一种刺梨采收机的设计

任永飞,闵 航

(贵州省山地农业机械研究所,贵州 贵阳 550007)

0 引言

刺梨是贵州独有的特色林产品,是云贵高原特有的珍贵野生资源,是贵州这样的喀斯特地区石漠化治理的首选树种,也是全国首个培育的国家森林生态标志产品[1]。目前,贵州刺梨种植规模全国第一,刺梨加工企业的规模和数量全国第一,刺梨产品种类也是第一,这些成就的取得,为贵州省刺梨产业加快发展奠定了坚实基础[2]。尽管刺梨产业对贵州部分地区经济发展意义重大,但刺梨在收获生产环节却主要依靠人工,低效率、高成本的生产方式严重制约了刺梨产业的发展。采收过早,果实尚未成熟,个头小、产量低,品质低劣,不耐贮藏;采收过晚,则果实成熟度过高,果肉衰老快,不适合长途运输及长期贮藏[3]。刺梨生长环境特殊,且树干被刺包围,依靠人工采摘时容易被刮伤,后期的收集工作量极大。随着生活水平的不断提高,人们对健康的重视程度也越来越高,市场对刺梨的需求量也随之增大。因此,急需开发一款刺梨采收机,助力贵州刺梨产业发展,通过实现刺梨的机械化收获来提高刺梨的产量和利用率[4]。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

本文所设计的刺梨机械化采收机刺梨样机由履带式行走车、举升架、脱果机构安装架、脱果机构、脱果机构基座、收集机构、树根夹紧机构、树冠环抱油缸、举升油缸、夹紧油缸、伸伞油缸、横向移动油缸、纵向移动油缸、收集伞、液压高频震动马达等组成,如图1所示。

图1 整机结构示意

举升架通过铰链链接和举升油缸安装在履带式行走车上,收集伞安装于举升架上,举起或放下收集伞布,便于田间行走或卸刺梨果。脱果机构架安装于底盘前端,脱果机构通过横向滑座和竖向滑座安装在脱果机构架上,可实现前后上下移动。

1.2 工作原理

履带式行走车将收集机构移动至待采摘的刺梨树,收集机构底部开口对准树根,夹紧油缸驱动夹持器夹紧树根;伸伞油缸驱动主动伞杆旋转带动收集布旋转,再带动从动伞杆旋转,完全展开后形成一个圆锥形收集伞机构。收集伞机构围合在刺梨树干周围,包裹住整棵刺梨树,完成刺梨采收作业中的收集伞展开动作。

树冠环抱油缸将脱果机构展开,脱果机构架上的横向移动油缸推动整个脱果机构前移动至刺梨树冠,纵向油缸驱动脱果机构基座上下移动调整抱紧刺梨树冠位置,树冠环抱油缸驱动脱果机构抱紧刺梨树冠,液压高频震动马达驱动脱果机构进行脱果[5]。

2 关键部件设计

2.1 脱果机构设计

根据实验数据,沿果柄方向拉伸脱果力为200 N,垂直果柄方向折断脱果力为50 N,刺梨果抗压力为2 N[6]。描述刺梨脱果简图,针对成熟果实,结合刺梨脱果的振幅A,震动频次f,振动时间t三个因素设计震动机构,刺梨果实震动脱果受力分析如图2所示。

图2 脱果受力分析示意

已知最远树上果实到树根震动长度为R,整棵树最远端脱果最小摆动幅度A1,树枝摇摆间夹角为α,树根震动力为F,震动块伸缩距离为D,最远端刺梨受力为F1,要使得最远端果实脱果,则必须达到最远果实最小振幅为A1与脱果力F1,最小振幅A1的振动频率为

f=n/t

(1)

式(1)中,n为震动次数;t为震动时间。

使得刺梨果实脱果,果实最远端震动力为

F=F1(R+X)/X

(2)

脱果机构往复运动方式进行脱果,其震动块运行距离为

D=A1X/R+X

(3)

已知通过实验得出刺梨脱果时的最大力度为50 N,同时整棵树最远端脱果最小摆动幅度为20～30 cm,脱果的最远树上果实到树根震动长度为1.5～1.7 m,震动力作用点与地面固定点的距离为20～40 cm,计算出脱果所需震动力为237.5～475.0 N,震动块伸缩距离为2.1～6.3 cm,震动频率选用50 Hz。

根据计算结果,选择液压高频震动马达,功率为6.12 kW,震动频率50 Hz。脱果结构由树冠环抱夹、脱果机构基座、树冠环抱油缸、液压高频震动马达组成,如图3所示。

图3 脱果结构示意

2.2 收集机构设计

根据田间实测数据,刺梨株距为1.7～2.0 m,行距3 m,行距净宽约2.2 m,植株高度为1.5～1.7 m,最低枝干离地30～40 cm,多枝缠绕根部直径约40 cm,树冠中部最大直径1.4～1.7 m,调研刺梨树种植情况简化,如图4所示。

图4 刺梨树简化示意

设计收集箱底部开口为50 cm,伞杆及伞布展开直径为200 cm,收集箱高度为30 cm,伞杆顶端高度为1.6 m,为更好地保证刺梨果实滑落至收集箱,则伞杆与垂直方向夹角为30°。收集机构主要由收集箱、伞杆、收集布、夹紧油缸、伸伞油缸组成,如图5所示。

图5 收集机构示意

3 应用前景

贵州刺梨由过去生长在深山的小野果,逐步发展壮大成如今的百亿级产业。特别是随着人们对于健康需求的不断增强,凭借维生素C含量在果蔬中“傲视群雄”,刺梨产品销量出现小高潮。贵州充分利用刺梨资源丰富的特点,近年来努力延长产业链、提升价值链,围绕“统一公共品牌、统一功效研究、统一系列标准”,持续打造优质产品、培育龙头企业、壮大产业规模,全产业链培育壮大刺梨产业[7-9]。

随着新一轮退耕还林的推进,贵州在六盘水、毕节、黔南等地大规模推广刺梨种植。2022年,刺梨在贵州省内的种植面积达210万亩,进入产果期的有126.3万亩,其中72.6万亩进入盛果期,实现鲜果产量30万吨,刺梨综合产值达150.8亿元。根据贵州省刺梨种植规模和产量,按照刺梨采收设备理论采收效率计算,机械化采收刺梨500～1 000 kg/d,每个采收季节有效作业时间20 d,则单台机具每个采收季可采收10～20 t。

该设备收获刺梨,一次性完成单棵刺梨的采收,采收效率高,实用性强,能有效节约人工成本, 大量减轻了劳动强度,降低了刺梨采收的成本,对产业发展具有带动作用。目前市场需求量大,具备良好的推广应用前景[10]。

4 结语

贵州省刺梨产业在发展的过程中,在重视刺梨品种培育、栽培技术的同时,加强刺梨产业相关机械化的研发,为适应刺梨品种配套研制新型采收机,实现刺梨采摘关键环节的突破。能有效解决我省劳动力紧缺,刺梨采摘费工、费时、费力的问题,为我省刺梨加工企业提供低成本的刺梨原材料,提升贵州省刺梨产业的竞争优势,降低农民和企业种植刺梨的成本。同时辐射带动企业与农民种植生产刺梨积极性,为适宜机采的新刺梨品种示范推广打下基础。