍貴野生資源,是貴州這樣的喀斯特地區(qū)石漠化治理的首選樹種,也是全國首個培育的國家森林生態(tài)標(biāo)志產(chǎn)品[1]。目前,貴州刺梨種植規(guī)模全國第一,刺梨加工企業(yè)的規(guī)模和數(shù)量全國第一,刺梨產(chǎn)品種類也是第一,這些成就的取得,為貴州省刺梨產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)[2]。盡管刺梨產(chǎn)業(yè)對貴州部分地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大,但刺梨在收獲生產(chǎn)環(huán)節(jié)卻主要依靠人工,低效率、高成本的生產(chǎn)方式嚴(yán)重制約了刺梨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。采收過早,果實(shí)尚未成熟,個頭小、產(chǎn)量低,品質(zhì)低劣,不耐貯藏;采收過晚,則果實(shí)成熟度過高,果肉衰老快,不適合長途運(yùn)輸及長期貯藏[3]。刺梨生長環(huán)境特殊,且樹干被刺包圍,依靠人工采摘時容易被刮傷,后期的收集工作量極大。隨著生活水平的不斷提高,人們對健康的重視程度也越來越高,市場對刺梨的需求量也隨之增大。因此,急需開發(fā)一款刺梨采收機(jī),助力貴州刺梨產(chǎn)業(yè)發(fā)展,通過實(shí)現(xiàn)刺梨的機(jī)械化收獲來提高刺梨的產(chǎn)量和利用率[4]。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的刺梨機(jī)械化采收機(jī)刺梨樣機(jī)由履帶式行走車、舉升架、脫果機(jī)構(gòu)安裝架、脫果機(jī)構(gòu)、脫果機(jī)構(gòu)基座、收集機(jī)構(gòu)、樹根夾緊機(jī)構(gòu)、樹冠環(huán)抱油缸、舉升油缸、夾緊油缸、伸傘油缸、橫向移動油缸、縱向移動油缸、收集傘、液壓高頻震動馬達(dá)等組成,如圖1所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意

舉升架通過鉸鏈鏈接和舉升油缸安裝在履帶式行走車上,收集傘安裝于舉升架上,舉起或放下收集傘布,便于田間行走或卸刺梨果。脫果機(jī)構(gòu)架安裝于底盤前端,脫果機(jī)構(gòu)通過橫向滑座和豎向滑座安裝在脫果機(jī)構(gòu)架上,可實(shí)現(xiàn)前后上下移動。

1.2 工作原理

履帶式行走車將收集機(jī)構(gòu)移動至待采摘的刺梨樹,收集機(jī)構(gòu)底部開口對準(zhǔn)樹根,夾緊油缸驅(qū)動夾持器夾緊樹根;伸傘油缸驅(qū)動主動傘桿旋轉(zhuǎn)帶動收集布旋轉(zhuǎn),再帶動從動傘桿旋轉(zhuǎn),完全展開后形成一個圓錐形收集傘機(jī)構(gòu)。收集傘機(jī)構(gòu)圍合在刺梨樹干周圍,包裹住整棵刺梨樹,完成刺梨采收作業(yè)中的收集傘展開動作。

樹冠環(huán)抱油缸將脫果機(jī)構(gòu)展開,脫果機(jī)構(gòu)架上的橫向移動油缸推動整個脫果機(jī)構(gòu)前移動至刺梨樹冠,縱向油缸驅(qū)動脫果機(jī)構(gòu)基座上下移動調(diào)整抱緊刺梨樹冠位置,樹冠環(huán)抱油缸驅(qū)動脫果機(jī)構(gòu)抱緊刺梨樹冠,液壓高頻震動馬達(dá)驅(qū)動脫果機(jī)構(gòu)進(jìn)行脫果[5]。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 脫果機(jī)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),沿果柄方向拉伸脫果力為200 N,垂直果柄方向折斷脫果力為50 N,刺梨果抗壓力為2 N[6]。描述刺梨脫果簡圖,針對成熟果實(shí),結(jié)合刺梨脫果的振幅A,震動頻次f,振動時間t三個因素設(shè)計震動機(jī)構(gòu),刺梨果實(shí)震動脫果受力分析如圖2所示。

圖2 脫果受力分析示意

已知最遠(yuǎn)樹上果實(shí)到樹根震動長度為R,整棵樹最遠(yuǎn)端脫果最小擺動幅度A1,樹枝搖擺間夾角為α,樹根震動力為F,震動塊伸縮距離為D,最遠(yuǎn)端刺梨受力為F1,要使得最遠(yuǎn)端果實(shí)脫果,則必須達(dá)到最遠(yuǎn)果實(shí)最小振幅為A1與脫果力F1,最小振幅A1的振動頻率為

f=n/t

(1)

式(1)中,n為震動次數(shù);t為震動時間。

使得刺梨果實(shí)脫果,果實(shí)最遠(yuǎn)端震動力為

F=F1(R+X)/X

(2)

脫果機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動方式進(jìn)行脫果,其震動塊運(yùn)行距離為

D=A1X/R+X

(3)

已知通過實(shí)驗(yàn)得出刺梨脫果時的最大力度為50 N,同時整棵樹最遠(yuǎn)端脫果最小擺動幅度為20～30 cm,脫果的最遠(yuǎn)樹上果實(shí)到樹根震動長度為1.5～1.7 m,震動力作用點(diǎn)與地面固定點(diǎn)的距離為20～40 cm,計算出脫果所需震動力為237.5～475.0 N,震動塊伸縮距離為2.1～6.3 cm,震動頻率選用50 Hz。

根據(jù)計算結(jié)果,選擇液壓高頻震動馬達(dá),功率為6.12 kW,震動頻率50 Hz。脫果結(jié)構(gòu)由樹冠環(huán)抱夾、脫果機(jī)構(gòu)基座、樹冠環(huán)抱油缸、液壓高頻震動馬達(dá)組成,如圖3所示。

圖3 脫果結(jié)構(gòu)示意

2.2 收集機(jī)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)田間實(shí)測數(shù)據(jù),刺梨株距為1.7～2.0 m,行距3 m,行距凈寬約2.2 m,植株高度為1.5～1.7 m,最低枝干離地30～40 cm,多枝纏繞根部直徑約40 cm,樹冠中部最大直徑1.4～1.7 m,調(diào)研刺梨樹種植情況簡化,如圖4所示。

圖4 刺梨樹簡化示意

設(shè)計收集箱底部開口為50 cm,傘桿及傘布展開直徑為200 cm,收集箱高度為30 cm,傘桿頂端高度為1.6 m,為更好地保證刺梨果實(shí)滑落至收集箱,則傘桿與垂直方向夾角為30°。收集機(jī)構(gòu)主要由收集箱、傘桿、收集布、夾緊油缸、伸傘油缸組成,如圖5所示。

圖5 收集機(jī)構(gòu)示意

3 應(yīng)用前景

貴州刺梨由過去生長在深山的小野果,逐步發(fā)展壯大成如今的百億級產(chǎn)業(yè)。特別是隨著人們對于健康需求的不斷增強(qiáng),憑借維生素C含量在果蔬中“傲視群雄”,刺梨產(chǎn)品銷量出現(xiàn)小高潮。貴州充分利用刺梨資源豐富的特點(diǎn),近年來努力延長產(chǎn)業(yè)鏈、提升價值鏈,圍繞“統(tǒng)一公共品牌、統(tǒng)一功效研究、統(tǒng)一系列標(biāo)準(zhǔn)”,持續(xù)打造優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品、培育龍頭企業(yè)、壯大產(chǎn)業(yè)規(guī)模,全產(chǎn)業(yè)鏈培育壯大刺梨產(chǎn)業(yè)[7-9]。

隨著新一輪退耕還林的推進(jìn),貴州在六盤水、畢節(jié)、黔南等地大規(guī)模推廣刺梨種植。2022年,刺梨在貴州省內(nèi)的種植面積達(dá)210萬畝,進(jìn)入產(chǎn)果期的有126.3萬畝,其中72.6萬畝進(jìn)入盛果期,實(shí)現(xiàn)鮮果產(chǎn)量30萬噸,刺梨綜合產(chǎn)值達(dá)150.8億元。根據(jù)貴州省刺梨種植規(guī)模和產(chǎn)量,按照刺梨采收設(shè)備理論采收效率計算,機(jī)械化采收刺梨500～1 000 kg/d,每個采收季節(jié)有效作業(yè)時間20 d,則單臺機(jī)具每個采收季可采收10～20 t。

該設(shè)備收獲刺梨,一次性完成單棵刺梨的采收,采收效率高,實(shí)用性強(qiáng),能有效節(jié)約人工成本, 大量減輕了勞動強(qiáng)度,降低了刺梨采收的成本,對產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有帶動作用。目前市場需求量大,具備良好的推廣應(yīng)用前景[10]。

4 結(jié)語

貴州省刺梨產(chǎn)業(yè)在發(fā)展的過程中,在重視刺梨品種培育、栽培技術(shù)的同時,加強(qiáng)刺梨產(chǎn)業(yè)相關(guān)機(jī)械化的研發(fā),為適應(yīng)刺梨品種配套研制新型采收機(jī),實(shí)現(xiàn)刺梨采摘關(guān)鍵環(huán)節(jié)的突破。能有效解決我省勞動力緊缺,刺梨采摘費(fèi)工、費(fèi)時、費(fèi)力的問題,為我省刺梨加工企業(yè)提供低成本的刺梨原材料,提升貴州省刺梨產(chǎn)業(yè)的競爭優(yōu)勢,降低農(nóng)民和企業(yè)種植刺梨的成本。同時輻射帶動企業(yè)與農(nóng)民種植生產(chǎn)刺梨積極性,為適宜機(jī)采的新刺梨品種示范推廣打下基礎(chǔ)。