一种金银花采摘机械的设计*

高 姗

（甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006）

金银花的花蕾上部膨大略带乳白色、下部青绿含苞待放时是采摘的最佳时间。金银花的采集工作量比较大，对采收时间有严格的要求，若是过早采摘会影响产量，过晚采摘则会降低其药用价值。传统的人工采摘方式效率低、耗时费力，由于采摘时间长往往导致金银花质量与价值下降。目前市场上的采摘机原理基本相同，通过电机驱动辊轴转动从而实现金银花花蕊的采集，但是采摘机结构设计及其传动系统有待改进，如采摘过程中容易卡死、出现故障、可靠性差等，极大地增加了人工采摘过程中的工作负担。因此，需要设计一种可提高采摘效率、降低采摘人工成本、有效保证金银花采摘产量和品质的金银花采摘装置。

1 研究背景

金银花正名忍冬，全草可以入药[1]，其中金银花蕾药用价值较高[2]。目前，在我国很多地区都广泛种植金银花。金银花的采摘效率备受广大种植户关注。金银花有一定的生长周期，在对金银花进行采摘时，需要选择在适宜的时间进行采摘[3]。金银花以花蕾为主，开花时间集中，应及时分批采摘，一般在5 月中、下旬采第一次花，6 月中、下旬采第二次花[4]。蕾期1 周左右，花蕾上部膨胀，由绿变白，尚未开放，在晴天早晨露水刚干时以最快的速度采摘，质量最佳[5]。不同时间采摘的金银花质量会呈现一定差异，具体情况如表1所示。

表1 不同时间采摘的金银花质量参数统计比较

目前，金银花采摘通常是人工采摘[6-8]，具体操作是由采摘人员将手伸入金银花丛林中，再用两个手指握住花柄，轻微一用力，即将花柄折断，将金银花采摘下。然而，此种方式只能一朵一朵地采摘，效率低，且采摘人员的手指长时间重复相同的动作，对手伤害较大；另外，金银花的花柄较脆，采摘人员的手伸入金银花丛林中，容易将金银花折断，折断后的金银花掉落至泥土中，无法利用，而且金银花内的花蕊在手的碰撞和抖动中容易掉落至泥土中，造成浪费[9]。传统的人工采摘方式效率较低，采摘质量不佳，容易错过最佳的采摘期。

2 采摘机整机设计

本研究所设计的是一种新型花叶兼收型金银花采摘机，采摘机总体结构由风机、铁板、从动轮、铁网、软管孔等组成，金银花采摘设备结构如图1 所示。设计该采摘设备时，综合考虑到了金银花采摘过程中花、叶的不同特点。采摘过程中在风机的吸引力作用下，花与叶会被吸入到铁网之中。之后，铁网在主动轮、从动轮的转动作用下发生转动，原本吸附在铁网上的花、叶也会随之发生运动。在铁网转动过程中，花、叶在达到最高点时会自动掉落。考虑到金银花的枝叶直径大于花朵，因此花朵可以通过采摘设备铁网的孔洞掉落到下方的收纳盒中[10]。采摘设备的正常运行需要电机和风机连接蓄电池，通过蓄电池导电，电机与风机同时转动，风机转动将机体内的空气排空。设计采摘设备中的铁网时，考虑到金银花实际采摘的情况和需求，对铁网摆放角度进行合理设计，将铁网以45°倾斜方式予以摆放。通过这种设计，在采摘机运行过程中，不需要的金银花叶片会随着采摘机内部铁网的不断旋转不断掉落，采摘人员可以在采摘机的尾端对掉落的金银花叶片进行收集。

图1 金银花采摘设备结构

2.1 采摘头设计

设计采摘头时，考虑到实际采摘需求，对采摘头尺寸大小进行相应设计，总体设计为长方体，如图2 所示。其中，长度设定为150 mm，宽度设定为100 mm，高度设定为100 mm。对采摘头的正面进行了凿空设计，下方100 mm 边线安装若干刀片，每个刀片的长度设置为30 mm，不同刀片间的距离控制在10 mm。在采摘头的背面打孔，在左右两端分别打孔，左右两孔间的距离控制在90 mm。将两孔打通，以满足手柄在两孔间水平运动的需求。在设备的手柄前端安装刀架，刀架前方安装若干刀片，不同刀片间距离设置为10 mm。在采摘头的底座上安装长方形的收纳盒，长度为300 mm、宽度为100 mm。

图2 采摘头设计

2.2 滚筒设计

滚筒设计为圆柱体，直径为750 mm，高度设计为1 000 mm，长度设计为1 200 mm。该滚筒主要由铁圈、铁板以及铁网等组成，网格结构简练、美观，表面采取热镀锌进行了处理，以确保整个滚筒的耐用度。为满足金银花采摘的需求，还对滚筒的孔距进行了相应设计。在实际生产实践中发现，金银花的花蕊总体为棒状，总长度为20 mm～30 mm，整体形状略微弯曲。同时，金银花的花蕊具有上端粗、下端细的特点，上部直径在3 mm 左右，下部直径在1.5 mm 左右。在该采摘设备中，滚筒的孔距设计了20 mm、25 mm、30 mm三种尺寸规格，以确保采摘过程中金银花的花蕊能够在不损坏的情况下，穿过铁网到达机器下方的收纳盒。在采摘过程中，可以先将滚筒的孔距设置为30 mm，如果通过实验发现收纳盒中有枝叶，则可逐步缩小孔距，改用25 mm或20 mm孔距的铁网，以提高采摘机的采收质量。

2.3 采摘机动力系统设计

1）风机选型。风机选用24 V直流风机，如图3所示。风扇选用铝框、塑料叶的材质，采用耐用双滚珠轴承，轴承为金属球体，具有使用寿命长、可保持长时间稳定工作等特点，有利于确保金银花采摘工作的顺利、高效开展。风扇的外框采用全铝金属外框，具有耐压、耐磨、耐摔、耐高温的特点，外框既光滑又不易掉漆。

2）电机选型。电机采用的是直流减速电机，电机转速为10 r/min～600 r/min，电机齿轮箱长度设置为36 mm，功率设定为40 W。该电机内部是全金属齿轮构造，防锈性强；转子部分采用纯铜线绕组，可以降低电机温度，更加耐用，采用扇形磁铁，让电机力矩更大。电机外部采用D 字型出轴，更加方便安装，节省时间。

3）调速器选型。调速器选择使用直流电机调速器，长度为92 mm，宽度为6 mm，高度为52 mm，输入电压为24 V。在输出电压方面，设置为负载下线性。在材质方面，调速器整体材质为铝合金，在调速器的表面设置不同颜色的电线。其中红色电线接正极，黑色电线接负极，绿色和蓝色电线均与直流电机直接进行连接。借助不同的电线连接，按照实际采摘需求应用该调速器，在其正常工作情况下，可以通过对调速器方向的调节，控制电机转速。

图3 24 V直流风机

3 采摘机采摘实验

1）实验地点。实验选择在武威市某金银花种植基地开展。近年来，该地区的金银花种植量不断增加，收获效率问题成为影响当地种植户生产效益的重要因素之一。

2）实验方式。实验过程中选择一定面积的金银花，分别采用人工采摘方式与本采摘设备完成采摘任务。对于不同采摘方式下的采摘情况进行观察、统计和比较，分析不同采摘方式的采摘效率与采摘质量。

3）实验结果。采摘过程中，设备机体内部的真空性强、风机吸力大。在对金银花进行采摘时，花、叶均可以顺利、快速被吸到设备内部。金银花可以顺利掉落到收纳盒中，实现对金银花的快速、高质量采摘。本设备采摘效率明显高于人工采摘方式，同时，采摘质量也明显高于人工采摘方式。本研究所设计的金银花采摘设备应用效果良好，可获得较好的采摘效果。

4 结语

金银花种植户以往使用人工采摘方式，劳动量大、劳动强度高、采摘效率低，同时增加了金银花的种植成本。该金银花采摘设备的机体真空性强、风机吸力大，在采摘金银花时，花、叶均可以顺利、快速被吸到设备内部，之后，金银花可以顺利掉落到收纳盒中，从而实现对金银花的快速、高质量采摘，设备运行稳定，采摘效率远高于人工。