花椒采摘機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要針對(duì)目前花椒收獲機(jī)械化程度低，損失率高的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式花椒采摘機(jī)。該機(jī)利用撥椒輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的梳刷作用和撥椒輪與弧形凹板間相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的搓擦作用收獲花椒。通過花椒采收試驗(yàn)，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，探討了不同工藝參數(shù)對(duì)采收效果的影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析顯示，3個(gè)工藝參數(shù)對(duì)采收率影響大小順序?yàn)闉閾芙份嗈D(zhuǎn)速、凹板間隙和撥椒輪橫桿數(shù)。該機(jī)的最優(yōu)工作參數(shù)組合為，撥椒輪轉(zhuǎn)速250 r/min、凹板間隙3 mm、撥椒輪橫桿數(shù)4個(gè)，該機(jī)具采收率高，花椒及其枝葉損傷小。

關(guān)鍵詞花椒采摘機(jī)；設(shè)計(jì)；正交試驗(yàn)；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號(hào)S225文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）04-01229-02

基金項(xiàng)目甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（GAUCX1010）。

作者簡(jiǎn)介萬芳新（1976- ），女，甘肅平?jīng)鋈耍苯淌冢T士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備與材料摩擦磨損的研究。

花椒為我國(guó)廣泛種植的一種經(jīng)濟(jì)作物，一般種植在山坡、丘陵、地頭或岸邊，因樹枝生展長(zhǎng)、帶刺、果實(shí)小。在我國(guó)，它作為特色辛香料和中藥材，有著悠久的歷史淵源，全國(guó)有20多個(gè)省區(qū)都有花椒栽培的歷史。其中，四川漢源、重慶江津、陜西韓城、鳳縣、山西芮城、甘肅武都、秦安、貴州、山東萊蕪、河北涉縣等地區(qū)為我國(guó)主要花椒主要集中產(chǎn)區(qū)，其中陜西韓城、山東萊蕪和甘肅隴南地區(qū)產(chǎn)量為大，其總產(chǎn)量超全國(guó)的1/2以上。近年來，隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，各地區(qū)花椒產(chǎn)業(yè)均有較大的發(fā)展[1]。

我國(guó)花椒種植面積175×104hm2，年產(chǎn)花椒25×104～45×104t，年產(chǎn)值32億元。目前，種植面積每年正以20%～30%的速度增加，花椒產(chǎn)業(yè)已成為特殊區(qū)域農(nóng)民致富的新經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。花椒因樹枝伸展長(zhǎng)、帶刺以及果實(shí)小而致使采摘十分困難。同時(shí)，花椒收獲的農(nóng)藝要求很高，既要不傷葉、不傷芽、不傷枝，又要適時(shí)收獲[2]，并且針對(duì)目前使用化學(xué)藥劑噴灑、高枝剪切、機(jī)械振動(dòng)、負(fù)壓吸收等采收方法都不同程度地存在一些問題，因此人工采摘仍是當(dāng)前采收的主要方法[3]。目前研制的機(jī)械式花椒采摘器，主要集中在手動(dòng)采摘機(jī)和半自動(dòng)收獲機(jī)的采摘頭上，采摘原理基本上采用的是切割辦法。此類機(jī)械生產(chǎn)率較低、采收率不高，且對(duì)花椒枝葉的損傷較大。因此，花椒的機(jī)械化收獲仍是亟待解決的一個(gè)技術(shù)難題。

1總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的花椒采摘機(jī)，主要由外殼、弧形凹板、撥椒輪、彈性聯(lián)軸器、電機(jī)、伸縮手柄、出料斗、軟管、集料箱、凹板彈簧等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

外殼為組焊件，頂部中央開有圓錐狀進(jìn)料口。弧形凹板通過螺栓安裝在外殼內(nèi)部，弧形凹板下部均勻分布有數(shù)行凸齒，弧形凹板末端通過凹板彈簧與外殼連接，通過調(diào)節(jié)凹板彈簧的預(yù)緊力可以調(diào)節(jié)撥椒輪與弧形凹板之間的間隙。撥椒輪兩端為圓環(huán)，兩圓環(huán)外緣通過焊接數(shù)根橫桿相連，兩圓環(huán)徑向通過數(shù)根橫桿焊接在撥椒輪轉(zhuǎn)軸上，撥椒輪轉(zhuǎn)軸通過滾動(dòng)軸承安裝在外殼上。電機(jī)通過螺栓安裝在外殼上，電機(jī)軸通過彈性聯(lián)軸器與撥椒輪轉(zhuǎn)軸相連。出料斗為倒錐狀，通過螺栓安裝在外殼底部。軟管一端通過卡箍與出料斗相連，另一端通過卡箍與集料箱的入口相連，集料箱頂部安裝有集料箱蓋。伸縮手柄焊接在外殼上。

2試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)方案在花椒采摘機(jī)的工作過程中，影響采收效果的因素很多，主要包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)以及花椒自身的物理機(jī)械特性3類。其中結(jié)構(gòu)參數(shù)包括凹板間隙、撥椒輪橫桿數(shù)、凹板包角等，工作參數(shù)主要是撥椒輪轉(zhuǎn)速，花椒自身的物理機(jī)械特性包括果實(shí)成熟度、含水率、抗拉強(qiáng)度等。對(duì)于花椒采摘機(jī)而言，花椒自身的物理機(jī)械特性基本確定，因此影響因素主要取決于結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)。根據(jù)前期單因素試驗(yàn)分析，對(duì)采收效果有較為顯著地參數(shù)為撥椒輪轉(zhuǎn)速、凹板間隙和撥椒輪橫桿數(shù)，而其他因素的影響基本可以忽略。

試驗(yàn)?zāi)康氖钦莆論芙份嗈D(zhuǎn)速、凹板間隙和撥椒輪橫桿數(shù)對(duì)花椒采摘效果的影響，尋找主控因素，進(jìn)而優(yōu)化花椒采摘機(jī)的參數(shù)。試驗(yàn)指標(biāo)為采收率（%）。通過前期所進(jìn)行的大量單因素試驗(yàn)，確定了每個(gè)因素的水平變化范圍，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素水平如表1所示。

2.2試驗(yàn)結(jié)果由表2中極差分析可知，R=Kmax-Kmin，對(duì)于采收率，由試驗(yàn)結(jié)果分析因素影響大小的主次順序依次為A>B>C。由于采收率是越大越好，因此根據(jù)表中數(shù)據(jù)初步得出較優(yōu)水平組合為A3B2C1，即撥椒輪轉(zhuǎn)速為250 r/min、凹板間隙為3 mm、撥椒輪橫桿數(shù)為4個(gè)。正交表中第4列為空白列，計(jì)算其極差為0.333，遠(yuǎn)小于A、B、C 3個(gè)影響因素的極差，可知沒有其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，以上3個(gè)因素的交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響也不顯著，故可設(shè)其為誤差限。為了進(jìn)一步分析不同因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著性程度，得到最優(yōu)的因素水平組合，對(duì)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差

3結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)的機(jī)械式花椒采摘機(jī)，利用撥椒輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的梳刷作用和撥椒輪與弧形凹板間相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的搓擦作用收獲花椒，采收率高，花椒及其枝葉損傷小，利用伸縮手柄，可以滿足不同高度花椒的收獲。

（2）通過正交試驗(yàn)，得到花椒采摘機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)組合為撥椒輪轉(zhuǎn)速250 r/min、凹板間隙3 mm、撥椒輪橫桿數(shù)4個(gè)，3個(gè)因素對(duì)采收率影響大小的順序依次為撥椒輪轉(zhuǎn)速、凹板間隙和撥椒輪橫桿數(shù)。