一種刺梨采收機的設計

任永飛,閔 航

(貴州省山地農業機械研究所,貴州 貴陽 550007)

0 引言

刺梨是貴州獨有的特色林產品,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標志產品[1]。目前,貴州刺梨種植規模全國第一,刺梨加工企業的規模和數量全國第一,刺梨產品種類也是第一,這些成就的取得,為貴州省刺梨產業加快發展奠定了堅實基礎[2]。盡管刺梨產業對貴州部分地區經濟發展意義重大,但刺梨在收獲生產環節卻主要依靠人工,低效率、高成本的生產方式嚴重制約了刺梨產業的發展。采收過早,果實尚未成熟,個頭小、產量低,品質低劣,不耐貯藏;采收過晚,則果實成熟度過高,果肉衰老快,不適合長途運輸及長期貯藏[3]。刺梨生長環境特殊,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,急需開發一款刺梨采收機,助力貴州刺梨產業發展,通過實現刺梨的機械化收獲來提高刺梨的產量和利用率[4]。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

本文所設計的刺梨機械化采收機刺梨樣機由履帶式行走車、舉升架、脫果機構安裝架、脫果機構、脫果機構基座、收集機構、樹根夾緊機構、樹冠環抱油缸、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、液壓高頻震動馬達等組成,如圖1所示。

圖1 整機結構示意

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。脫果機構架安裝于底盤前端,脫果機構通過橫向滑座和豎向滑座安裝在脫果機構架上,可實現前后上下移動。

1.2 工作原理

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

樹冠環抱油缸將脫果機構展開,脫果機構架上的橫向移動油缸推動整個脫果機構前移動至刺梨樹冠,縱向油缸驅動脫果機構基座上下移動調整抱緊刺梨樹冠位置,樹冠環抱油缸驅動脫果機構抱緊刺梨樹冠,液壓高頻震動馬達驅動脫果機構進行脫果[5]。

2 關鍵部件設計

2.1 脫果機構設計

根據實驗數據,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,結合刺梨脫果的振幅A,震動頻次f,振動時間t三個因素設計震動機構,刺梨果實震動脫果受力分析如圖2所示。

圖2 脫果受力分析示意

已知最遠樹上果實到樹根震動長度為R,整棵樹最遠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,最遠端刺梨受力為F1,要使得最遠端果實脫果,則必須達到最遠果實最小振幅為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;t為震動時間。

使得刺梨果實脫果,果實最遠端震動力為

F=F1(R+X)/X

(2)

脫果機構往復運動方式進行脫果,其震動塊運行距離為

D=A1X/R+X

(3)

已知通過實驗得出刺梨脫果時的最大力度為50 N,同時整棵樹最遠端脫果最小擺動幅度為20～30 cm,脫果的最遠樹上果實到樹根震動長度為1.5～1.7 m,震動力作用點與地面固定點的距離為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。

根據計算結果,選擇液壓高頻震動馬達,功率為6.12 kW,震動頻率50 Hz。脫果結構由樹冠環抱夾、脫果機構基座、樹冠環抱油缸、液壓高頻震動馬達組成,如圖3所示。

圖3 脫果結構示意

2.2 收集機構設計

根據田間實測數據,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滑落至收集箱,則傘桿與垂直方向夾角為30°。收集機構主要由收集箱、傘桿、收集布、夾緊油缸、伸傘油缸組成,如圖5所示。

圖5 收集機構示意

3 應用前景

貴州刺梨由過去生長在深山的小野果,逐步發展壯大成如今的百億級產業。特別是隨著人們對于健康需求的不斷增強,憑借維生素C含量在果蔬中“傲視群雄”,刺梨產品銷量出現小高潮。貴州充分利用刺梨資源豐富的特點,近年來努力延長產業鏈、提升價值鏈,圍繞“統一公共品牌、統一功效研究、統一系列標準”,持續打造優質產品、培育龍頭企業、壯大產業規模,全產業鏈培育壯大刺梨產業[7-9]。

隨著新一輪退耕還林的推進,貴州在六盤水、畢節、黔南等地大規模推廣刺梨種植。2022年,刺梨在貴州省內的種植面積達210萬畝,進入產果期的有126.3萬畝,其中72.6萬畝進入盛果期,實現鮮果產量30萬噸,刺梨綜合產值達150.8億元。根據貴州省刺梨種植規模和產量,按照刺梨采收設備理論采收效率計算,機械化采收刺梨500～1 000 kg/d,每個采收季節有效作業時間20 d,則單臺機具每個采收季可采收10～20 t。

該設備收獲刺梨,一次性完成單棵刺梨的采收,采收效率高,實用性強,能有效節約人工成本, 大量減輕了勞動強度,降低了刺梨采收的成本,對產業發展具有帶動作用。目前市場需求量大,具備良好的推廣應用前景[10]。

4 結語

貴州省刺梨產業在發展的過程中,在重視刺梨品種培育、栽培技術的同時,加強刺梨產業相關機械化的研發,為適應刺梨品種配套研制新型采收機,實現刺梨采摘關鍵環節的突破。能有效解決我省勞動力緊缺,刺梨采摘費工、費時、費力的問題,為我省刺梨加工企業提供低成本的刺梨原材料,提升貴州省刺梨產業的競爭優勢,降低農民和企業種植刺梨的成本。同時輻射帶動企業與農民種植生產刺梨積極性,為適宜機采的新刺梨品種示范推廣打下基礎。