机械振动式沙棘采收机的改进

摘要：为提高机械振动式沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）采收机的可靠性和作业效率，改善其可操控性和作业效果，对采收机的振动头改进设计，在振动头和轴管间增设棘轮调节机构，将轴管由壁厚为2.0 mm的铝合金改为壁厚为2.5 mm的不锈钢管，并将轴管长度缩短33.3%，设计出新型对接式果实收集装置。试验结果表明，改进后的机械振动式沙棘采收机的可操作性、作业稳定性和可靠性得到显著提高，作业效率、采净率较改进前分别提高35%和3%以上，果实损失率降为原来的近50%。

关键词：沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）；采收；收集装置；试验

中图分类号：S793.6 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）10-2649-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.10.050

Abstract： In order to improve the reliability，controllability and working efficiency，the mechanical vibratory sea buckthorn picker has been modified. Ratchet mechanism was set up between vibration head and shaft-tube. Stainless steel pipe whose wallthickness is 2.5 mm was used to instead of aluminium alloy whose wallthickness is 2.0 mm，and the shaft-tube has been shoetened 33.3%. A new kind of fruit collection device has been designed. Tests showed that the mechanical vibratory sea buckthorn picker which has been modified had better controllability and reliability. Its working efficiency has been improved 35%， fruit recovery ratio improved 3%， and fruit loss rate dropped to 50%.

Key words： Hippophae rhamnoides Linn.； picking； collection device；test

沙棘（Hippophae rhamnoides Linn.）是一种生命力极强的灌木，具有很强的防风固沙、水土保持作用，果实富含多种人体所需的营养成分，具有较高的食用和药用价值[1-3]。随着沙棘种植规模的持续扩大及沙棘果在医药、食品、化妆品等领域的应用，逐步形成了符合绿色产业、绿色食品要求的新兴产业[4，5]。沙棘果簇生于带刺的沙棘枝干上，具有很强的附着力，其果实采摘多年来一直是十分棘手的难题[6]。通过对沙棘果多种采收方式的研究与对比，设计出机械振动式沙棘采收机，以缓解沙棘机械采收困难的问题。在连续作业过程中，机械振动式沙棘采收机显现出可靠性和作业效率低、可操作性和作业效果较差等问题。基于此，本研究对其主要作业部件进行优化改进，并设计出与该类型采收机匹配的对接式沙棘果实收集装置，使机具可操作性、作业稳定性及综合作业性能得到显著提高。

1 结构组成及工作原理

改进后的机械振动式沙棘采收机主要由振动头、机体、曲柄滑块机构、齿轮副、棘轮机构、轴管、花键轴、汽油机等零部件组成，如图1所示。作业时，汽油机直接驱动花键轴，花键轴带动传动罩内的齿轮副，齿轮副改变花键轴的旋转面方向并驱动曲柄滑块机构的曲柄，曲柄滑块将圆周运动转化为滑块的往复运动，沙棘枝杆上的振动头随之作共频往复运动，从而振落沙棘果实，实现沙棘果实的机械振动采收，振落后的沙棘果被围在沙棘枝干周围的收集装置收集。

2 关键作业部件的改进设计

2.1 振动头的改进设计

振动头是与沙棘枝干直接接触的作业部件，作业过程中高频往复运动，承受较大的冲击载荷。原有夹持振动头主要由内杆、外套杆、回位弹簧、钢丝绳和上、下夹持头组成，通过钢丝绳可以对上、下夹持头间的距离进行调整，以适应对不同直径枝干的夹持，且上、下夹持头间的预紧力可以通过回位弹簧进行调整[7]。在使用过程中，用户常将上、下夹持头的间距固定，回位弹簧在机具作业时易卸荷，导致机具抖动、果实采收不理想，于是将回位弹簧压紧，使其弹性功能基本丧失。基于此，对振动头的结构进行优化改进，将夹持头改为固定结构，主要由卡头、连接杆等组成，如图2所示。盛果期的沙棘枝干直径多在15～35 mm间，将夹持头间距确定为40 mm，满足沙棘果实采收的需要。

2.2 振动头调节部件的改进设计

沙棘属灌木，枝干附生，再加上沙棘产业为新兴产业，在沙棘种植区主要是利用其生态效益，而其经济价值尚未引起足够的重视，对沙棘林的管理不规范，沙棘林间杂草丛生。原有的沙棘采收机振动头设置在轴管上，振动头的倾角不能调整，难以更好适应不同操作人员的作业习惯，作业过程中普遍显现出其可操控性和作业舒适性差。基于此，在振动头与轴管间加装棘轮调节部件，该部件主要由棘轮、调节手柄等组成，如图3所示。棘轮调节部件一端连接轴管，另一端连接振动头，根据操作者身高、操作习惯及沙棘林实际情况，可对振动头的作业角度进行调节，以提高其操控性和作业效果。试验表明，操作人员更倾向于将振动头倾斜一角度进行作业。

2.3 轴管的改进设计

轴管是连接动力源和振动头的关键部件，其稳定可靠是保证整机作业性能的关键。为减轻机具重量，原机轴管采用壁厚为2.0 mm的非标铝合金管材，作业过程中普遍存在固定振动头的螺栓将轴管拉豁的现象。针对此问题，对轴管进行改进，将轴管的材料更换为2.5 mm厚的国标不锈钢管，同时将轴管的长度由之前的1.5 m改为1.0 m，改进后整机重量基本不变，但其整体长度得到缩减，在沙棘林里可以更加便捷进行采收作业。轴管改进后操作人员的持续作业时间和劳动强度得到明显改善，作业效果得到提高，整个采收作业期未发现有轴管被固定螺栓拉豁的现象。

2.4 果实收集装置的改进设计

果实收集是确保沙棘机械化有效采收的关键环节，原有收集装置主要由收集篷布、收集袋、支架、骨架、粘扣带、吊耳等零部件组成[7]，进行沙棘采收前先对沙棘树进行围网，由于沙棘枝干杂生，围网困难，且难以达到理想的围网效果，围网却消耗沙棘采收一半以上的时间，极大制约着沙棘机械化采收的效率。基于此，设计了对接式沙棘果实收集装置，该装置主要由支撑轮、机架、收集箱、支杆、滤网等组成，如图4所示。作业时，两个收集装置成对使用，分别从两侧对接在待采收的沙棘枝干周围，沙棘果实沿滤网落入收集箱内，待收集箱集满到一定程度后，将其取出，把收集箱内的沙棘果实倒入转运容器内，完成沙棘果实的一轮收集。试验结果表明，改进后的沙棘收集装置可将围网时间压缩为原来的1/3，大幅提高围网效率和作业效率，同时，围网效果明显提高，果实的损失率降低了50%。

3 验证试验

3.1 试验方法及试验条件

为全面检测改进的机械振动式沙棘采收机的作业性能，依据企业标准《Q/XJZ 01-2012手持振动式沙棘采收机》，在新疆阿勒泰地区青河县的沙棘种植基进行田间试验，沙棘树种选择较适合机械振动采收的楚伊和向阳2个品种，重点测试改进前后机具的果实采净率、作业效率、损失率等性能指标。

机具在正常工作状态进行收获作业，作业对象均为首次采收的沙棘林，连续作业时间为1 h，每个品种测试3组数据，取其平均值。

3.2 试验分析

改进前后机具的果实采净率、作业效率、损失率结果见表1。由表1可以看出，机械振动式沙棘采收机在改进前已达到较高的采净率，再加上改进前后机具的工作原理未做改变，通过改变振动头的结构，将采净率提高3个百分点以上。果实收集装置改进后，大幅缩减围网时间，同时改进后的机械振动式沙棘采收机结构更紧凑，其操控性和作业舒适性均得到明显改善，机具作业效率也得到显著提高，对楚伊和向阳两种较适合机械采收的沙棘品种的作业效率均提高35%以上。采用改进后的沙棘果实收集装置可以更好从四周包围需要采收的沙棘枝干，将损失率降低了50%左右，有效降低沙棘果实从枝干振落后的损失率。

4 结论

1）振动头采用固定夹持结构，取消限位弹簧，机具作业过程中因共振产生的抖动现象得以消除，解决振动头设计的缺陷，提高其可靠性和作业稳定性，采净率也有所提高。

2）采用振动头可调节的机构设计，有效改善机具对不同操控人员的适应性和作业舒适性，机具人性化设计得到充分体现，有效保证操作人员进行快速高效采收作业。

3）机具轴管采用缩短的不锈钢管材后，有效解决沙棘林带中操作不便的问题，其作业稳定性和可靠性得到显著提高。

4）改进设计的对接式沙棘果实收集装置更能适应沙棘林的生长特点，达到快速围网、高效收集的目的，显著提高沙棘机械化采收的作业效率，为推广振动式沙棘采收机械奠定基础。

参考文献：

[1] 李 敏.沙棘在中国西部发展中的地位和作用[J].沙棘，2002， 15（3）：1-4.

[2] 周张章，周才琼，阚健全.沙棘的化学成分及保健作用研究进展[J].粮食与食品工业，2005，12（2）：15-18.

[3] 傅建熙，孔东宁，陈 静.利用资源优势加快发展沙棘产业[J].国际沙棘研究与开发，2007，5（4）：21-24.

[4] 张 军.浅析我国沙棘产业化开发的瓶颈与对策[J].国际沙棘研究与开发，2007，5（2）：14-18.

[5] 徐永昶.对我国当前沙棘研究与开发的几点设想[J].沙棘，2004，17（4）：34-35.

[6] 慕厚春，杨浩生，梁建平.拨簧-吸送式沙棘果实采收机的研制[J].林业机械与木工设备，2012，40（1）：30-32.

[7] 王 敏，曹肆林，何义川，等.机械振动式沙棘采收机的试验研究[J].农机化研究，2013，35（9）：109-111.

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