何 苗，李成松，王麗紅，張亞歐，楊蘭濤，吳 爍　(石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆石河子832000)

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枸杞采收裝置的研究現(xiàn)狀

何 苗，李成松*，王麗紅，張亞歐，楊蘭濤，吳 爍(石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆石河子832000)

摘要介紹了目前國內(nèi)枸杞籽采收作業(yè)現(xiàn)狀，闡述了氣流式、梳刷式、剪切式及振動式機械采收裝置的工作原理及結(jié)構(gòu)特點。其中著重對目前應(yīng)用較為普遍的振動式采收裝置的結(jié)構(gòu)特點及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并提出了一種新的適于枸杞振動采收的基于齒輪——五連桿機構(gòu)的新型振動采收模式。通過對該機構(gòu)的運動學(xué)分析，得到了對稱雙曲柄齒輪傳動比及其連桿曲線運動軌跡，為進(jìn)一步設(shè)計機構(gòu)參數(shù)提供了方法。認(rèn)為在眾多振動機構(gòu)中齒輪——五連桿機構(gòu)具有靈活性較好，力傳動平穩(wěn)，振動小等特點，可根據(jù)枸杞生長情況精確地實現(xiàn)較為多樣復(fù)雜的運動軌跡來提高枸杞成熟果實的采摘率，減少對未成熟果實和花朵的損傷。

關(guān)鍵詞枸杞；采收裝置；振動；齒輪五連桿

Research Status of the Harvesting Device ofLyciumbarbarumL.

HE Miao, LI Cheng-song*, WANG Li-hong et al(College of Mechanical and Electronical Engineering, Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832000)

AbstractThe present situation ofLyciumbarbarumL. harvest in China was introduced, and the working principle and structure characteristics of the air flow, comb type, shear type and vibration type oil recovery device were described. In this paper, the structure characteristics and research status of the vibration type oil recovery device were analyzed, and a new type of vibration oil recovery method was proposed, which is suitable for the vibration of theLyciumbarbarumL. By analyzing the motion of the mechanism, gear transmission ratio and the movement track of the connecting rod curve of symmetric double crank gear was obtained, which will provide method for further design of structure parameters.

Key wordsLyciumbarbarumL.; Harvesting mechanism; Vibration; Gear five bar linkage

枸杞(LyciumL.)屬于茄科枸杞屬，多年生雙子葉落葉灌木，多分布于暖溫帶地區(qū)，要以南北美洲及歐亞大陸地區(qū)為主[1]，但是將其作為一種經(jīng)濟(jì)植物資源進(jìn)行野生馴化、大規(guī)模栽培和綜合開發(fā)利用的國家不多，目前主要有中國和韓國。研究表明，枸杞中的枸杞多糖具有延緩衰老、抗腫瘤、抗疲勞、控制血糖、防護(hù)青光眼等多種作用[2]。隨著枸杞營養(yǎng)價值在世界市場的普及與推廣，2014年，我國枸杞出口量為1 227萬kg，出口價格為9.97美元/kg[3]，創(chuàng)下歷史新高。由此推斷，我國枸杞業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景。

目前，枸杞采收主要以人工為主[4]。枸杞屬無限花序植物，其成熟期主要分為夏果成熟期和秋果成熟期[5]，具有隨熟隨采的特點，需要經(jīng)過選擇性采收才能采凈。而人工采收與枸杞產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展之間存在諸多矛盾：①人工采收勞動強度大、作業(yè)環(huán)境差，植株棘刺易造成手部扎傷；②人工采收效率低，其采收效率僅為3～5 kg/h[6]；③人工采收費用高，據(jù)統(tǒng)計采收費用高達(dá)3×104元/hm2，約占生產(chǎn)成本的50%以上[6]；④人工采收過程需要多次搬運裝卸，易造成枸杞機械損傷，影響枸杞質(zhì)量；⑤秋果采收期與其他作物采收期重疊，易造成用工緊張；同時若不及時采收，會導(dǎo)致枸杞變質(zhì)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，實行枸杞機械化采收是枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

1枸杞采收裝置結(jié)構(gòu)與特點

自枸杞大面積種植以來，國內(nèi)外學(xué)者就枸杞生物學(xué)特性及相應(yīng)采收裝置做了大量的研究。目前，枸杞采收裝置的類型主要有氣流式、梳刷式、剪切式和振動式。

1.1氣流式枸杞采收裝置氣流式枸杞采收裝置又分為氣吸式和氣吹式。

氣吸式枸杞采收裝置是通過氣吸式結(jié)構(gòu)，在電動抽風(fēng)機的作用下使吸管中產(chǎn)生負(fù)壓，將果實吸入。徐麗明發(fā)明了一種背負(fù)式枸杞采摘機[7]，利用氣吸式管道和轉(zhuǎn)輥結(jié)構(gòu)，將枸杞果實與果枝分離；張換高等人發(fā)明了一種氣吸式枸杞采摘機[8]，采用非接觸的氣吸原理設(shè)計，由空氣放大器產(chǎn)生負(fù)壓將果實吸入，同時利用高壓氣體將果實周圍葉子排開，提高采凈率。這兩種裝置均為背負(fù)式，勞動強度大、作業(yè)效率低且氣流作業(yè)壓力難以控制，氣壓過低則難以將果實摘下，氣壓過高則很容易損傷果實。

氣吹式枸杞采收裝置是在大功率風(fēng)機的作用下產(chǎn)生高速氣流，吹向樹冠使枸杞樹冠產(chǎn)生振動，從而實現(xiàn)果實與果柄的分離。周宏平等人發(fā)明了一種利用高速氣流采摘枸杞的裝置(如圖1)[9]，其通過改變高速氣流的方向或者通斷氣流的方法，使得枸杞果實擺動，從而快速地將枸杞果實從枝條上吹落。該裝置采用非接觸式的方式進(jìn)行枸杞的采收，減少了對枸杞樹枝的傷害，但是其能耗大，作業(yè)成本高，氣流速度也難以控制。

1.2梳刷式枸杞采收裝置梳刷式枸杞采收裝置是通過梳齒的轉(zhuǎn)動，將枸杞果實梳捋下來，完成枸杞采收作業(yè)。郭志東等人發(fā)明了一種自走氣吸梳齒式枸杞采摘收獲機(如圖2)[10]，利用梳齒采摘器的轉(zhuǎn)動，將枸杞從枝條上梳刷下來。該種裝置屬于小型自走式枸杞收獲機，需要人工手持采摘器進(jìn)行枸杞采摘，作業(yè)效率低，未能實現(xiàn)枸杞采摘全程機械化。

另外，馬軍等人研究了一種用毛刷體將果實刷下的枸杞采摘機[11]；周兵等人進(jìn)行了一種新的利用柔性膠管環(huán)捋摘得手持式采摘機的設(shè)計[12]；王寧州發(fā)明了種實用新型專利，利用采摘膠頭做震動及梳濾動作將成熟的枸杞從樹上摘下的便攜式枸杞采摘機[13]。這些枸杞采摘裝置均為手持式，采用梳刷的方式將枸杞果實采摘下來，屬于接觸式采摘，采摘過程容易造成對枸杞枝葉的機械損傷，且易造成將青果誤摘情況，影響枸杞收獲效率及凈度。

1.3剪切式枸杞采收裝置剪切式枸杞采收裝置是利用采摘刀以一定速度運行，切斷果實果柄，完成果實的采摘。趙偉康等人發(fā)明了滾刀式枸杞可選擇采摘機(如圖3)[14]，成熟果實的果柄由分禾鴨嘴送入滾刀和反向滾刀之間，由其相互作用切斷果柄；曾小虎設(shè)計了一種新型枸杞采摘器[15]，采用偏心輪帶動擺桿和連桿工作，通過采摘頭抓住枝條，由采摘刀對果實進(jìn)行收集。剪切式采收裝置采摘刀難以掌控剪切位置，容易誤傷果實和枝條，采凈率較低。

1.4振動式枸杞采收裝置振動式枸杞采收裝置基本原理是由一定形式的振動機構(gòu)，使枸杞樹干或枝條產(chǎn)生振動，枸杞果實做多次瞬時變向運動，當(dāng)慣性力大于果實和果柄之間的連接力時，果實分離掉落。

J.D.So針對韓國枸杞設(shè)計了一種枸杞振動收獲裝置[16]，該裝置由曲柄滑塊機構(gòu)連接著一個電動機產(chǎn)生振動帶動枸杞枝條的震蕩，實現(xiàn)枸杞果實的采收。經(jīng)試驗，其單位時間內(nèi)收獲的枸杞數(shù)是人工采摘的4.2倍，但是由于枸杞生物學(xué)特性差異，該裝置不適于我國枸杞機械化采收。

劉文海等人采用曲柄振搖驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計了一種多點均勻分布振搖式全自動枸杞采摘機[17]，其主要由傳動機構(gòu)、采摘架、振搖機構(gòu)、收集箱等部分組成。在門型主架上安裝了可上下升降的采摘架，呈均勻分布的振動條安裝在采摘架上。采摘機工作時，將采摘架從樹植株上方將采摘條插下，通過曲柄振搖機構(gòu)使采摘架產(chǎn)生振動，進(jìn)而采摘架上的振動條帶動樹枝振動，從而將果實震蕩下來。該裝置在采收過程中可減少果實損傷率，提高采摘效率。李進(jìn)玉等人采用偏心輪機構(gòu)設(shè)計了一種振搖式全自動采摘機構(gòu)[18]，由支架組件、采集組件及振動組件組成。工作時，由行走液壓控制模塊控制行走，驅(qū)動振動馬達(dá)帶偏心輪轉(zhuǎn)動，帶動振動架上的振動條做高頻往復(fù)平動，從而實現(xiàn)對枸杞枝條的振動，使果實掉落。這2種裝置結(jié)構(gòu)形式相似，均采用振動條振動枸杞枝條完成收獲，但是其不能進(jìn)行連續(xù)性收獲，作業(yè)效率較低。

肖宏儒等人采用偏心滑塊機構(gòu)設(shè)計了自走式枸杞采摘機(如圖4)[19]，工作時，橫向分布的振動桿插入枸杞樹冠，電機驅(qū)動偏心滑塊機構(gòu)運動，帶動振動桿產(chǎn)生往復(fù)運動擊打枸杞枝條，使枸杞果實受力脫落。該裝置進(jìn)行了采摘試驗，采摘效果良好，機具間歇行進(jìn)，采摘過程較為緩慢，而且由于振動桿寬度有限，部分成熟枸杞不能被完全采摘，同時枸杞機械損傷率較高。

同時，曹有龍等人發(fā)明了由直流電機驅(qū)動偏心輪對枸杞枝條產(chǎn)生振動的枸杞采摘器[20]；郭清輝申請了一項一種帶有磁力驅(qū)動裝置的枸杞采摘的實用新型專利[21]；四川向仲榮申請了一項由電機帶動的振動器的枸杞采摘器的實用新型專利[22]。這些都屬于手持裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、便于攜帶等特點，但是普遍存在作業(yè)效率低，勞動強度大的問題。

除了以上提到的各種枸杞采收裝置外，還有部分仿人手采摘的枸杞采收裝置。高懷智等人發(fā)明了一種仿手工的枸杞采摘電動機械手[23]，機械手上可以有數(shù)個機械手指，將成熟的較大的熟果揪下；張林德發(fā)明了一種枸杞采摘裝置，手持采摘頭內(nèi)兩平行且相對內(nèi)旋轉(zhuǎn)子體的表面相對稱突出設(shè)有若干膠環(huán)，模擬人手采摘動作[24]。這些裝置能減少對枸杞果實的損傷，但是不適用于大面積枸杞采收作業(yè)。

通過對各種枸杞采收裝置的結(jié)構(gòu)及特點的分析可知，相比其他形式的枸杞采收裝置，振動式枸杞采收裝置在采收效率和作業(yè)成本上有較大優(yōu)勢，可有效將果實和枝條分離，具有效果明顯、容易實現(xiàn)等特點，適用于大面積枸杞種植采收作業(yè)。目前，振動式收獲技術(shù)也被認(rèn)為是實現(xiàn)果品機械化收獲的有效途徑之一[25]。通過對已有的幾種振動式枸杞采收裝置分析可知，其結(jié)構(gòu)形式及采收方法較為相似，均是采用振動發(fā)生器帶動振動桿或振動條產(chǎn)生往復(fù)運動，實現(xiàn)對枸杞枝條的振動，完成采收作業(yè)。其振動發(fā)生器主要有曲柄振搖機構(gòu)、偏心輪機構(gòu)和偏心滑塊機構(gòu)這3種形式，但是其運動軌跡單一、傳動不穩(wěn)定，長時間作業(yè)易造成磨損，影響采收效果。因此，急需提出一種傳動穩(wěn)定、運動軌跡豐富的振動機構(gòu)代替以上的振動機構(gòu)，實現(xiàn)對枸杞枝條多維激勵振動，提高枸杞作業(yè)采收效率。

2齒輪——五連桿機構(gòu)

齒輪—五連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式多樣，可實現(xiàn)多種運動軌跡。齒輪五連桿機構(gòu)具有運動靈活性較好、傳動平穩(wěn)、振動小等特點，同時可提供果實振動采收所需的振幅。

2.1齒輪五連桿機構(gòu)的運動模型如圖5所示，以A為絕對坐標(biāo)系坐標(biāo)原點，原動件為桿1和桿4，l1和l4為兩曲柄的長度，l2和l3為連桿長度，l5代表兩齒輪中心距長度。

由封閉矢量法得[26]

rc=rB+l2=rD+l3

由各矢量向X軸、Y軸投影，可得C點位置方程：

(1)

式中：xB、xC、xD、yB、yC、YD——B、C、D的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。

將式(1)移項整理并平方相加可得

A0cosφ2+B0sinφ2+C0

(2)

式中：A0=2l2(xD-xB)

B0=2l2(yD-yB)

解式(2)可

(3)

將φ2帶入式(1)可求得C點位置xC和yC。

2.2對稱雙曲柄齒輪五連桿機構(gòu)的軌跡曲線齒輪五連桿機構(gòu)的運動軌跡較為豐富，通過改變相對初始相位角、各桿桿長、齒輪傳動比等可以產(chǎn)生多種運動軌跡[27]。由于齒輪五連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，分析其連桿曲線的變化規(guī)律是很困難的。所以只對對稱雙曲柄齒輪五連桿機構(gòu)進(jìn)行了分析，分析其改變其齒輪傳動比對連桿曲線產(chǎn)生的影響(圖6)。

由圖6可知，假設(shè)該齒輪五連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下，l1=l4=0.5；l2=l3=2，l5=2，通過改變齒輪傳動比，C點的軌跡曲線如圖7。

由以上分析可得，通過對齒輪五連桿相對初始相位角、齒輪傳動比、各桿長度等可以得到豐富的連桿曲線，因此，對枸杞采收裝置振動運動軌跡進(jìn)行分析研究，就可通過設(shè)計齒輪五連桿結(jié)構(gòu)的各參數(shù)，得到滿足使用的運動軌跡。齒輪五連桿機構(gòu)運動軌跡豐富，力傳遞性能穩(wěn)定、靈活性較好，可以用于振動式枸杞采收裝置的設(shè)計當(dāng)中。

3總結(jié)

根據(jù)實地調(diào)查結(jié)果及枸杞主產(chǎn)區(qū)發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)測算，預(yù)計至2020年，我國枸杞種植面積將達(dá)到21.33萬hm2[28]。隨著枸杞種植面積地增加，實現(xiàn)枸杞機械化采收是必然趨勢。文章針對枸杞采收裝置的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，認(rèn)為振動式枸杞采收裝置可滿足大面積枸杞種植的采收需求。在眾多振動機構(gòu)中相比于曲柄振搖機構(gòu)、偏心輪機構(gòu)和偏心滑塊機構(gòu)，齒輪—五連桿機構(gòu)具有靈活性較好、力傳動平穩(wěn)、振動小等特點，其可精確地實現(xiàn)較為多樣復(fù)雜的運動軌跡來提高枸杞成熟果實的采摘率，減少對未成熟果實和花朵的傷害。因此，建議采用齒輪五連桿機構(gòu)作為振動裝置完成對振動式枸杞采收裝置的設(shè)計。

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收稿日期2015-10-23

作者簡介何苗(1993- )，女，重慶巫山人，碩士研究生，研究方向：現(xiàn)代設(shè)計方法。*通訊作者，教授，碩士生導(dǎo)師。從事農(nóng)業(yè)機械制造研究。

基金項目國家自然科學(xué)基金項目(51541509)。

中圖分類號S 225.93

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2015)33-367-03