振动式枸杞采摘机设计与试验

刘 英， 范开欣， 杜小龙

(1.甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006；2.甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

枸杞鲜果含有多种营养成分，是一种药食同源的作物，制干后的枸杞子具有滋养保健、药用、制做饮料、制酒等功能[1-4]。枸杞种植于我国西北地区，主要分布于甘肃、宁夏、新疆等地，是一种重要的经济作物，在宁夏枸杞核心产区的规模乡镇及专业村，农民来自枸杞栽培的收入占可能占其总收入的60% 以上。枸杞采摘具有季节性强、劳动密集的特点，长久以来，枸杞的高效机械化采收一直是需要解决的难题[5-9]。

目前众多学者对于一些浆果类的果实振动式采收做了很多的研究。如赵健等[10]通过正交旋转组合试验优化了便携式枸杞振动采收装置的振动频率、振动时间、振动杆直径，降低了采收过程中的果实损伤。王亚军[11]设计了一种背负式气吸式枸杞采摘机，采用负压吸附原理使得枸杞在负压作用下落入到存储箱内实现采收。徐丽明等[12]设计了一种梳刷振动式枸杞收获装置，并进行了田间试验，在试验中确定了一组采收效果最好的参数组合。张文强等[13]设计并优化了一种变间距梳刷式枸杞采收装置，实现了枸杞与枝条的脱离以及枸杞与梳刷指分离。马永龙、耿峻[14]设计了一种双梳板可变间距梳耙式枸杞采摘器，该采摘器结构简单，采摘效率较高。综上，目前小型浆果采收设备在采收过程中存在着果实损伤率、采青率较高，采净率较低的问题，部分振摇式机械还会对果树造成损伤。因此设计一种适宜于枸杞的低损伤采收机械，仍是一个亟待解决的难题。

本文设计了一种自走式枸杞振动采收机，通过田间试验，得出枸杞采收适宜的参数组合，实现了枸杞低损伤采摘需求。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

振动式枸杞振动采收机结构简图如图1所示，主要由机架、激振装置、传送带、收集装置、振动杆组、控制系统、动力系统和行走装置等组成。机架采用门型结构，并与自走式底盘相连接，激振装置安装于车体前进方向右侧，振动杆组分别布置在车体左右两侧，果实收集装置位于车体下方。

图1 整机结构1.机架；2.激振装置；3.传送带；4.收集装置；5.振动杆组；6.行走装置；7.动力系统；8.控制系统

激振装置为本机的核心部件，如图2、图3所示。在激振装置作用下，使果树产生受迫振动，当枸杞果实所受惯性力大于连接力时果实与果柄脱落，实现果实采摘。为保证该激振装置可适用于不同品种枸杞的收获，偏心轮半径范围是15～40 mm，圆盘端面设置6个螺栓孔，对应偏心轮的半径是15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm，递增公差为5 mm，从内向外顺时针依次递增，两相邻螺栓孔的等角度的分布在圆盘端面上，实现了激振机构振幅的调节。

图2 偏心盘传动机构图1.导杆；2.直线轴承；3.连杆；4.振幅调节螺栓孔；5.偏心轮；6.减速齿轮箱；7.电动机

图3 圆盘端面螺栓孔布置图

1.2 工作原理

该机能够一次性完成枸杞果实的采收工作。枸杞采收机采用一体式车架，各装置和部件都固定在机架上，工作时，采收机以一定的速度直线行驶，并且骑跨在枸杞果树上。分布于车体两侧的振动杆组5均匀插入树体，在激振装置2作用下做上下往复振动。下垂的挂果枝条在振动杆组的激振力作用下，枸杞果实与树体分离下落，再由安装在车体下方的两斜向传送带3收集输送至果实收集装置4，实现机械化采收。

2 试验设计与数据分析

2.1 试验设计

通过采收试验得出振幅、频率、振动杆数量为影响枸杞采收效果的主要因素。根据预试验中得到的试验结果，确定各影响因素的范围：振幅15～80 mm、频率范围：2.5～11.6 Hz、单个振动杆安装圆盘上的振动杆安装数量4～12个。以采净率、青果错采率和成熟枸杞果实损伤率为试验因素，进行单因素试验。

(1)

式中：ηj为采净率，%；n1为振落下来的成熟枸杞果实数量，个；n2为未振落下来的成熟枸杞果实数量。

(2)

式中：ηc为采净率，%；n3为振落下来的青果数量；n4为未振落下来的青果数量。

(3)

式中：ηS为成熟枸杞损伤率，%；n5为损伤的成熟枸杞数量，n。

2.2 试验结果与数据分析

试验结果见表1。

表1 单因素试验结果

运用MATLAB软件CFTOOL模块处理数据并绘制折线图，分析各因素对采收效果的影响。

2.2.1 偏心圆盘转速对收获效果的影响

偏心圆盘转速对采收效果的影响折线图如图4所示。由图4可以看出：随着偏心圆盘转速的升高，成熟枸杞的采净率增加，但是当转速超过160 r/min时，采净率增加不明显。这因为随着偏心盘转速的增加，相应的振动频率也增加，振动杆在单位时间内作用在挂果枝条上的激振力次数增加，使得果实更容易脱落。当转速过高，会发生挂果枝条缠绕在振动杆上的情况，反而使得果实不容易掉落，降低采净率；随着转速升高，在100～140 r/min的范围内青果错采率增大不明显，但是当转速大于140 r/min时青果错采率呈增大趋势。原因可能是在转速较低时，激振力的作用不明显，青果受到的惯性力达不到结合力错采率较低，随着转速的逐步升高，青果错采率增大；偏心圆盘转速对成熟枸杞的损伤率总体上随着转速的升高而增大，尤其当转速大于160 r/min后明显增大。

图4 偏心圆盘转速对采收效果的影响

2.2.2 振动杆组振幅对收获效果的影响

振动杆组振幅对采收效果的影响折线图如图5所示。由图5可以看出：随着振幅的增加，总体上成熟枸杞采净率成逐步变大趋势，只是上升比较平稳。这是因为随着振幅的增加，振动杆组作用在枸杞果树上的行程增加，相应的作业面积所致；随着振幅的增加，青果错采率也是呈现逐步增大的趋势。这是因为振幅增大，振动杆作用在提高采净率的同时也会同时增大青果的错采率；振幅变化对成熟枸杞损伤率的影响在40～70mm 范围内变化不大，保持在1.42～2.03%，当振幅大于70mm后影响加剧。这可能是因为当振幅过大时振动杆作用在枸杞果实上的面积增大，增加了果实的破损。

图5 振动杆组振幅对采收效果的影响

2.2.3 振动杆数量对收获效果的影响

振动杆数量对采收效果的影响折线图如图6所示。由图6可以看出：振动杆数量在4～8时，成熟枸杞的采净率在69.36～70.41%，无明显变化，但当振动杆数量大于8之后成熟枸杞采净率增大明显。这是因为振动杆数量较少时，振动杆组作用在挂果枝条上的作业面积少，一些挂果枝条没有受到惯性力作用；振动杆数量对青果错采率的影响总体上呈现增大的趋势，易分析随着振动杆数量的增多，有更多的振动杆作用在青果上会增加脱落的可能性；振动杆数量对于成熟枸杞损伤率的影响基本呈现线性增长趋势，这是因为随着振动杆数量的增多，作用在单个枸杞果实上拍打次数增加导致。

图6 振动杆数量对采收效果的影响

综上所述枸杞采收适宜的参数组合为：偏心盘转速为140 r/min，振幅70 mm，振动杆数量10个。

3 结论

(1)设计出一种自走式枸杞振动采收机实现了对枸杞的机械化采摘，初步完成了“摘熟留青”的农艺要求，降低了劳动强度和收获作业成本，提高了生产效率。且收获枸杞成色较好，损伤率低 。

(2)采收试验后以成熟枸杞果实的采净率、损伤率、青果错采率为试验指标，以偏心圆盘转速、振动杆组振幅、振动杆数量为试验因素，进行单因素试验得出各因素对试验指标的影响规律。获得枸杞采收适宜的参数组合为：偏心盘转速为140 r/min，振幅为70 mm，振动杆数量10个。