褚 璇，黃俊霖，馬稚昱，韋鴻鈺，劉洪利

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510225）

0 引言

山蒼子（Litsea cubeba）又名木姜子，山雞椒等，是一種優(yōu)良的速生木本芳香油料樹種，其全株均含有芳香油，籽、桿、根和葉都可以利用，在食用香料、日用化工、航空潤滑油和醫(yī)藥產(chǎn)品的生產(chǎn)中有廣泛應(yīng)用[1-2]。我國山蒼子資源占全世界的90%，種植總面積有1.44 萬hm2，廣泛分布于我國長江以南的廣西、廣東、福建、云南、四川等省[3]。同時(shí)，我國也是世界上最大的山蒼子油生產(chǎn)國和出口國，其年產(chǎn)量14.01 萬t，出口量占全球市場的80%[4]。因此，大力發(fā)展山蒼子產(chǎn)業(yè)有利于優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)農(nóng)民增收致富，助推鄉(xiāng)村振興。

目前，山蒼子產(chǎn)業(yè)初步形成了以林下種養(yǎng)、森林景觀利用為主體的林下經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)體系的基本格局，隨著山蒼子深加工產(chǎn)業(yè)的逐步發(fā)展，產(chǎn)品的多樣化開發(fā)，山蒼子產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善[5]。目前針對山蒼子的研究主要涉及優(yōu)良品種培育[6-7]、栽培管理[8]及精深加工工藝優(yōu)化[9-12]等方面。但由于山蒼籽果實(shí)的采收季節(jié)性很強(qiáng)、時(shí)效性要求高，且其采收情況直接關(guān)系到出油率及出油質(zhì)量，還關(guān)系到育苗成敗[13]。因此，山蒼子采收也是制約我國山蒼子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題之一。

1 山蒼子采收現(xiàn)狀與問題分析

迄今為止，我國山蒼子仍然以手工收獲為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低。山蒼子的生長環(huán)境、采摘要求等均導(dǎo)致其采收面臨“無機(jī)可用”的困境。2019-2021 年連續(xù)對廣東省連山縣山蒼子生產(chǎn)區(qū)采收情況進(jìn)行調(diào)研，種植戶或合作社通常選擇雇傭工人完成采收，其價(jià)位通常在150 元/天，采摘成本較高。另外由于采摘熟練程度和山蒼子樹的長勢不同，工人采摘效率差異顯著，每人每天最多采收50 斤，這也導(dǎo)致山蒼子的采收效率較低，并造成了大量鮮果不能及時(shí)采收而浪費(fèi)。因此，開發(fā)和研究先進(jìn)的山蒼子采摘工具，提高山蒼子采摘的機(jī)械化水平，對促進(jìn)山蒼子生產(chǎn)發(fā)展具有積極和重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.1 山蒼子的生物學(xué)特性制約果實(shí)采摘方式

山蒼子采收季節(jié)性很強(qiáng)，采集過早，果實(shí)含油少，水分重，含醛量也不足；采集過遲，果實(shí)中的芳香油會逐漸消失，遇到風(fēng)雨也會落地腐爛[14]；因此應(yīng)在其成熟時(shí)及時(shí)采收。山蒼子成熟期為7 至8 月，氣候炎熱，采摘環(huán)境較為惡劣。另外，山蒼子收獲的農(nóng)藝要求很高，要做到輕采輕摘，將果實(shí)連帶果柄一起摘下，因?yàn)闊o論是采摘過程中造成的果實(shí)破皮還是果柄脫離，都會造成果實(shí)中芳香油的揮發(fā)與氧化[15]。在采摘時(shí)通常將帶有部分葉子的細(xì)枝一簇一簇摘下，再進(jìn)行逐粒采摘。山蒼子樹一般2～3 m，最高的高達(dá)8 m，樹枝高而分散，為采盡高處果實(shí)通常需要搭梯上樹，采摘工人安全也難以保證。山蒼子的這些生物學(xué)特性均決定了它采摘收獲的難度大、效率低。

1.2 山蒼子生長環(huán)境增大采收難度

山蒼子生長具有很強(qiáng)的區(qū)域性，在我國主要分布于南方及西南溫暖地區(qū)。野生山蒼子資源分布整體較分散，常生于荒山、荒地、灌叢或梳林內(nèi)。隨著現(xiàn)代林業(yè)建設(shè)力度加大，部分省市已經(jīng)開始人工培育山蒼子林[4]，但無論是野生山蒼子還是人工培育林，其種植地貌多以低山、丘陵為主，復(fù)雜的地形地貌、落后的基礎(chǔ)生產(chǎn)條件，均導(dǎo)致了傳統(tǒng)的采摘機(jī)械無法應(yīng)用，同時(shí)目前市面上缺乏與之相適應(yīng)的農(nóng)機(jī)，使得山蒼子采摘主要依賴人工完成。

2 常見采收技術(shù)與山蒼子機(jī)械采收可行性分析

目前尚無針對山蒼子采收機(jī)械的研究，但花椒、枸杞等果實(shí)與山蒼子在外形或植株存在相似形，因此針對此類小型果的采收機(jī)械及技術(shù)可以為山蒼子采收機(jī)械的設(shè)計(jì)提供參考。目前此類果實(shí)的常見的機(jī)械采摘工具（方式）包括：剪切式采收、機(jī)械振動(dòng)采收及負(fù)壓采收等，本節(jié)結(jié)合不同采摘方式分析其應(yīng)用于山蒼子采收的可行性。

2.1 剪切式采收

在種植于丘陵山地的花椒或枸杞的采收中，修枝剪、高枝剪、長柄剪等已有所應(yīng)用。這種采摘方式是利用剪刀將成熟果實(shí)與枝條一同剪下[16]，再組織人員集中將果實(shí)采摘收集。目前市面上的這類機(jī)具品種繁多，包括手動(dòng)剪、氣動(dòng)剪及電動(dòng)剪等等。較為著名的產(chǎn)品有日本ARS 公司的園藝剪、德國GARDENA 公司的樹枝剪和高枝剪、意大利CAMPAGNOLA 司的F/6U 型氣動(dòng)高枝剪和Star50 型氣動(dòng)高枝剪等等[17]。另外，也有研究人員結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真對高枝剪這類采摘器具進(jìn)行研究。例如，劉志剛等[18]基于SolidWorks 軟件，提出了一種新型高枝花椒采摘剪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。錢稷等[19]設(shè)計(jì)了一款可調(diào)式握力高枝剪，并根據(jù)大宗果樹的生長參數(shù)，對剪刀伸縮桿結(jié)構(gòu)、伸縮調(diào)節(jié)器和剪切部件進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)和三維建模。

這類采摘裝置是一種輔助性采摘機(jī)械，在山蒼子采收中也同樣適用。普通剪刀可用于新林或1.5 m以下矮林的采收，高枝剪可以采摘較高處的枝條與果實(shí)[20]。但在實(shí)際采摘過程中，由于果實(shí)枝條的高度不等，高處枝條的剪切定位存在一定困難，并且對于高處的枝條（3 m 以上）仍需搭梯上樹才能采摘。因此這種方式在山蒼子采收中也存在一定限制。

2.2 機(jī)械振動(dòng)采收技術(shù)

振動(dòng)式收獲機(jī)械的工作原理是在不損傷果樹前提下，將激振力施加于果樹，使果實(shí)分離脫落，然后再通過收集裝置將脫離的果實(shí)收集。由于收獲效率較高，振動(dòng)式收獲機(jī)械在規(guī)模化的林果業(yè)采摘中應(yīng)用較多。機(jī)械振動(dòng)采收技術(shù)在美國、英國、德國等國家研究與應(yīng)用已較為普遍[21]，從動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建、激振參數(shù)影響、果樹振動(dòng)響應(yīng)到振動(dòng)采收機(jī)設(shè)計(jì)等均進(jìn)行了細(xì)致深入的研究與分析[22-24]。目前，像葡萄、柑橘、核桃、橄欖等用于加工或果皮較厚的果品利用這種方式均實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化收獲[25-26]。我國在振動(dòng)采收方面的相關(guān)研究起步較晚，主要針對黑加侖、銀杏、紅棗、核桃、藍(lán)莓等果品。目前常見的機(jī)械振動(dòng)采收多采用振搖、梳刷、沖擊和拍打等形式，不同振動(dòng)形式的其工作原理和特點(diǎn)如表1 所示。

表1 振動(dòng)采收原理及特點(diǎn)

在與山蒼子類似的果實(shí)，如花椒、枸杞及沙棘等果實(shí)的采收中，梳刷或振搖是最常用的2 種方式。胡明明等[37]通過對枸杞植株的模態(tài)分析，結(jié)合曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析設(shè)計(jì)出了一種振動(dòng)式枸杞采摘機(jī)，如圖1 所示。李瑞等[38]基于下樁采摘法的振動(dòng)式花椒采摘方法，通過ADAMS 軟件對花椒枝和花椒果進(jìn)行柔性體建模，設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)式花椒采摘機(jī)。張偉等[39]設(shè)計(jì)了鈣果的梳刷采摘裝置，其梳刷部件首先貼近地面，將梳齒插入枝條，然后向上運(yùn)動(dòng)將枝條扶起，由于梳齒間隙小于果實(shí)直徑且大于枝條直徑，在枝條扶起過程中，實(shí)現(xiàn)果實(shí)與枝條分離。劉磊等[40]設(shè)計(jì)了輥刷式蓖麻收獲機(jī)采摘機(jī)構(gòu)，兩輥刷等速相向旋轉(zhuǎn)，刷絲自下向上作用于蓖麻果實(shí)，使蓖麻果與莖稈分離。但以上所述裝置均為大型機(jī)械，而目前山蒼子以野生為主，分布在丘陵、荒山等地區(qū)，地形復(fù)雜，因此，這類大型采收機(jī)械難以適應(yīng)山蒼子山地采收需求。

圖1 振動(dòng)式枸杞采摘機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

在梳刷或振動(dòng)采收的便攜設(shè)備中，張文強(qiáng)等[41]設(shè)計(jì)了變間距梳刷式枸杞采收裝置，如圖2（a）所示。萬芳新等[42]設(shè)計(jì)的機(jī)械式花椒采摘機(jī)，利用撥椒輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的梳刷作用和撥椒輪與弧形凹板間相對運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的搓擦作用收獲花椒。于英杰等[43]利用梳刷式小?？Х炔烧b置中指排的轉(zhuǎn)動(dòng)完成咖啡果實(shí)采摘，如圖2（b）所示。指排在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)會拍打果實(shí)，同時(shí)枝條在指排的作用下也會產(chǎn)生一定振幅和頻率的晃動(dòng)，因此，此裝置同樣也是基于振動(dòng)與梳刷2 種方式共同作用下實(shí)現(xiàn)的采摘。這幾種裝置便攜易操作，并且均具有較好的采收效果，可為山蒼子采摘提供思路。

圖2 便攜式梳刷采摘機(jī)械示意圖

在梳刷或振動(dòng)采收過程中，梳齒或激振裝置容易損傷枝葉，并且在梳刷或振落果實(shí)的過程中容易打傷果實(shí)，或者梳落果實(shí)時(shí)造成果柄脫落的損傷。在山蒼子采收過程中，果實(shí)破損容易造成果實(shí)中芳香油的揮發(fā)，因此，將這種方式應(yīng)用于山蒼子采收時(shí)，如何避免梳刷造成果實(shí)的損傷與果柄脫落是研發(fā)的難點(diǎn)。應(yīng)深入研究果實(shí)振動(dòng)采收機(jī)理、果樹的振動(dòng)響應(yīng)特性與果實(shí)損傷規(guī)律，實(shí)現(xiàn)山蒼子高效低損的采收。另外，由于大型振動(dòng)采收機(jī)械對地形有較高要求，便攜式采收裝置在果實(shí)收集方面也存在一定困難，山蒼子在種植方面也需進(jìn)一步推進(jìn)種植環(huán)境，進(jìn)行宜機(jī)化改造，為機(jī)械化采收提供條件。

2.3 負(fù)壓吸收采摘技術(shù)

負(fù)壓吸收采摘技術(shù)是采用負(fù)壓和撕扯原理實(shí)現(xiàn)果實(shí)與果枝的分離，由于基于以此原理的采收機(jī)械通常需要可產(chǎn)生較強(qiáng)負(fù)壓的大型動(dòng)力機(jī)械，因此這種方式對地形要求較高。但目前也有一些小型負(fù)壓采收機(jī)械的設(shè)計(jì)。王峰等[44]設(shè)計(jì)了一種負(fù)壓吸收式花椒采摘機(jī)，如圖3 所示，其可不用割下枝條，較少損失地實(shí)現(xiàn)花椒籽粒采收，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡單，制造和維護(hù)成本低，需要消耗的能量也較低。李樹森等[45]將負(fù)壓技術(shù)與梳刷采收技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)出了一種氣吸梳刷式枸杞采摘機(jī)。采收過程中，風(fēng)機(jī)抽吸風(fēng)將果柄由下垂?fàn)钭優(yōu)樗綘睿偻ㄟ^梳刷工作頭轉(zhuǎn)動(dòng)將果實(shí)摘下。由于小型負(fù)壓采收機(jī)械設(shè)備吸力小，如何實(shí)現(xiàn)果柄與樹枝之間的高效分離而不損傷果實(shí)或花芽及嫩葉是其應(yīng)用難點(diǎn)。

圖3 負(fù)壓吸收式花椒采摘機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 山蒼子采收方案

3.1 山蒼子生物學(xué)特性分析

山蒼子枝條細(xì)長，分支較多；其果實(shí)接近球形，直徑約5 mm，3～5 顆簇生；果實(shí)通過果柄與枝條連接，果柄長度通常為2～4 mm。為更好分析山蒼子機(jī)械采收可行性，本文初步分析了山蒼子鮮果和枝條的物理機(jī)械特性。選擇無病蟲害、無損傷的山蒼子枝條和果實(shí)，采用直尺與游標(biāo)卡尺測量枝條的基本參數(shù)，并進(jìn)一步以不同樹齡的枝條為試驗(yàn)對象，分別從逆枝條和順枝條生長方向測量了果柄脫落所需要的力，結(jié)果如表2 所示。

表2 山蒼子枝條基本參數(shù)

3.2 高通量梳刷式山蒼子果枝分離與收集裝置設(shè)計(jì)

基于前文分析，提出了一種高通量山蒼子果枝分離與收集裝置設(shè)計(jì)方案。工人把成熟果實(shí)的枝條剪下后，再進(jìn)行集中式果枝分離，避免了在果園直接應(yīng)用振動(dòng)式大型采收機(jī)器難以適應(yīng)的問題，同時(shí)果實(shí)批量分離后，直接進(jìn)行加工，減短了破損果實(shí)存放時(shí)間，有利于實(shí)現(xiàn)山蒼子果實(shí)采收與加工的高效銜接，減少了果實(shí)中芳香油的揮發(fā)浪費(fèi)。所設(shè)計(jì)的高通量山蒼子果枝分離與收集裝置如圖4 所示，主要由夾持輸送帶、雙毛刷輥軸、果實(shí)收集箱及驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。夾持輸送帶表面有橡膠凸起可起到夾持住枝條的兩端推動(dòng)著枝條向里運(yùn)動(dòng)的作用，雙毛刷輥軸與輸送帶運(yùn)動(dòng)方向呈一定夾角安裝，以保證枝條在向里運(yùn)送過程中始終在毛刷輥筒的掃刷范圍，雙毛刷輥筒由電機(jī)帶動(dòng)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將枝條上的果實(shí)梳落，同時(shí)由毛刷滾筒正下方的收集箱收集梳落的果實(shí)。

圖4 高通量梳刷式山蒼子果枝分離與收集裝置裝配圖

基于剪枝采收后山蒼子果枝特性，枝條長度最小為91 cm，因此調(diào)整所設(shè)計(jì)裝置中夾持輸送帶左右寬度為約80 cm，以滿足絕大多數(shù)枝條的輸送需求；另外，由于枝條中底部與頂部最小直徑分別為8.22 mm 和0.85 mm，故調(diào)整夾持枝條底部和頂部間隙分別為約8 mm 和0.5 mm。在整個(gè)機(jī)構(gòu)中，毛刷輥筒質(zhì)量較大，且僅靠兩端的軸承座支撐，因此其強(qiáng)度必須滿足要求。進(jìn)一步對毛刷輥軸作靜態(tài)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。在工作過程中，毛刷輥軸主要受到電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和自身重量，因此在分析時(shí)在滾軸兩側(cè)軸上添加載荷，其中電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩為12.5 N·m，添加至一側(cè)軸的壓力為190 N，分析結(jié)果如圖5 所示。由圖可知滾筒所受最大應(yīng)力結(jié)果為34.25 MPa，而不銹鋼的屈服力為172.3 MPa，故其強(qiáng)度滿足要求。

圖5 毛刷滾軸有限元分析結(jié)果

利用通常的方法對軸承座進(jìn)行分析，軸承座底部通過螺栓螺母固定，其受力主要來自毛刷滾軸的壓力，因此在仿真過程中，添加載荷190 N,分析結(jié)果如圖6 所示。由圖可知軸承座所受最大應(yīng)力結(jié)果為297.8 kPa，而軸承座的屈服力為275.7 MPa，故所設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足要求。

圖6 軸承座有限元分析結(jié)果

4 展望與討論

山蒼子的生長環(huán)境是限制其實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采收的重要因素，應(yīng)堅(jiān)持以機(jī)適地與以地適機(jī)相向而行的原則，在設(shè)計(jì)相應(yīng)采收機(jī)械時(shí)應(yīng)注重與實(shí)際相結(jié)合。另外，山蒼子的規(guī)范化種植管理也必不可少，應(yīng)根據(jù)山蒼子的生長特性，確定種植區(qū)域，規(guī)模發(fā)展。同時(shí)進(jìn)一步完善配套設(shè)施建設(shè)，對農(nóng)田進(jìn)行宜機(jī)化改造，改善丘陵山區(qū)農(nóng)機(jī)通行作業(yè)條件，突破自然環(huán)境的限制。

山蒼子機(jī)械化采收難點(diǎn)是高效低損地收集果實(shí)。因此深入研究山蒼子枝條與果實(shí)等的生物學(xué)特性，能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)山蒼子采收機(jī)械中枝條的抓取、切割機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及材料選擇提供理論依據(jù)。目前雖然暫無對山蒼子機(jī)械采收的研究，但對花椒、枸杞等果實(shí)的采收均可為山蒼子采收機(jī)械設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。在山蒼子采收機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)充分借鑒相關(guān)的新理論與技術(shù)，并與山蒼子采收實(shí)際相結(jié)合，進(jìn)而設(shè)計(jì)出高效、安全、操作簡單的采摘機(jī)械。

在提升山蒼子生產(chǎn)機(jī)械化過程中，樹立“研、推、用”一體化思維。企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)應(yīng)開展深度合作，形成科技創(chuàng)新、技術(shù)服務(wù)、產(chǎn)業(yè)開發(fā)有機(jī)聯(lián)系的產(chǎn)學(xué)研緊密合作體系，著眼于全產(chǎn)業(yè)鏈，研發(fā)制作和推廣應(yīng)用兩手發(fā)力；并開展多渠道、多層次、多形式的農(nóng)民培訓(xùn)，提高農(nóng)民機(jī)械化操作的技術(shù)與技能水平，提高山蒼子采收機(jī)械的接受程度。