一種金銀花采摘機械的設(shè)計*

高 姍

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

金銀花的花蕾上部膨大略帶乳白色、下部青綠含苞待放時是采摘的最佳時間。金銀花的采集工作量比較大，對采收時間有嚴(yán)格的要求，若是過早采摘會影響產(chǎn)量，過晚采摘則會降低其藥用價值。傳統(tǒng)的人工采摘方式效率低、耗時費力，由于采摘時間長往往導(dǎo)致金銀花質(zhì)量與價值下降。目前市場上的采摘機原理基本相同，通過電機驅(qū)動輥軸轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)金銀花花蕊的采集，但是采摘機結(jié)構(gòu)設(shè)計及其傳動系統(tǒng)有待改進(jìn)，如采摘過程中容易卡死、出現(xiàn)故障、可靠性差等，極大地增加了人工采摘過程中的工作負(fù)擔(dān)。因此，需要設(shè)計一種可提高采摘效率、降低采摘人工成本、有效保證金銀花采摘產(chǎn)量和品質(zhì)的金銀花采摘裝置。

1 研究背景

金銀花正名忍冬，全草可以入藥[1]，其中金銀花蕾藥用價值較高[2]。目前，在我國很多地區(qū)都廣泛種植金銀花。金銀花的采摘效率備受廣大種植戶關(guān)注。金銀花有一定的生長周期，在對金銀花進(jìn)行采摘時，需要選擇在適宜的時間進(jìn)行采摘[3]。金銀花以花蕾為主，開花時間集中，應(yīng)及時分批采摘，一般在5 月中、下旬采第一次花，6 月中、下旬采第二次花[4]。蕾期1 周左右，花蕾上部膨脹，由綠變白，尚未開放，在晴天早晨露水剛干時以最快的速度采摘，質(zhì)量最佳[5]。不同時間采摘的金銀花質(zhì)量會呈現(xiàn)一定差異，具體情況如表1所示。

表1 不同時間采摘的金銀花質(zhì)量參數(shù)統(tǒng)計比較

目前，金銀花采摘通常是人工采摘[6-8]，具體操作是由采摘人員將手伸入金銀花叢林中，再用兩個手指握住花柄，輕微一用力，即將花柄折斷，將金銀花采摘下。然而，此種方式只能一朵一朵地采摘，效率低，且采摘人員的手指長時間重復(fù)相同的動作，對手傷害較大；另外，金銀花的花柄較脆，采摘人員的手伸入金銀花叢林中，容易將金銀花折斷，折斷后的金銀花掉落至泥土中，無法利用，而且金銀花內(nèi)的花蕊在手的碰撞和抖動中容易掉落至泥土中，造成浪費[9]。傳統(tǒng)的人工采摘方式效率較低，采摘質(zhì)量不佳，容易錯過最佳的采摘期。

2 采摘機整機設(shè)計

本研究所設(shè)計的是一種新型花葉兼收型金銀花采摘機，采摘機總體結(jié)構(gòu)由風(fēng)機、鐵板、從動輪、鐵網(wǎng)、軟管孔等組成，金銀花采摘設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1 所示。設(shè)計該采摘設(shè)備時，綜合考慮到了金銀花采摘過程中花、葉的不同特點。采摘過程中在風(fēng)機的吸引力作用下，花與葉會被吸入到鐵網(wǎng)之中。之后，鐵網(wǎng)在主動輪、從動輪的轉(zhuǎn)動作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動，原本吸附在鐵網(wǎng)上的花、葉也會隨之發(fā)生運動。在鐵網(wǎng)轉(zhuǎn)動過程中，花、葉在達(dá)到最高點時會自動掉落。考慮到金銀花的枝葉直徑大于花朵，因此花朵可以通過采摘設(shè)備鐵網(wǎng)的孔洞掉落到下方的收納盒中[10]。采摘設(shè)備的正常運行需要電機和風(fēng)機連接蓄電池，通過蓄電池導(dǎo)電，電機與風(fēng)機同時轉(zhuǎn)動，風(fēng)機轉(zhuǎn)動將機體內(nèi)的空氣排空。設(shè)計采摘設(shè)備中的鐵網(wǎng)時，考慮到金銀花實際采摘的情況和需求，對鐵網(wǎng)擺放角度進(jìn)行合理設(shè)計，將鐵網(wǎng)以45°傾斜方式予以擺放。通過這種設(shè)計，在采摘機運行過程中，不需要的金銀花葉片會隨著采摘機內(nèi)部鐵網(wǎng)的不斷旋轉(zhuǎn)不斷掉落，采摘人員可以在采摘機的尾端對掉落的金銀花葉片進(jìn)行收集。

圖1 金銀花采摘設(shè)備結(jié)構(gòu)

2.1 采摘頭設(shè)計

設(shè)計采摘頭時，考慮到實際采摘需求，對采摘頭尺寸大小進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計，總體設(shè)計為長方體，如圖2 所示。其中，長度設(shè)定為150 mm，寬度設(shè)定為100 mm，高度設(shè)定為100 mm。對采摘頭的正面進(jìn)行了鑿空設(shè)計，下方100 mm 邊線安裝若干刀片，每個刀片的長度設(shè)置為30 mm，不同刀片間的距離控制在10 mm。在采摘頭的背面打孔，在左右兩端分別打孔，左右兩孔間的距離控制在90 mm。將兩孔打通，以滿足手柄在兩孔間水平運動的需求。在設(shè)備的手柄前端安裝刀架，刀架前方安裝若干刀片，不同刀片間距離設(shè)置為10 mm。在采摘頭的底座上安裝長方形的收納盒，長度為300 mm、寬度為100 mm。

圖2 采摘頭設(shè)計

2.2 滾筒設(shè)計

滾筒設(shè)計為圓柱體，直徑為750 mm，高度設(shè)計為1 000 mm，長度設(shè)計為1 200 mm。該滾筒主要由鐵圈、鐵板以及鐵網(wǎng)等組成，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)簡練、美觀，表面采取熱鍍鋅進(jìn)行了處理，以確保整個滾筒的耐用度。為滿足金銀花采摘的需求，還對滾筒的孔距進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計。在實際生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，金銀花的花蕊總體為棒狀，總長度為20 mm～30 mm，整體形狀略微彎曲。同時，金銀花的花蕊具有上端粗、下端細(xì)的特點，上部直徑在3 mm 左右，下部直徑在1.5 mm 左右。在該采摘設(shè)備中，滾筒的孔距設(shè)計了20 mm、25 mm、30 mm三種尺寸規(guī)格，以確保采摘過程中金銀花的花蕊能夠在不損壞的情況下，穿過鐵網(wǎng)到達(dá)機器下方的收納盒。在采摘過程中，可以先將滾筒的孔距設(shè)置為30 mm，如果通過實驗發(fā)現(xiàn)收納盒中有枝葉，則可逐步縮小孔距，改用25 mm或20 mm孔距的鐵網(wǎng)，以提高采摘機的采收質(zhì)量。

2.3 采摘機動力系統(tǒng)設(shè)計

1）風(fēng)機選型。風(fēng)機選用24 V直流風(fēng)機，如圖3所示。風(fēng)扇選用鋁框、塑料葉的材質(zhì)，采用耐用雙滾珠軸承，軸承為金屬球體，具有使用壽命長、可保持長時間穩(wěn)定工作等特點，有利于確保金銀花采摘工作的順利、高效開展。風(fēng)扇的外框采用全鋁金屬外框，具有耐壓、耐磨、耐摔、耐高溫的特點，外框既光滑又不易掉漆。

2）電機選型。電機采用的是直流減速電機，電機轉(zhuǎn)速為10 r/min～600 r/min，電機齒輪箱長度設(shè)置為36 mm，功率設(shè)定為40 W。該電機內(nèi)部是全金屬齒輪構(gòu)造，防銹性強；轉(zhuǎn)子部分采用純銅線繞組，可以降低電機溫度，更加耐用，采用扇形磁鐵，讓電機力矩更大。電機外部采用D 字型出軸，更加方便安裝，節(jié)省時間。

3）調(diào)速器選型。調(diào)速器選擇使用直流電機調(diào)速器，長度為92 mm，寬度為6 mm，高度為52 mm，輸入電壓為24 V。在輸出電壓方面，設(shè)置為負(fù)載下線性。在材質(zhì)方面，調(diào)速器整體材質(zhì)為鋁合金，在調(diào)速器的表面設(shè)置不同顏色的電線。其中紅色電線接正極，黑色電線接負(fù)極，綠色和藍(lán)色電線均與直流電機直接進(jìn)行連接。借助不同的電線連接，按照實際采摘需求應(yīng)用該調(diào)速器，在其正常工作情況下，可以通過對調(diào)速器方向的調(diào)節(jié)，控制電機轉(zhuǎn)速。

圖3 24 V直流風(fēng)機

3 采摘機采摘實驗

1）實驗地點。實驗選擇在武威市某金銀花種植基地開展。近年來，該地區(qū)的金銀花種植量不斷增加，收獲效率問題成為影響當(dāng)?shù)胤N植戶生產(chǎn)效益的重要因素之一。

2）實驗方式。實驗過程中選擇一定面積的金銀花，分別采用人工采摘方式與本采摘設(shè)備完成采摘任務(wù)。對于不同采摘方式下的采摘情況進(jìn)行觀察、統(tǒng)計和比較，分析不同采摘方式的采摘效率與采摘質(zhì)量。

3）實驗結(jié)果。采摘過程中，設(shè)備機體內(nèi)部的真空性強、風(fēng)機吸力大。在對金銀花進(jìn)行采摘時，花、葉均可以順利、快速被吸到設(shè)備內(nèi)部。金銀花可以順利掉落到收納盒中，實現(xiàn)對金銀花的快速、高質(zhì)量采摘。本設(shè)備采摘效率明顯高于人工采摘方式，同時，采摘質(zhì)量也明顯高于人工采摘方式。本研究所設(shè)計的金銀花采摘設(shè)備應(yīng)用效果良好，可獲得較好的采摘效果。

4 結(jié)語

金銀花種植戶以往使用人工采摘方式，勞動量大、勞動強度高、采摘效率低，同時增加了金銀花的種植成本。該金銀花采摘設(shè)備的機體真空性強、風(fēng)機吸力大，在采摘金銀花時，花、葉均可以順利、快速被吸到設(shè)備內(nèi)部，之后，金銀花可以順利掉落到收納盒中，從而實現(xiàn)對金銀花的快速、高質(zhì)量采摘，設(shè)備運行穩(wěn)定，采摘效率遠(yuǎn)高于人工。