核桃采摘收集裝置的結(jié)構(gòu)及特點,農(nóng)業(yè)機(jī)械化論文

核桃采摘收集裝置的結(jié)構(gòu)及特點,農(nóng)業(yè)機(jī)械化論文核桃良好的健腦效果和豐富的營養(yǎng)價值，越來越遭到人們的喜歡。當(dāng)前，我們國家核桃的種植面積已居世界第一［1］，新疆作為我們國家核桃的主要產(chǎn)區(qū)之一，優(yōu)質(zhì)核桃種植面積已達(dá)28萬hm2［2］，但其采收基本依靠人工，采收環(huán)節(jié)占果園生產(chǎn)經(jīng)過中用工量的50%左右［3］。人工采收費時費力、成本高，且不及時采收會增加核桃霉菌感染的時機(jī)，影響核桃的品質(zhì)［4］，因此機(jī)械化采收是核桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。核桃機(jī)械化采收裝置主要分為兩類:采摘裝置和采摘收集裝置。我們國家核桃的機(jī)械化采摘主要應(yīng)用采摘裝置，其形式有便攜式堅果采摘器、振搖式干堅果收獲機(jī)［5］、蜈蚣型采摘踏板［6］、爬樹式山核桃采摘機(jī)器人，以及核桃采摘升降平臺等。華而不實，振搖法是應(yīng)用最多的采摘方式方法。核桃采收機(jī)械的研究在我們國家仍處于起步階段，尚未見成熟的實用機(jī)具報道［7］。國外在核桃采收方面已基本實現(xiàn)機(jī)械化。1核桃采摘裝置的構(gòu)造及特點分析1．1便攜式核桃采摘器王傳紀(jì)發(fā)明了便攜式堅果采摘器，包括操縱桿、飛輪、螺紋桿件和電機(jī)等。采摘時，電機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪帶動空心棒槌旋轉(zhuǎn);設(shè)置在棒槌面的凸起在高速旋轉(zhuǎn)下與樹枝上的核桃發(fā)生碰撞，能使成熟的核桃從樹枝上掉落下來［8］。該裝置構(gòu)造簡單、操作便利，但該裝置采摘效率低，且采摘后需要人工進(jìn)行收集。姚文斌等研制的便攜式振動山核桃采摘裝置［9］，以汽油機(jī)作為動力源，以采摘桿、采摘夾頭作為采摘部件，采用振動機(jī)構(gòu)，通過傳動軸傳動。作業(yè)時，小型汽油機(jī)輸出的動力通過鋼絲軟軸與傳動軸傳至振動機(jī)構(gòu)，進(jìn)而帶動振動機(jī)構(gòu)工作;當(dāng)慣性力大于山核桃與樹枝的結(jié)合力時，樹枝上的山核桃振落下來。其具有易于攜帶、體積小［10］、成本低等優(yōu)點，但采摘后需要人工進(jìn)行收集。1．2核桃采摘機(jī)器人東北林業(yè)大學(xué)研制了林木球果采摘機(jī)器人［10］(見圖1)，采摘機(jī)構(gòu)為6自由度的機(jī)械手，機(jī)械手采用液壓驅(qū)動、單片機(jī)控制。作業(yè)時，機(jī)器人距離母樹約3～5m，然后機(jī)械手升起到達(dá)一定高度，采摘爪張開并擺動，對準(zhǔn)要采集的樹枝，大小臂同時運動，使采摘爪沿著樹枝生長方向趨近;然后采摘爪的梳齒夾攏果枝，大小臂帶動采集爪按原路向后返回，梳下枝上的球果，完成一次采摘。該機(jī)器人可進(jìn)行核桃的采摘。浙江工業(yè)大學(xué)研制出了爬樹式山核桃采摘機(jī)器人(見圖2)，包括爬樹機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂和末端執(zhí)行裝置［12］。采摘時，啟動執(zhí)行電機(jī)，電機(jī)帶動曲柄轉(zhuǎn)動，通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)使剪刀固定于直線導(dǎo)軌滑塊上的刀片向前推進(jìn)，剪刀的活動部分在剪刀轉(zhuǎn)動副和滑塊滑道的約束下，先以一定角度向前推進(jìn);在果梗進(jìn)入剪取范圍時，閉合剪刀，剪下山核桃，完成采摘。采摘機(jī)器人可降低勞動強(qiáng)度、提高采摘效率［13］，但采摘機(jī)器人研制成本高，設(shè)備的使用和維護(hù)都需要相當(dāng)高的技術(shù)水平和費用［14］;且存在技術(shù)不成熟、適應(yīng)性差、利用率不高［15］，以及果實的辨別率和采摘率不高，損傷率較高等問題［16］。1．3撞擊式和振動式采摘機(jī)撞擊式采摘機(jī)包括機(jī)械或電磁鼓勵裝置、撞擊器(見圖3)等。撞擊器包括撞擊桿、保持架、主活塞、蓄能器、汽缸、流量閥及C形夾鉗，通過機(jī)械或電磁式竭力裝置產(chǎn)生的振動，來使果實快速脫離果樹，進(jìn)而減少果實在連續(xù)振動經(jīng)過中產(chǎn)生的損傷。撞擊式采摘機(jī)適用于不宜使用樹干搖振機(jī)采收的老弱果樹。振動式核桃采摘機(jī)的原理是通過一定形式的振動機(jī)構(gòu)，將機(jī)械振動傳遞給樹干或樹冠，樹干或樹冠在接受了外加的強(qiáng)迫振動后，帶動枝干上的核桃振動，核桃同時遭到慣性力的作用;當(dāng)慣性力大于果實與樹枝的結(jié)合力時，果實在連接最弱處與植株斷裂，完成分離經(jīng)過［17］。新疆農(nóng)墾科學(xué)院研究出了機(jī)械振動式林果采摘機(jī)(見圖4)，能夠采摘核桃［7］，包括機(jī)架、振搖裝置和液壓控制系統(tǒng);果樹振搖裝置(見圖5)位于機(jī)架后部［18］。采摘時，鉗式振動頭夾持樹干，以拖拉機(jī)后輸入軸作為動力源，驅(qū)動振動頭內(nèi)置的偏心輪回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)推搖果樹使核桃振落［19］。該機(jī)構(gòu)造緊湊輕巧，適宜在操作空間較大的稀疏果園收獲作業(yè)［20］，采果效率高、易于操作，振動頻率和速度可調(diào)，但采收后需要靠人工進(jìn)行收集。1．4核桃采摘升降平臺果園采摘平臺是一種能夠通過移動作業(yè)來實現(xiàn)果實采摘的半自動化的工作平臺［21］。1992年，浙江金華農(nóng)機(jī)所研究了由拖拉機(jī)操作的用于采摘果實的升降機(jī)，上升高度可達(dá)7m［22］。2007年，新疆機(jī)械研究院研制了LG－1型多功能果園作業(yè)機(jī)(見圖6)［23］，可進(jìn)行果園核桃采摘，該機(jī)由行走底盤、空氣壓縮機(jī)、儲氣系統(tǒng)及升降機(jī)構(gòu)組成。該機(jī)工作原理為壓縮氣體通過閥口進(jìn)入氣缸中，使升降臂展開，升降支架帶動車廂升高，人與工具箱在車廂同時升高，完成核桃采摘。該機(jī)還具有修剪、噴藥、運輸及動力發(fā)電等功能。核桃采摘平臺該作業(yè)平臺一定程度上提高了核桃采收的效率;但升降機(jī)高度限制了較高結(jié)果位置處果實的采摘，進(jìn)而限制了核桃采摘的效率。1．5核桃打落裝置吳鋒祥發(fā)明了山核桃打落裝置(見圖7)［24］，包括電力提供裝置、伸縮桿及旋轉(zhuǎn)桿。伸縮桿包括最外層的底桿和位于底桿內(nèi)部的若干中間桿，最內(nèi)層的中間桿上端部位設(shè)有電機(jī)，電機(jī)上裝有轉(zhuǎn)盤，旋轉(zhuǎn)桿垂直或傾斜地裝在轉(zhuǎn)盤的盤幅上。旋轉(zhuǎn)桿垂直或傾斜裝在盤幅上，偏心于轉(zhuǎn)盤中心安裝，作業(yè)時構(gòu)成一個錐體擊打范圍，沿掛果側(cè)向或豎直方向進(jìn)行施力擊打，保證被了擊打的果實均能擊落。該裝置構(gòu)造設(shè)計合理、輕便、易操作，合適再樹枝、梢樹中穿梭作業(yè)。2核桃采摘收集裝置的構(gòu)造及特點2．1便攜式核桃采摘收集裝置于中權(quán)改良了便攜式堅果采摘器［25］(見圖8)，包括采摘頭、采摘桿、蓄電池、背帶和輸送管。采摘時，通過蓄電池提供電力實現(xiàn)葉輪的快速轉(zhuǎn)動，進(jìn)行核桃的采摘作業(yè)。該裝置構(gòu)造簡單、體積小、易攜帶，合適于車輛機(jī)械無法進(jìn)入的山高、坡陡的地區(qū)。同時，設(shè)計出輸送管避免了核桃采摘后的人工收集，降低了人工收集的勞動強(qiáng)度;但該裝置采摘效率低，不合適大面積作業(yè)。陜西科技大學(xué)研制出了便捷式核桃采摘機(jī)［26］，采摘設(shè)備為手持式振動落果機(jī)，包括汽油發(fā)動機(jī)和伸縮桿。振搖采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，偏心部分的構(gòu)造為半圓柱型偏心塊［27］，伸縮桿中有軟軸用來傳遞動力。作業(yè)時，由汽油機(jī)帶動曲柄連桿機(jī)構(gòu)使伸縮桿及頂端的鏈?zhǔn)娇l做低頻振動，卡條卡住枝枝，帶動樹枝搖擺，使成熟的核桃掉落下來;再配套收集裝置，振落的核桃就落入收集器中。該機(jī)實現(xiàn)了振動采摘，降低了勞動強(qiáng)度，減少了采摘作業(yè)量，但需人工背負(fù)操作。2．2撞擊式和搖振式采摘收集裝置振動落果機(jī)可與傘狀收集機(jī)配套使用(見圖9)，完成核桃的采摘收集［17］。傘狀收集機(jī)的傘面由軟質(zhì)織物構(gòu)成，平?？墒掌穑瑐忝嫠貌牧蠟榭拐坌?、透氣性和耐磨性較好的帆布、海綿和尼龍等。作業(yè)時，其傘狀頂端環(huán)繞樹干呈環(huán)狀打開，振動落果機(jī)將核桃振下，振落的核桃掉入底部的收納容器中，完成核桃的收集。倒傘支架由鋼筋加工而成，構(gòu)造簡單、操作方便、高度可調(diào)，采摘完后不需要進(jìn)行人工收集，但傘狀收集裝置的容量限制了采摘效率。美國、加拿大和澳大利亞生產(chǎn)的振動落果機(jī)、清掃集條機(jī)(見圖10)和撿拾清選機(jī)(見圖11)可用于核桃的收獲。振動落果機(jī)的夾頭(見圖12)包括:液壓油缸、液壓馬達(dá)、橡膠塊等。夾頭連在拖拉機(jī)上，在液壓馬達(dá)的驅(qū)動下內(nèi)部慣性質(zhì)量塊發(fā)生旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生振動。橡膠塊的參加減輕了對樹干的損傷，夾頭可夾住樹干或樹枝。清掃集條機(jī)包括風(fēng)機(jī)、清掃刷、回轉(zhuǎn)盤、帶輪、傳送帶及凸輪等［28］。撿拾清選機(jī)主要包括帶式傳送裝置、升降平臺、輪轉(zhuǎn)式傳送葉片、輸送鏈及風(fēng)扇，風(fēng)扇由支撐軸支撐，擴(kuò)大了橫向撿拾清選的范圍。采收時，先由振動落果機(jī)振落核桃，接著由清掃集條機(jī)使散落于地的核桃集中成條，最后由撿拾機(jī)簡單清選后裝箱［29］。這種采摘方式提高了采摘效率、減輕了勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)了撿拾機(jī)械化;但振落、撿拾、集條分別由不同車輛來完成，提高了采摘成本。3總結(jié)與瞻望當(dāng)前，國內(nèi)外核桃收獲機(jī)械裝備多采用振動裝置振搖樹干或敲擊果枝實現(xiàn)核桃收獲，在一定程度上提高了采摘效率，減輕了勞動強(qiáng)度，為新疆核桃采收機(jī)械的研制提供了基礎(chǔ)和技術(shù)儲備，但采摘、輸送、清選收集3種裝置尚未完成集成與配套。因而，研究出知足核桃采摘時所需的基于振動原理的激振頻率、振幅等工作要求并符合新疆核桃結(jié)果高度和樹冠外形尺寸的振動采摘裝置及針對核桃物料特性的輸送、清選收集裝置，并根據(jù)新疆核桃種植形式(見圖13)及農(nóng)藝特點實現(xiàn)3種裝置的集成與配套，實現(xiàn)新疆核桃的機(jī)械化采收，降低核桃收獲生產(chǎn)成本，減少用工量，解放勞動力，是新疆及全國核桃業(yè)的必然發(fā)展趨勢，也是促進(jìn)新疆及全國核桃產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展的必由之路。以下為參考文獻(xiàn):［1］中國核桃種植面積和產(chǎn)量居世界第一［EB/OL］．［2］新疆優(yōu)質(zhì)核桃掛果面積達(dá)265萬畝［EB/OL］．［3］高團(tuán)結(jié)，坎雜，馬俊貴，等．果園核桃機(jī)械化采收裝置的設(shè)計［J］．中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2020，34(5):185－189．［4］核桃的正確采收與處理［J］．果農(nóng)之友，2018(10):46．［5］邱定武．蜈蚣型采摘踏板:中國，2018