枸杞采收裝置的研究現狀

何 苗，李成松，王麗紅，張亞歐，楊蘭濤，吳 爍　(石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子832000)

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枸杞采收裝置的研究現狀

何 苗，李成松*，王麗紅，張亞歐，楊蘭濤，吳 爍(石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子832000)

摘要介紹了目前國內枸杞籽采收作業現狀，闡述了氣流式、梳刷式、剪切式及振動式機械采收裝置的工作原理及結構特點。其中著重對目前應用較為普遍的振動式采收裝置的結構特點及研究現狀進行了分析，并提出了一種新的適于枸杞振動采收的基于齒輪——五連桿機構的新型振動采收模式。通過對該機構的運動學分析，得到了對稱雙曲柄齒輪傳動比及其連桿曲線運動軌跡，為進一步設計機構參數提供了方法。認為在眾多振動機構中齒輪——五連桿機構具有靈活性較好，力傳動平穩，振動小等特點，可根據枸杞生長情況精確地實現較為多樣復雜的運動軌跡來提高枸杞成熟果實的采摘率，減少對未成熟果實和花朵的損傷。

關鍵詞枸杞；采收裝置；振動；齒輪五連桿

Research Status of the Harvesting Device ofLyciumbarbarumL.

HE Miao, LI Cheng-song*, WANG Li-hong et al(College of Mechanical and Electronical Engineering, Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832000)

AbstractThe present situation ofLyciumbarbarumL. harvest in China was introduced, and the working principle and structure characteristics of the air flow, comb type, shear type and vibration type oil recovery device were described. In this paper, the structure characteristics and research status of the vibration type oil recovery device were analyzed, and a new type of vibration oil recovery method was proposed, which is suitable for the vibration of theLyciumbarbarumL. By analyzing the motion of the mechanism, gear transmission ratio and the movement track of the connecting rod curve of symmetric double crank gear was obtained, which will provide method for further design of structure parameters.

Key wordsLyciumbarbarumL.; Harvesting mechanism; Vibration; Gear five bar linkage

枸杞(LyciumL.)屬于茄科枸杞屬，多年生雙子葉落葉灌木，多分布于暖溫帶地區，要以南北美洲及歐亞大陸地區為主[1]，但是將其作為一種經濟植物資源進行野生馴化、大規模栽培和綜合開發利用的國家不多，目前主要有中國和韓國。研究表明，枸杞中的枸杞多糖具有延緩衰老、抗腫瘤、抗疲勞、控制血糖、防護青光眼等多種作用[2]。隨著枸杞營養價值在世界市場的普及與推廣，2014年，我國枸杞出口量為1 227萬kg，出口價格為9.97美元/kg[3]，創下歷史新高。由此推斷，我國枸杞業具有廣闊的發展前景。

目前，枸杞采收主要以人工為主[4]。枸杞屬無限花序植物，其成熟期主要分為夏果成熟期和秋果成熟期[5]，具有隨熟隨采的特點，需要經過選擇性采收才能采凈。而人工采收與枸杞產業健康發展之間存在諸多矛盾：①人工采收勞動強度大、作業環境差，植株棘刺易造成手部扎傷；②人工采收效率低，其采收效率僅為3～5 kg/h[6]；③人工采收費用高，據統計采收費用高達3×104元/hm2，約占生產成本的50%以上[6]；④人工采收過程需要多次搬運裝卸，易造成枸杞機械損傷，影響枸杞質量；⑤秋果采收期與其他作物采收期重疊，易造成用工緊張；同時若不及時采收，會導致枸杞變質，造成嚴重的經濟損失。因此，實行枸杞機械化采收是枸杞產業發展的必然趨勢。

1枸杞采收裝置結構與特點

自枸杞大面積種植以來，國內外學者就枸杞生物學特性及相應采收裝置做了大量的研究。目前，枸杞采收裝置的類型主要有氣流式、梳刷式、剪切式和振動式。

1.1氣流式枸杞采收裝置氣流式枸杞采收裝置又分為氣吸式和氣吹式。

氣吸式枸杞采收裝置是通過氣吸式結構，在電動抽風機的作用下使吸管中產生負壓，將果實吸入。徐麗明發明了一種背負式枸杞采摘機[7]，利用氣吸式管道和轉輥結構，將枸杞果實與果枝分離；張換高等人發明了一種氣吸式枸杞采摘機[8]，采用非接觸的氣吸原理設計，由空氣放大器產生負壓將果實吸入，同時利用高壓氣體將果實周圍葉子排開，提高采凈率。這兩種裝置均為背負式，勞動強度大、作業效率低且氣流作業壓力難以控制，氣壓過低則難以將果實摘下，氣壓過高則很容易損傷果實。

氣吹式枸杞采收裝置是在大功率風機的作用下產生高速氣流，吹向樹冠使枸杞樹冠產生振動，從而實現果實與果柄的分離。周宏平等人發明了一種利用高速氣流采摘枸杞的裝置(如圖1)[9]，其通過改變高速氣流的方向或者通斷氣流的方法，使得枸杞果實擺動，從而快速地將枸杞果實從枝條上吹落。該裝置采用非接觸式的方式進行枸杞的采收，減少了對枸杞樹枝的傷害，但是其能耗大，作業成本高，氣流速度也難以控制。

1.2梳刷式枸杞采收裝置梳刷式枸杞采收裝置是通過梳齒的轉動，將枸杞果實梳捋下來，完成枸杞采收作業。郭志東等人發明了一種自走氣吸梳齒式枸杞采摘收獲機(如圖2)[10]，利用梳齒采摘器的轉動，將枸杞從枝條上梳刷下來。該種裝置屬于小型自走式枸杞收獲機，需要人工手持采摘器進行枸杞采摘，作業效率低，未能實現枸杞采摘全程機械化。

另外，馬軍等人研究了一種用毛刷體將果實刷下的枸杞采摘機[11]；周兵等人進行了一種新的利用柔性膠管環捋摘得手持式采摘機的設計[12]；王寧州發明了種實用新型專利，利用采摘膠頭做震動及梳濾動作將成熟的枸杞從樹上摘下的便攜式枸杞采摘機[13]。這些枸杞采摘裝置均為手持式，采用梳刷的方式將枸杞果實采摘下來，屬于接觸式采摘，采摘過程容易造成對枸杞枝葉的機械損傷，且易造成將青果誤摘情況，影響枸杞收獲效率及凈度。

1.3剪切式枸杞采收裝置剪切式枸杞采收裝置是利用采摘刀以一定速度運行，切斷果實果柄，完成果實的采摘。趙偉康等人發明了滾刀式枸杞可選擇采摘機(如圖3)[14]，成熟果實的果柄由分禾鴨嘴送入滾刀和反向滾刀之間，由其相互作用切斷果柄；曾小虎設計了一種新型枸杞采摘器[15]，采用偏心輪帶動擺桿和連桿工作，通過采摘頭抓住枝條，由采摘刀對果實進行收集。剪切式采收裝置采摘刀難以掌控剪切位置，容易誤傷果實和枝條，采凈率較低。

1.4振動式枸杞采收裝置振動式枸杞采收裝置基本原理是由一定形式的振動機構，使枸杞樹干或枝條產生振動，枸杞果實做多次瞬時變向運動，當慣性力大于果實和果柄之間的連接力時，果實分離掉落。

J.D.So針對韓國枸杞設計了一種枸杞振動收獲裝置[16]，該裝置由曲柄滑塊機構連接著一個電動機產生振動帶動枸杞枝條的震蕩，實現枸杞果實的采收。經試驗，其單位時間內收獲的枸杞數是人工采摘的4.2倍，但是由于枸杞生物學特性差異，該裝置不適于我國枸杞機械化采收。

劉文海等人采用曲柄振搖驅動機構設計了一種多點均勻分布振搖式全自動枸杞采摘機[17]，其主要由傳動機構、采摘架、振搖機構、收集箱等部分組成。在門型主架上安裝了可上下升降的采摘架，呈均勻分布的振動條安裝在采摘架上。采摘機工作時，將采摘架從樹植株上方將采摘條插下，通過曲柄振搖機構使采摘架產生振動，進而采摘架上的振動條帶動樹枝振動，從而將果實震蕩下來。該裝置在采收過程中可減少果實損傷率，提高采摘效率。李進玉等人采用偏心輪機構設計了一種振搖式全自動采摘機構[18]，由支架組件、采集組件及振動組件組成。工作時，由行走液壓控制模塊控制行走，驅動振動馬達帶偏心輪轉動，帶動振動架上的振動條做高頻往復平動，從而實現對枸杞枝條的振動，使果實掉落。這2種裝置結構形式相似，均采用振動條振動枸杞枝條完成收獲，但是其不能進行連續性收獲，作業效率較低。

肖宏儒等人采用偏心滑塊機構設計了自走式枸杞采摘機(如圖4)[19]，工作時，橫向分布的振動桿插入枸杞樹冠，電機驅動偏心滑塊機構運動，帶動振動桿產生往復運動擊打枸杞枝條，使枸杞果實受力脫落。該裝置進行了采摘試驗，采摘效果良好，機具間歇行進，采摘過程較為緩慢，而且由于振動桿寬度有限，部分成熟枸杞不能被完全采摘，同時枸杞機械損傷率較高。

同時，曹有龍等人發明了由直流電機驅動偏心輪對枸杞枝條產生振動的枸杞采摘器[20]；郭清輝申請了一項一種帶有磁力驅動裝置的枸杞采摘的實用新型專利[21]；四川向仲榮申請了一項由電機帶動的振動器的枸杞采摘器的實用新型專利[22]。這些都屬于手持裝置，具有結構簡單、體積小、便于攜帶等特點，但是普遍存在作業效率低，勞動強度大的問題。

除了以上提到的各種枸杞采收裝置外，還有部分仿人手采摘的枸杞采收裝置。高懷智等人發明了一種仿手工的枸杞采摘電動機械手[23]，機械手上可以有數個機械手指，將成熟的較大的熟果揪下；張林德發明了一種枸杞采摘裝置，手持采摘頭內兩平行且相對內旋轉子體的表面相對稱突出設有若干膠環，模擬人手采摘動作[24]。這些裝置能減少對枸杞果實的損傷，但是不適用于大面積枸杞采收作業。

通過對各種枸杞采收裝置的結構及特點的分析可知，相比其他形式的枸杞采收裝置，振動式枸杞采收裝置在采收效率和作業成本上有較大優勢，可有效將果實和枝條分離，具有效果明顯、容易實現等特點，適用于大面積枸杞種植采收作業。目前，振動式收獲技術也被認為是實現果品機械化收獲的有效途徑之一[25]。通過對已有的幾種振動式枸杞采收裝置分析可知，其結構形式及采收方法較為相似，均是采用振動發生器帶動振動桿或振動條產生往復運動，實現對枸杞枝條的振動，完成采收作業。其振動發生器主要有曲柄振搖機構、偏心輪機構和偏心滑塊機構這3種形式，但是其運動軌跡單一、傳動不穩定，長時間作業易造成磨損，影響采收效果。因此，急需提出一種傳動穩定、運動軌跡豐富的振動機構代替以上的振動機構，實現對枸杞枝條多維激勵振動，提高枸杞作業采收效率。

2齒輪——五連桿機構

齒輪—五連桿機構結構形式多樣，可實現多種運動軌跡。齒輪五連桿機構具有運動靈活性較好、傳動平穩、振動小等特點，同時可提供果實振動采收所需的振幅。

2.1齒輪五連桿機構的運動模型如圖5所示，以A為絕對坐標系坐標原點，原動件為桿1和桿4，l1和l4為兩曲柄的長度，l2和l3為連桿長度，l5代表兩齒輪中心距長度。

由封閉矢量法得[26]

rc=rB+l2=rD+l3

由各矢量向X軸、Y軸投影，可得C點位置方程：

(1)

式中：xB、xC、xD、yB、yC、YD——B、C、D的橫坐標和縱坐標。

將式(1)移項整理并平方相加可得

A0cosφ2+B0sinφ2+C0

(2)

式中：A0=2l2(xD-xB)

B0=2l2(yD-yB)

解式(2)可

(3)

將φ2帶入式(1)可求得C點位置xC和yC。

2.2對稱雙曲柄齒輪五連桿機構的軌跡曲線齒輪五連桿機構的運動軌跡較為豐富，通過改變相對初始相位角、各桿桿長、齒輪傳動比等可以產生多種運動軌跡[27]。由于齒輪五連桿結構參數較多，分析其連桿曲線的變化規律是很困難的。所以只對對稱雙曲柄齒輪五連桿機構進行了分析，分析其改變其齒輪傳動比對連桿曲線產生的影響(圖6)。

由圖6可知，假設該齒輪五連桿機構結構參數如下，l1=l4=0.5；l2=l3=2，l5=2，通過改變齒輪傳動比，C點的軌跡曲線如圖7。

由以上分析可得，通過對齒輪五連桿相對初始相位角、齒輪傳動比、各桿長度等可以得到豐富的連桿曲線，因此，對枸杞采收裝置振動運動軌跡進行分析研究，就可通過設計齒輪五連桿結構的各參數，得到滿足使用的運動軌跡。齒輪五連桿機構運動軌跡豐富，力傳遞性能穩定、靈活性較好，可以用于振動式枸杞采收裝置的設計當中。

3總結

根據實地調查結果及枸杞主產區發展規劃目標測算，預計至2020年，我國枸杞種植面積將達到21.33萬hm2[28]。隨著枸杞種植面積地增加，實現枸杞機械化采收是必然趨勢。文章針對枸杞采收裝置的現狀進行了分析，認為振動式枸杞采收裝置可滿足大面積枸杞種植的采收需求。在眾多振動機構中相比于曲柄振搖機構、偏心輪機構和偏心滑塊機構，齒輪—五連桿機構具有靈活性較好、力傳動平穩、振動小等特點，其可精確地實現較為多樣復雜的運動軌跡來提高枸杞成熟果實的采摘率，減少對未成熟果實和花朵的傷害。因此，建議采用齒輪五連桿機構作為振動裝置完成對振動式枸杞采收裝置的設計。

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收稿日期2015-10-23

作者簡介何苗(1993- )，女，重慶巫山人，碩士研究生，研究方向：現代設計方法。*通訊作者，教授，碩士生導師。從事農業機械制造研究。

基金項目國家自然科學基金項目(51541509)。

中圖分類號S 225.93

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)33-367-03