手持機械式花椒采摘機的分析探究

郭文杰 李彥榮 安建軍

摘 要：花椒用途廣泛，需求量大，市場前景廣闊。現以“花椒產業省力化栽培技術研究”課題為依托，通過各種花椒采摘機械的動力性能、結構特點、機構傳動特性、安全防護、過載保護、殼體尺寸、生產成本等進行比較分析，提出改進優化措施，以期實現高效、省力、節能、便攜的目標。

關鍵詞：花椒采摘機；動力性能；機構特點；節能高效

中圖分類號：S225 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.04.003

0 引言

花椒既可做調味料，亦可提取芳香油，又可入藥。花椒因其耐干旱、對土壤條件要求不高，病蟲害少，無需精心管理，且收益可觀，花椒在我國諸多地域廣為栽植，且其主產區不斷擴大，呈現良好發展態勢。2016年，僅甘、陜、川三省栽植面積已逾800萬畝。2017年，全國花椒需求量為70萬t左右，增幅連年攀升，隨著市場需求的不斷增長，花椒栽培逐漸向規模化、專業化方向迅猛發展。

1 花椒配套機械

市場所需的花椒產品不但要求品相好、色澤鮮、純度高，麻香適中，而且對應季采摘、上市效率及整體品質的穩定性也提出了更高的要求。隨著科技的不斷進步，與花椒產業配套的機械化采摘設備代替了人工手摘，干燥設備取代了傳統的晾曬方式。移栽機械、分選設備、包裝設備等也應運而生。

2 花椒采摘機械

花椒枝干高，莖干、小枝生有短刺，果實嬌小，傳統的采摘方式為人工單手采摘，操作難度大，勞動強度高，采摘效率低。目前市場推出了機械式、負壓吸收式、電磁采摘等不同款式、性能各異的花椒采摘機。雖然相對于人工單手采摘效率有所提升，但仍存在諸多缺憾與不足，亟待改進。手持單機式花椒采摘機是目前廣為使用的采摘機械，并且向輕盈高效、智能化、自動化、標準化、規模化方向逐漸邁進。提升花椒采摘機械化水平已成為花椒產業發展的首要任務。

3 比較分析

現以金手指牌電動花椒采摘機與孫老師牌花椒采摘機兩個品牌五種機型為例，進行比較分析，并提出改進措施。

3.1 動力性能

直流電源和直流電機是花椒采摘機械的動力來源。兩種手持機械式花椒采摘機普遍采用的原動機為直流電機。花椒實際采摘中，直流電源要求充電快，體積小，容量大，工作持續時間長，更換便捷。電機力求體積小、能耗低、轉速慢（電源與原動機參數配置見下表），二者動力性能相差不大，相較之下，金手指牌電動花椒采摘機整個機械渾然一體，具有質量輕，結構緊湊，拆裝方便，便于攜帶的優點，但電池難以更換，且動力不足，采摘速度慢。孫老師牌花椒采摘機電源與機械各自分離，雖不便攜帶，但電源易于更替，動力強勁，持續工作時間長，采摘速度較高。

3.2 結構特點及機構傳動特性

3.2.1 金手指牌手持電動花椒采摘機

金手指牌三種類型手持電動花椒采摘機均采用蝸桿傳動進行減速增扭，結構緊湊。且為單頭蝸桿，傳動比為45，傳動平穩，且自鎖性良好。渦輪與蝸桿間為滑動摩擦，發熱量大，磨損嚴重，且減速機構材質采用工程塑料，潤滑脂加注不便，極大地降低了其使用壽命。三種類型的刀具運動機構都由蝸輪、連桿、刀具動刀片組成。單面剪刀形采摘機的刀具運動采用曲柄搖塊機構，且動力臂長于阻力臂，增大了剪切效果。雙面固定剪刀形工作原理與單面剪刀形相同（見圖1），只是增加了一個定刀片，起到安全保護作用。鋸齒形雙面四刀口采摘機由蝸輪、連桿、刀具動刀片組成以定刀片為移動導路的對心曲柄滑塊機構（見圖2），刀具行程13 mm，曲柄滑塊機構在極限位置存在死點，且塑料蝸輪轉動慣量小，無法利用慣性越過死點，必然要消耗一定電能，利用電機驅動越過死點位置，能耗增大。材質改成鋼制蝸桿和有色金屬的蝸輪配對組成減摩性良好的滑動摩擦副，既利于散熱，又使曲柄越過死點位置，并能延長使用壽命。若三種類型的采摘機在殼體設置油脂加注孔及螺塞，則結構更顯合理。

3.2.2 孫老師牌花椒采摘機

雙刀口（剪刀形）手槍形花椒采摘機直接利用直流電機驅動，由動刀片、連桿、偏心輪組成的曲柄搖桿機構，動定刀片間運用力矩原理（剪刀工作原理）進行切割，接觸利用鋼珠壓緊動定刀片，并與殼體間構成滾動摩擦。但動定刀片之間間隙過小，摩擦阻力大，動力浪費嚴重。連桿與動刀片的連接為剛性連接，配合性質為大間隙配合，沖擊力大，噪音大，摩擦阻力大，且裝配不便。電機動力輸出軸與塑制偏心輪間的緊定螺釘位置設置不合理，在動載荷作用下易產生裂紋。刀具處殼體均為斜面，且動定刀片用螺栓進行鉸接，螺栓端面受力不均，安裝不便，應合理設置凸臺。建議連桿與動刀片利用鉸鏈連接以減少磨損，緊定螺釘遠離偏心輪端面，既能保證偏心輪與電機動力輸出軸的同軸度，又不易使偏心輪開裂變形，且降噪節能。

鋸齒形神鋒六刀花椒采摘機則綜合運用了曲柄搖桿機構與曲柄滑塊機構（見圖3），動力的傳遞與速度、方向的變換運用了直齒錐齒輪傳動、直齒圓柱齒輪傳動，且由錐齒輪、圓柱齒輪構成空間定軸輪系。各輪軸分別用滾動軸承支承，摩擦阻力小，啟動靈敏，效率高，潤滑簡便，易于互換。曲柄滑塊機構可實現往復切割，曲柄搖桿機構可實現擺動剪切，不但擴大了切割范圍，而且極大地提升了采摘效率。鋸齒形刀刃自勵特性明顯，結構設計也更趨于合理，美中不足的是刀具接觸處摩擦阻力較大，殼體安裝刀具處斜面仍采用螺栓鉸接，未增設凸臺。

4 安全防護及輔助設備

花椒的采摘既要效率高，又要純凈度高，對枝條葉片的損傷小。就純凈度而言，機械顯然遜色于手工采摘，但機械采摘的效率卻是手工無法比擬的，加之農村勞動力短缺，且采椒工雇用成本高，因而對花椒采摘機的安全性提出了更高的要求，既要有過載保護裝置，又要具備安全防護措施。輔助設備包括果實收集裝置等。

5 結語

花椒采摘機較之于手工采摘優勢明顯，既不傷手，亦不費力；提升了采摘速度，降低勞動強度；使用輕便安全，操作方便靈活；技術基本成熟，經濟適用。但仍存在刀具材料易銹蝕，動力性不足，持續時間較短，動力浪費嚴重，結構設計不合理等諸多不足，需集中優勢技術，研發質優價廉、智能多用的一體化花椒采摘機械。

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