花椒采摘机的设计与试验

摘要针对目前花椒收获机械化程度低，损失率高的缺点，设计了一种机械式花椒采摘机。该机利用拨椒轮高速旋转时产生的梳刷作用和拨椒轮与弧形凹板间相对运动所产生的搓擦作用收获花椒。通过花椒采收试验，利用正交试验设计，探讨了不同工艺参数对采收效果的影响。试验数据分析显示，3个工艺参数对采收率影响大小顺序为为拨椒轮转速、凹板间隙和拨椒轮横杆数。该机的最优工作参数组合为，拨椒轮转速250 r/min、凹板间隙3 mm、拨椒轮横杆数4个，该机具采收率高，花椒及其枝叶损伤小。

关键词花椒采摘机；设计；正交试验；参数优化

中图分类号S225文献标识码A文章编号0517-6611（2014）04-01229-02

基金项目甘肃农业大学创新基金项目（GAUCX1010）。

作者简介万芳新（1976- ），女，甘肃平凉人，副教授，硕士生导师，从事农业机械装备与材料摩擦磨损的研究。

花椒为我国广泛种植的一种经济作物，一般种植在山坡、丘陵、地头或岸边，因树枝生展长、带刺、果实小。在我国，它作为特色辛香料和中药材，有着悠久的历史渊源，全国有20多个省区都有花椒栽培的历史。其中，四川汉源、重庆江津、陕西韩城、凤县、山西芮城、甘肃武都、秦安、贵州、山东莱芜、河北涉县等地区为我国主要花椒主要集中产区，其中陕西韩城、山东莱芜和甘肃陇南地区产量为大，其总产量超全国的1/2以上。近年来，随着农业结构调整，各地区花椒产业均有较大的发展[1]。

我国花椒种植面积175×104hm2，年产花椒25×104～45×104t，年产值32亿元。目前，种植面积每年正以20%～30%的速度增加，花椒产业已成为特殊区域农民致富的新经济增长点。花椒因树枝伸展长、带刺以及果实小而致使采摘十分困难。同时，花椒收获的农艺要求很高，既要不伤叶、不伤芽、不伤枝，又要适时收获[2]，并且针对目前使用化学药剂喷洒、高枝剪切、机械振动、负压吸收等采收方法都不同程度地存在一些问题，因此人工采摘仍是当前采收的主要方法[3]。目前研制的机械式花椒采摘器，主要集中在手动采摘机和半自动收获机的采摘头上，采摘原理基本上采用的是切割办法。此类机械生产率较低、采收率不高，且对花椒枝叶的损伤较大。因此，花椒的机械化收获仍是亟待解决的一个技术难题。

1总体结构与工作原理

1.1总体结构设计的花椒采摘机，主要由外壳、弧形凹板、拨椒轮、弹性联轴器、电机、伸缩手柄、出料斗、软管、集料箱、凹板弹簧等组成，整机结构如图1所示。

外壳为组焊件，顶部中央开有圆锥状进料口。弧形凹板通过螺栓安装在外壳内部，弧形凹板下部均匀分布有数行凸齿，弧形凹板末端通过凹板弹簧与外壳连接，通过调节凹板弹簧的预紧力可以调节拨椒轮与弧形凹板之间的间隙。拨椒轮两端为圆环，两圆环外缘通过焊接数根横杆相连，两圆环径向通过数根横杆焊接在拨椒轮转轴上，拨椒轮转轴通过滚动轴承安装在外壳上。电机通过螺栓安装在外壳上，电机轴通过弹性联轴器与拨椒轮转轴相连。出料斗为倒锥状，通过螺栓安装在外壳底部。软管一端通过卡箍与出料斗相连，另一端通过卡箍与集料箱的入口相连，集料箱顶部安装有集料箱盖。伸缩手柄焊接在外壳上。

2试验研究

2.1试验方案在花椒采摘机的工作过程中，影响采收效果的因素很多，主要包括结构参数、工作参数以及花椒自身的物理机械特性3类。其中结构参数包括凹板间隙、拨椒轮横杆数、凹板包角等，工作参数主要是拨椒轮转速，花椒自身的物理机械特性包括果实成熟度、含水率、抗拉强度等。对于花椒采摘机而言，花椒自身的物理机械特性基本确定，因此影响因素主要取决于结构参数和工作参数。根据前期单因素试验分析，对采收效果有较为显著地参数为拨椒轮转速、凹板间隙和拨椒轮横杆数，而其他因素的影响基本可以忽略。

试验目的是掌握拨椒轮转速、凹板间隙和拨椒轮横杆数对花椒采摘效果的影响，寻找主控因素，进而优化花椒采摘机的参数。试验指标为采收率（%）。通过前期所进行的大量单因素试验，确定了每个因素的水平变化范围，试验设计的因素水平如表1所示。

2.2试验结果由表2中极差分析可知，R=Kmax-Kmin，对于采收率，由试验结果分析因素影响大小的主次顺序依次为A>B>C。由于采收率是越大越好，因此根据表中数据初步得出较优水平组合为A3B2C1，即拨椒轮转速为250 r/min、凹板间隙为3 mm、拨椒轮横杆数为4个。正交表中第4列为空白列，计算其极差为0.333，远小于A、B、C 3个影响因素的极差，可知没有其他因素对试验结果产生明显影响，以上3个因素的交互作用对试验结果的影响也不显著，故可设其为误差限。為了进一步分析不同因素对试验指标影响的显著性程度，得到最优的因素水平组合，对所得试验数据进行方差

3结论

（1）设计的机械式花椒采摘机，利用拨椒轮高速旋转时产生的梳刷作用和拨椒轮与弧形凹板间相对运动所产生的搓擦作用收获花椒，采收率高，花椒及其枝叶损伤小，利用伸缩手柄，可以满足不同高度花椒的收获。

（2）通过正交试验，得到花椒采摘机最优工作参数组合为拨椒轮转速250 r/min、凹板间隙3 mm、拨椒轮横杆数4个，3个因素对采收率影响大小的顺序依次为拨椒轮转速、凹板间隙和拨椒轮横杆数。