便携式枸杞采摘机的设计

雒晓兵 马淑霞 许可芳 陈江明

摘  要：笔者根据靖远县枸杞果实不同阶段熟果的特征，设计出了一种可更换采摘刀片的便携式枸杞采摘机。采摘机主要由蓄电池、电动机、齿轮箱、硅胶辊轮和集果盒等部分组成，利用硅胶辊轮相向转动时硅胶刀片间的间隙完成枸杞的采摘。研究表明：采摘头茬枸杞时采摘头选择较长的软毛刷的辊轮，最大限度的降低枸杞的损伤率，提高经济效益;采摘二茬以后的枸杞时选择柔软的硅胶辊轮，能降低枸杞的损伤率同时提高采摘机的使用寿命;采摘枸杞与果柄的结合力大的枸杞时，选择软橡胶制成的辊轮可提高采摘效率。这种枸杞采摘机不仅可以提高采摘效率，而且还能够降低枸杞的破损率。

关键词：枸杞  采摘技术  辊轮  采摘机

中图分类号：S225. 93                         文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）10（c）-0055-03

Abstract： In this paper， the characteristics of different stages of fruit ripening of Chinese wolfberry in Jingyuan County were studied， and a portable picking machine with replaceable picking blades was designed. The picking machine consists of a battery， a motor， a gear box， a roller with soft silica and a fruit collecting box.It can pick Chinese wolfberry by the clearance between the Silica Gel Blade when the Silica Gel roller rotates in the opposite direction. The results show that the roller with longer soft bristles can reduce the damage rate of Chinese wolfberry and increase the economic benefit; and the roller with Soft Silica can be used to pick chinese wolfberry after the second harvest， to reduce the damage rate of Chinese wolfberry and improve the service life of picking machine; picking Chinese wolfberry which has strong binding force with fruit handle， the selection of soft rubber made of roller is selected to improve the picking efficiency. The picking machine can not only improve the picking efficiency， but also reduce the damage rate of Chinese wolfberry.

Key Words： Chinese wolfberry; Picking technology; Roller; Picking machine

枸杞果实为浆果、果皮薄、含水量大，在采摘过程中很容易损伤，因此枸杞采摘一直以来主要以人力为主，劳动强度大，用工量多，采摘成本非常高。随着国际市场和国内市场对枸杞需求的日益增长，在我国青海、甘肃、宁夏、新疆等地区，种植面积大幅扩大，枸杞产量不断上升。甘肃枸杞主要集中在白银、酒泉、武威、金昌、张掖5市，其中白银靖远县、酒泉瓜州县、武威三个地方种植面积占全省90%以上[1-2]。2019年甘肃靖远县枸杞的种植面积约为27.2万亩，产量也达到了5.69万t，枸杞鲜果约28450万kg。人工采摘枸杞的效率仅为3～5kg/h，人工费用高达3元/kg，约占生产成本的50%以上，枸杞一年的盛果期按6茬计算，每茬周期7d，一亩枸杞1d摘完需要15个人，每年至少需要10.8万枸杞采摘劳务工。这里面的采摘工包括农户自己家庭的成员，同时要求所有采摘工连续工作两个月，考虑诸多因素枸杞采摘人员的需求量将达到15万人。随着枸杞产业的发展，用工规模还将进一步扩大，今后枸杞采摘工紧缺、采摘费用高成为制约靖远枸杞产业发展的重要因素[3]。

21世纪初，国内就对枸杞采摘机械进行了研究。目前，枸杞采摘机有自走式和便携式两种，自走式枸杞采摘机具能够进行连续采摘作业的能力，由于枸杞树枝条重叠，交错复杂，不易采用大型采摘机作业。我国研制的便携式枸杞采摘机，主要有振动式、梳刷式、剪切式和气流式几种类型。振动式枸杞采摘机采摘时因枸杞枝条受到持续激振力的作用，很容易造成对挂果枝条的伤害，影响果树生长，采摘操作繁琐、采摘效率低、果实损伤率大等缺点。梳刷式枸杞采摘机不能使成熟枸杞完全脱落，采净率较低，在采摘过程中需要人工辅助，采摘效率不高。剪切式枸杞采摘机采摘时需人工辅助操作，采摘效率低，很容易将成熟枸杞剪破，而且采摘时将未成熟枸杞、花朵、叶片、枝条茎秆剪切下来或割伤，影响枸杞后续生长和总产量。气流式枸杞采摘机在工作时需要消耗的能量较大，噪音较大，且气流的大小和速度不好控制，难以持续提供稳定的使成熟枸杞脱落的气压。以上这几种枸杞采摘机采摘效果均不理想，主要存在采摘效率低、果实损伤率大和成本较高的问题。目前市面上枸杞采摘機的采摘效果均不理想，传统种植的枸杞树，因枸杞长势无规律，不适合大型机械采摘，设计一种采摘效果好、损伤率低的便携式采摘机很有必要[4-7]。

1  枸杞采摘机设计技术要求

设计枸杞采摘机时可根据不同的工作环境、不同成熟度、不同果型和不同结合力的果实，灵活改变采摘装置，同时考虑枸杞的生长特性及枸杞在枝条上的分布情况，提高采摘机的采净率。靖远县枸杞每年的第一茬枸杞纵径可达20mm，二茬以后枸杞纵径也在18mm左右，枸杞与果柄结合力的大小会随环境中的各种因素变化而变化，应通过试验选择合适的采摘机械与采摘原理，提高成熟枸杞鲜果的采收效率和质量。在采摘成熟枸杞的同时，应该减少因碰撞和挤压使果实破裂流出果汁，否则果实晒干后就会发黑，造成枸杞干果品质下降，造成经济损失，还应减少采摘机在工作时对未成熟枸杞、花朵、叶片、枝条带来一定程度的损伤。对枸杞的成熟果实、青果、花蕾与果柄的结合力进行测量和计算，枸杞果实成熟时，枸杞与果柄之间的结合力呈递减趋势，果实成熟度越高结合力越弱，青果的结合力在3N左右，而八成熟的果实结合力在0.6～1N之间。在采摘周期末期，果实的结合力也变弱，熟果的结合力在0.5N左右。为了降低采摘刀片对枸杞的损伤，提高采摘质量，可选用硅胶材料制作刀片，其硬度在30-90邵氏硬度，硅胶硬度随着温度的变化不明显，且使用寿命较长，可使采摘机的的性能更加稳定。

2  枸杞采摘机设计

2.1 整机结构与原理

枸杞采摘机的动力由铅酸电池提供，在采摘时可将铅酸电池置于背包中背到背上，手柄内的电动机带动两硅胶辊轮作相向运动，利用硅胶刀片之间的间隙完成枸杞果实的采摘，摘下的枸杞果实掉落在集果盒里，鲜果装满时即可打开集果盒端部仓門倒出枸杞鲜果，继续采摘，其整机结构如图1所示。

2.2 集果盒设计

集果盒起着支撑固定采摘辊轮、储存果实的作用。集果盒整体为圆柱形，上面的挡板可拆卸，圆柱形的一端设置活动仓门，方便倒出收集到的果实，另一端安装手柄，手柄内安装电动机。

2.3 采摘辊轮设计

根据不同成熟度的枸杞鲜果，设计了三种不同材质的采摘辊轮，可根据不同的工作环境、不同成熟度、 不同果型和不同结合力的果实灵活选择。两个硅胶辊轮上有整齐分布的的硅胶刀片，通过硅胶刀片之间的间隙完成鲜果的采摘。采摘辊轮可以设计为硅胶片制成采摘刀片的硅胶辊轮、柔软的棕毛制成的毛刷辊轮和细橡胶棒制成的橡胶辊轮，可根据枸杞鲜果的不同类型更换辊轮刀片，硅胶辊轮和橡胶辊轮如图2所示。

2.4 蓄电池与电动机的选择

这里选用铅酸蓄电池给电动机供电，它的容量为：+12 V、15Ah。它的外形尺寸：长为 151mm、宽为 64mm、高为 99mm、重量约为 2.6kg。这种蓄电池质量轻、便于携带、可靠性高、使用寿命长、维护成本低。电动机选择12V直流无刷减速电机，结构紧揍、体积小、寿命长、效率高、噪声低、维修方便。按蓄电池容量的70%计算，根据蓄电池容量（Ah）和直流电机电流（A），计算实际的工作时间约为12h，这样可以保证1个工作日电量。

3  试验

根据设计要求试制了枸杞采摘样机，在甘肃靖远枸杞试验田进行了验证性试验。从试验的结果来看，枸杞采摘机采摘的速度是人工采摘的1.5倍，枸杞的破损率不到5%，此次试验验证了枸杞采摘机设计方案是可行的，枸杞的损伤率也能达到要求，从采摘效率来看，还需要对硅胶辊轮和硅胶刀片等重要部分进行优化设计，这次试验为最终的样机试制提供了重要的数据。

4  结语

便携式枸杞采摘机利用辊轮采摘装置，根据枸杞熟果的不同类型选用毛刷辊轮、硅胶辊轮和橡胶辊轮制成的三种采摘刀片，利用采摘刀片之间的间隙完成枸杞果实的采摘。本枸杞采摘机携带方便，成本低，体积小，重量轻，收集简单，方便灵活，果实损伤率低，提高了工作效率。

参考文献

[1] 马嘉伟.我国枸杞机械化采摘技术的现状及发展趋势[J].机械研究与应用，2017，30（4）：151-153，155.

[2] 丁雷鸣.基于双目视觉的枸杞采摘机器人系统设计与研究[D].合肥：合肥工业大学，2019.

[3] 杨晓民，王彦，刘继德.白银市枸杞产业发展现状[J].农业开发与装备，2018（3）：2，12.

[4] 胡明明.振动式枸杞采摘机虚拟样机设计[D].兰州：甘肃农业大学，2018.

[5] 赵映，肖宏儒，王新江，等.基于标准化种植模式下4GQB-3300枸杞采摘机设计与脱果试验[J].中国农机化学报，2019，40（6）：43-51.

[6] 胡明明，万芳新，杜小龙，等.振动式枸杞采摘机设计[J].中国农机化学报，2018，39（7）：25-29.

[7] 石志刚，肖宏儒，万如，等.枸杞采摘机研究进展[J].农业科技与装备，2016（5）：53-56.