沙棘螺旋伸缩剪的设计与试验研究

胡文威，胡靖明，毕 阳，张 忠，冯常建

(甘肃农业大学 a.工学院；b.食品科学与工程学院，兰州 730070)



沙棘螺旋伸缩剪的设计与试验研究

胡文威a，胡靖明a，毕 阳b，张 忠b，冯常建a

(甘肃农业大学 a.工学院；b.食品科学与工程学院，兰州 730070)

为解决我国沙棘的采收问题，研制了一种螺旋伸缩剪，长度能在1.2～1.8m之间调节。选择手工园艺剪、沃施剪中低搭配的采收方式，与手工园艺剪、沃施剪、螺纹伸缩剪3者高中低搭配的采收方式进行试验对比分析，包括采收效率、采净率、采收范围、劳动强度。通过对比分析，得到在手工园艺剪、沃施剪、螺纹伸缩剪3者搭配时，沙棘的采收效率、采净率、采收范围3项指标都得到提高，确定了3者比例为2:1:1时沙棘采收效率、采净率最高。经两种沙棘采收方式的对比试验分析，为沙棘采收机的理论研究与优化设计提供了参考，也为沙棘采收机的研制开发提供了新的思路。

沙棘； 采收机；作业性能；对比试验

0 引言

沙棘是生态环境建设的一种优良树种，枝叶茂密、根系发达、生长迅速、适应性强，具有很强的水土保持和防风固沙能力[1]，近年来被作为退耕还林树种被广泛种植，生态效益显著。其果实具有很高的药用和营养价值，含有上百种生物活性物质，包括10多种维生素、20多种黄酮类化合物、20多种有机酸及40多种酯，具有营养保健、增强人类体质的食用和药用价值[2-3]。随着科学技术的不断发展，在医药、食品、化妆品等行业都有广泛应用，逐步发展形成了符合绿色产业及绿色食品要求的新兴产业[4-5]。

我国沙棘(Hippophae rhamnoides L.subsp.sinensis)果实小而果柄短且生长牢固，果皮薄，易破裂。实验研究表明：成熟沙棘浆果的抗挤破能力还不到50g[6]。沙棘树枝密刺多，一些缺少管理的野生沙棘林，沙棘枝条遍布丛生，连成片状。基于以上的生态特征使得采收果实的采收十分困难，成为制约相关产业发展的重要因素。

国外对沙棘的研究起步早，在沙棘育苗、采收、加工及园艺等方面取得了丰富的成果。目前，国外比较先进的沙棘采收方式有气吸式采收机、振动式采收机、剪枝采收机及联合收割机[7]。此类采收机都依托于大型机械，对采收场地有较高要求，适用于地势平坦的人工沙棘林。根据全国沙棘资源普查资料，我国沙棘属植物总面积达92万hm2；天然林67.54万hm2，占73.4%；人工林24.46万hm2，占32. 46%,自然分布于华北、西北、东北西南部分地区的石质山区及黄土丘陵区，垂直分布在海沷1 000～4 000m，最高达5 000m[8]。我国沙棘的区域分布特点决定了大型机械难以适应我国国情。

20世纪80年代末，我国开始推广沙棘种植，同时沙棘果实机械化采收技术的研究逐渐起步[9]；但机械化采收发展缓慢，采收方式落后粗放。通过对几家沙棘企业的调研发现，目前我国沙棘的采收工具主要为普通剪刀及园艺剪等简单工具，采收效率低。因受采收工具的长度限制，采收范围小、采净率低，进而造成沙棘浆果品质低、出果率下降。

针对采收范围小及采净率低等问题，本文设计了一种沙棘螺旋伸缩剪，并对其进行田间对比试验和性能分析，为进一步研制适合我国国情的沙棘采收机提供依据。

1 3种沙棘采收机械模型

图1为普通手工园艺剪模型图。其特点是省力、质量小、价格便宜、动作迅速、工作可靠少维护，但其手柄很短，制约了其作业范围。

图2为沃施高枝剪模型图。其特点是增加了支撑杆及相应的传动连杆机构，作业范围得到大幅度的扩展。此外，在剪刀的动刀片上增加了压簧，在枝条被剪断的同时依靠压簧的弹力将断枝条夹持住，以便于拉回技条。

图3为所设计的螺旋伸缩剪模型图，图4为结构原理图。其长度调节装置由外螺纹管、内螺纹管、内螺纹拉杆、外螺纹拉杆、定握把、定刀、锁紧螺母等组成，外螺纹管与内螺纹管内外螺纹配合，通过螺纹的驱动来实现内外螺纹管长度的调节。外螺纹拉杆、内螺纹拉杆上有与定握把、定刀上的突起相配合的卡槽，通过突起与卡槽的配合，内螺纹管相对于外螺纹管转动时，外螺纹拉杆、内螺纹拉杆分别与外螺纹管、内螺纹管联动，从而实现内外螺纹管与内外螺纹拉杆的同步长度调节；调节到合适长度时通过锁紧螺母锁紧，便可以继续使用了。

图1 手工园艺剪

图2 沃施剪

图3 螺旋伸缩剪

1.定握把 2. 外螺纹管 3.锁紧螺母 4 .内螺纹管 5.定刀 6. 外螺纹拉杆 7.内螺纹拉杆

2 对比试验

实地试验是机械性能测试的重要依据和组成部分[10]。在实地试验中，选择立地条件相似、沙棘长势相似的地方进行试验。为尽量减小人为因素的影响，选择身体条件相似的采收人员进行试验。

2.1 试验条件及内容

试验时间为2015年11月4日。试验场地选择位于甘南藏族自治州的卓尼县木耳村大峪沟，这里野生沙棘覆盖率高，长势良好，树高2～3m，树冠幅度5m，满足1h试验不需要更换场地的要求。

试验内容：5名采收者分为两组，分别为2人一组，3人一组，进行3次试验，每次试验0.5h。2人组组员分别用手工园艺剪和沃施剪中低搭配进行采收。3人组组员分别用手工园艺剪、沃施剪及螺旋伸缩剪高中低搭配采收。

试验指标：采收效率、采净率、采收范围、劳动强度。试验结果如表1和表2所示 ，试验结果对比如图5～图8所示。

表1 手工园艺剪与沃施剪组合

续表1

1)劳动强度x分5等：①强度很高；②强度高；③强度较高；④强度稍高；⑤强度适中。2)采收范围h/l，h代表高度,l代表横向长度。

表2 手工园艺剪、沃施剪和螺旋伸缩剪组合

图5 综合采收效率对比

图6 综合劳对强度对比

图7 综合采净率对比

图8 综合采收范围对比

2.2 试验结果分析

因生态保护的要求，我国沙棘生产企业要求农民剪枝采收沙棘果枝的枝条直径应小于12mm。在效率方面，采收过程中3种采收剪的采收沙棘枝条直径都控制在12mm以下。由表1、表2和图5可以看出：在不同小组上，3人组的采收效率要略高于2人组采收效率。单人单剪效率上，沃施剪效率最高，原因在于对于树高2～3m的沙棘树，其带果枝条大多分在1.5m以上空间，此范围内带果沙棘枝条密度最高，又恰好在沃施剪的适宜采收范围内。螺旋伸缩剪效率次之，原因在于螺旋伸缩剪的长度的可调围为1.2～1.8m，适宜采收范围广，但因其质量较大，灵活性较差，增加了对准枝条的时间，因此其效率较沃施剪略低。手工园艺前效率最低，手工园艺剪质量小，枝条对准时间短，动作讯速灵活；但因沙棘外围带果枝条稀疏，其适宜采收范围小，所以手工园艺剪采收效率最低。

采收范围方面，每种采收剪都有各自适宜的采收范围，在适宜采收范围以外其效率都大为下降，且劳动强度加大。通过不同长度采收剪的搭配便能在兼顾效率的同时实现较大的采净率。2人小组和3人小组的适宜采收范围由其长度最长剪刀的长度决定。由表1、表2、图8可以看出：增加了螺旋伸缩剪后小组适宜采收范围有了大幅度提高，基本能覆盖2～3m高的沙棘树全树冠。

采净率方面，由表1、表2和图6可以看出：在沃施剪的基础上配备螺旋伸缩剪后，小组采净率有大幅度提高。采净率与采收范围成正相关关系，采净率的提高对于原本产量就不是很高的沙刺来说无疑具有重大意义。

劳动强度方面，由表1、表2和图7可以看出：在配备螺旋伸缩剪后，小组劳动强度有所加大。因螺旋伸缩剪长度较长，结构复杂，质量大造成操作劳动强度较大。

3 结论

在目前沙棘资源的分布条件下，我国沙棘采收尚处于以人工剪枝采收为主的阶段。由于沙棘树高矮不一，分布地形复杂，带果枝条立体空间分布范围广，宜用多把剪刀高低搭配进行采收。设计生产的螺旋伸缩剪，在采收操作劳动强度增加约7%情况下，采收范围扩展了约28%，有效避免了采摘人员深入沙棘丛中被棘刺划伤，减轻了采摘人员劳动损伤。其采净率提高了约23%，提高了沙棘浆果的单位面积产量和浆果品质及带果枝条出果率，采收效率也略有提高。采收机自重及其重心位置是影响劳动强度的关键因素，在设计生产沙棘采收机时，要在满足功能的条件下简化设计，用较轻的材料制造生产，并使重心尽量靠近握把一端。经沃施剪和螺旋伸缩剪采收下来的沙棘枝条需要经过手工园艺剪的二次精剪才能满足后续脱果需要。本研究确定了在手工园艺剪、沃施剪、螺纹伸缩剪三者搭配采收沙棘时，其最佳配比为2:1:1。

[1] 李敏.沙棘在中国西部发展中的地位和作用[J].沙棘,2002,15(3):1-4.

[2] 傅建熙,孔东宁,陈静.利用资源优势,加快发展沙棘产业[J].国际沙棘研究与开发, 2007,5(4):21-24.

[3] 周张章,周才琼.沙棘的化学成分及保健作用研究进展[J].粮食与食品工业,2005,12(2):15-18.

[4] 张军.浅析我国沙棘产业化开发的瓶颈与对策[J].国际沙棘研究与开发,2007,5(2):14-18.

[5] 徐永昶.对我国当前沙棘研究与开发的几点设想[J].沙棘,2004,17(4):34-35.

[6] 程育光.沙棘果实采收机具研究初探[J].中国水土保持,1988(1):51-52.

[7] 刘磊,牛长河,刘旋峰,等.沙棘收获机的发展现状及分析新疆农机化[J].新疆农机化,2010(1):35-37.

[8] 何士敏,袁小娟,汪建化.中国沙棘属植物资源及其开发利用现状[J].现代农业科学,2008,15(11): 87-92.

[9] 曹肆林,何义川,王敏,等.沙棘果机械化采收技术的研究现状与思考[J].农机化研究,2012,34(5):12-15.

[10] 王洪娴,王东伟.三种马铃薯收获机作业性能对比试验与分析[J].青岛农业大学学报:自然科学版,2015(2):151-155.Abstract ID:1003-188X(2017)04-0173-EA

The Design and Test Research of Spiraling Stretch Shear for Sea-Buckthorn

Hu Wenweia, Hu Jingminga, Bi Yangb, Zhang, Zhongb, Feng Changjiana,

(Gansu Agricultural University, a.College of engineering; b.College of Food Science and Engineering, Lanzhou 730070, China)

In order to solve the problem of harvesting sea buckthorn in china , a spiraling stretching shear was developed. Its length can be freely stretch between 1.2～1.8m. we select the harvesting style of high collocates with low by manual gardening shear and worth shear and the harvesting way of manual gardening shear 、worth shear mix of spiraling stretch shear for comparison. the analysis indicators include: picking efficiency、 net mining rate、picking scope、 the labor intensity. Through the contrast analysis, the result proved in gardening manual shear, shear worth, spiraling stretching shear collocation, the sea buckthorn picking efficiency、 net rate、picking range, the three indicators have been effectively improved and determined when the ratio of them is 2:1:1, sea buckthorn picking efficiency、net mining rate is maximal.comparative analysis of the two trials by way of sea buckthorn harvest provides a reference for theoretical research and design optimization of sea buckthorn harvesting machine, but also provides a new way of thinking for research and development of sea buckthorn harvesting machinery.

sea buckthorn; harvesting machinery; working performance; comparative test

2016-03-20

国家国际科技合作专项项目(2014DFR31230)

胡文威(1990-)，男，湖北咸宁人，硕士研究生，(E-mail)hww2010040191114@163.com。

胡靖明(1975-)，男，兰州人，副教授，(E-mail)hujm@gsau.edu.cn。

S225.93

A

1003-188X(2017)04-0173-04