一種全地形果實(shí)收獲機(jī)的研制開發(fā)

張學(xué)軍

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西太原 030002）

1 研制全地形果實(shí)收獲機(jī)的重要意義

作為世界第一大水果生產(chǎn)國(guó)，2019年，我國(guó)水果總產(chǎn)量已超過27400萬(wàn)t，約占全球產(chǎn)量的14%。然而，受限于分散栽培、分戶管理的生產(chǎn)現(xiàn)狀，真正集中成片統(tǒng)一管理的大型現(xiàn)代化果園仍然較少，果業(yè)生產(chǎn)依然停留在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)式的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)規(guī)模小、機(jī)械化水平低，特別是采摘環(huán)節(jié)，所用勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)過程的33%～50%。采摘作業(yè)季節(jié)性很強(qiáng)，人工采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，尤其是在紅棗、大杏等果實(shí)收獲過程中，采用長(zhǎng)桿對(duì)樹枝進(jìn)行擊打的方式很容易使果實(shí)發(fā)生破損，嚴(yán)重影響果農(nóng)收益[1-3]。

近年來，我國(guó)采摘機(jī)械迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出了采摘器、動(dòng)力剪枝采摘工具、多功能果園作業(yè)機(jī)械等多種作業(yè)機(jī)械，但整體呈現(xiàn)出功能單一，品種、區(qū)域適應(yīng)性差的特點(diǎn)。國(guó)外采摘機(jī)械發(fā)展以采摘機(jī)器人為主，制造成本高，且不同區(qū)域使用時(shí)，需要反復(fù)安裝拆卸，使用不便。隨著水果種植業(yè)的持續(xù)發(fā)展，果園機(jī)械市場(chǎng)需求將進(jìn)一步擴(kuò)大，研制開發(fā)作業(yè)效率高，操作簡(jiǎn)單、移動(dòng)方便，適應(yīng)性強(qiáng)的全地形果實(shí)收獲機(jī)械對(duì)于降低人工成本，增加果農(nóng)收益，促進(jìn)鄉(xiāng)村振興與我國(guó)現(xiàn)代果業(yè)的全程機(jī)械化發(fā)展具有重要意義[4-5]。

2 全地形果實(shí)收獲機(jī)技術(shù)研究方案和技術(shù)路線

2.1 技術(shù)研究方案

2.1.1 全地形果實(shí)收獲機(jī)

全地形果實(shí)收獲機(jī)主要解決山區(qū)梯田、坡地等不同地形條件下果園人工采摘工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、果實(shí)損傷多、作業(yè)成本高的問題。該機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括固定架、環(huán)形骨架、推座、移動(dòng)組件、斜撐組件、折疊架、折合組件和儲(chǔ)料組件。

固定架的底部設(shè)置有移動(dòng)組件，頂部設(shè)置有斜撐組件；環(huán)形骨架的側(cè)端面焊接安裝推座，推座通過螺栓安裝在固定架上，環(huán)形骨架的另一側(cè)兩端通過轉(zhuǎn)動(dòng)銷連接安裝折疊架，頂部?jī)蓚?cè)端面以及折疊架的頂部端面均安裝有折合組件，內(nèi)側(cè)端面中央設(shè)置有儲(chǔ)料組件。

移動(dòng)組件包括橫梁架、移動(dòng)支架、移動(dòng)滾輪和推拉手柄。橫梁架焊接安裝在固定架之間，底部端面焊接安裝移動(dòng)支架，移動(dòng)支架的底部端面之間安裝移動(dòng)滾輪，外側(cè)與固定架之間焊接安裝加強(qiáng)筋，推拉手柄焊接安裝于固定架頂部。

斜撐組件包括卡合頂座、斜撐桿和錐形頭。卡合頂座焊接安裝于固定架頂部外側(cè)，端面中央設(shè)有斜撐孔，斜撐孔內(nèi)部插接安裝斜撐桿，斜撐桿底部焊接安裝錐形頭。

環(huán)形骨架包括主安裝架、折疊鉸鏈和翻折支架。主安裝架的兩側(cè)端面焊接安裝折疊鉸鏈，折疊鉸鏈的另一側(cè)焊接安裝翻折支架。

折合組件包括軸承、合頁(yè)銷、折合傘架、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、鋼索、防脫扣和集線筒。若干個(gè)軸承固定安裝在環(huán)形骨架的頂部端面兩側(cè)與折疊架的頂部端面中央，頂部安裝合頁(yè)銷，合頁(yè)銷的頂部通過合頁(yè)安裝折合傘架，底部端面連接安裝轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的底部貫穿軸承。環(huán)形骨架的底部端面設(shè)置兩個(gè)鋼索，分別貫穿骨架頂部端面兩側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的底部，防脫扣安裝于折疊架的底部，折疊架端面的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與防脫扣固定連接，集線筒通過螺釘安裝在推座的底部中央，兩根鋼索插接安裝于集線筒內(nèi)部。折合傘架的端面中央設(shè)有掛接孔，掛接孔的外側(cè)連接安裝收料傘布。

推座的端面一側(cè)通過螺栓安裝收線電機(jī)，兩根鋼索均穿過集線筒與收線電機(jī)連接。

儲(chǔ)料組件包括收納架、焊接拉桿和布袋掛鉤。收納架安裝于環(huán)形骨架的端面中央，頂部端面外側(cè)焊接安裝焊接拉桿，焊接拉桿的另一端與環(huán)形骨架的內(nèi)側(cè)焊接連接，收納架的端面兩側(cè)焊接安裝兩個(gè)布袋掛鉤（圖1，圖2）。

圖1 全地形果實(shí)收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 全地形果實(shí)收獲機(jī)局部結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 撿拾機(jī)

撿拾機(jī)主要解決對(duì)散落地面果實(shí)進(jìn)行快速拾取收集的問題。該機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)架、軸桿、輪胎、拾取針、撥落器、從動(dòng)輪、皮帶、扶手、電機(jī)座、微型電動(dòng)機(jī)、主動(dòng)輪、油門把手和剎車手把。

輪胎通過軸桿安裝于機(jī)架之間，外表面分布焊接拾取針，拾取針上方機(jī)架外側(cè)安裝雜質(zhì)過濾風(fēng)機(jī)，前側(cè)焊接安裝撥落器，軸桿的一側(cè)安裝有從動(dòng)輪，機(jī)架上側(cè)焊接安裝扶手，扶手中部安裝有電機(jī)座，電機(jī)座內(nèi)部鑲嵌安裝微型步進(jìn)電機(jī)，外部安裝有主動(dòng)輪，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間使用皮帶連接，扶手的頂端安裝有油門把手與剎車手把，油門把手電性輸出端與微型電機(jī)的電性輸入端相連。機(jī)架前下側(cè)懸掛安裝儲(chǔ)料框，后下側(cè)焊接安裝支架，支架的末端安裝有萬(wàn)向輪（圖3，圖4）。

圖3 撿拾機(jī)結(jié)構(gòu)軸側(cè)圖

圖4 撿拾機(jī)結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

2.2 技術(shù)路線

2.2.1 全地形果實(shí)收獲機(jī)

作業(yè)時(shí)，將收料傘布通過掛接孔安裝在折合傘架的頂部，握持推拉手柄，推動(dòng)設(shè)備移動(dòng)，到達(dá)工作位置后，調(diào)節(jié)環(huán)形骨架角度，通過折疊架頂部的折合組件將果樹樹干合圍，將收納袋掛接于收納架端面的布袋掛鉤上，通過斜撐組件對(duì)固定架進(jìn)行支撐，轉(zhuǎn)動(dòng)折合組件，使整個(gè)收料傘布呈現(xiàn)倒傘狀，使用振動(dòng)器抖動(dòng)果樹樹枝，使果實(shí)掉落，果實(shí)收集完成后，通過轉(zhuǎn)動(dòng)手柄使收料傘布閉合。

2.2.2 撿拾機(jī)

作業(yè)時(shí)，可以直接推動(dòng)或啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備移動(dòng)，通過剎車手把控制設(shè)備啟動(dòng)和停止，通過油門把手調(diào)節(jié)設(shè)備前進(jìn)速度，移動(dòng)過程中，通過輪胎上的拾取針扎取果實(shí)，隨著輪胎滾動(dòng)，通過撥落器作用使扎取果實(shí)脫落滾動(dòng)到儲(chǔ)料框。拾取過程中，過濾風(fēng)機(jī)向后吹風(fēng)，避免樹葉等雜質(zhì)落入儲(chǔ)料框。

設(shè)備整體作業(yè)流程為：移動(dòng)合圍→振動(dòng)落果→果實(shí)收集→地面撿果→儲(chǔ)運(yùn)。

2.3 試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果

樣機(jī)試制完成后，實(shí)地選取2個(gè)紅棗園，圍繞梯田地、坡地的實(shí)際作業(yè)效果，與人工采收進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置機(jī)器組與人工組兩個(gè)組，每組配備作業(yè)人員2名，作業(yè)對(duì)象均為約20年樹齡的紅棗樹。

從表1、表2中可以看出，按一天工作6 h，平均每棵棗樹產(chǎn)量30 kg，優(yōu)質(zhì)棗占比30%，單價(jià)1.4元/kg，損傷棗占比70%，單價(jià)0.8元/kg計(jì)算，梯田地機(jī)器組每天可以收獲紅棗樹90棵，收益2 646元，坡地機(jī)器組每天可以收獲紅棗樹84棵，收益2 469.6元，合計(jì)收益5 115.6元；人工組由于撿棗過于耗費(fèi)時(shí)間，基于成本考慮，只撿拾優(yōu)質(zhì)棗，梯田地人工組每天可以收獲棗樹20棵，收益224元，坡地人工組每天可以收獲棗樹15棵，收益161元，合計(jì)收益385元，相差13倍。

表1 收集試驗(yàn)作業(yè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

表2 撿拾試驗(yàn)作業(yè)量統(tǒng)計(jì)表

試驗(yàn)表明，全地形果實(shí)收獲機(jī)可以實(shí)現(xiàn)采摘、收集、撿拾機(jī)械化，5 s內(nèi)抖落果樹單枝果實(shí)90%左右，果實(shí)收集傘滿足90%以上樹型和地況，收集率90%以上，果實(shí)優(yōu)質(zhì)率80%以上。與人工采摘相比，作業(yè)效率提高10倍以上，經(jīng)濟(jì)效率提高2倍以上，節(jié)省勞動(dòng)力5人/天·臺(tái)。

3 研究所解決的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 解決的關(guān)鍵技術(shù)

本設(shè)備通過全地形果實(shí)收獲機(jī)和撿拾機(jī)的合理化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)平原、山地等地形條件下生長(zhǎng)果樹的合圍，通過電動(dòng)振動(dòng)器，減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，通過收集傘保護(hù)、收集掉落果實(shí)，通過撿拾機(jī)快速拾取地面果實(shí)。

3.2 創(chuàng)新點(diǎn)

本設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，采用電池提供動(dòng)力，能夠滿足山區(qū)、坡地等全地形條件下果實(shí)采收的需求，將有效提升中小型果園的機(jī)械化生產(chǎn)水平。

4 結(jié)論

全地形果實(shí)收獲機(jī)的研制開發(fā)，有效解決了果園傳統(tǒng)人工采收方式成本高、效率低、損傷果占比高且秋雨影響下被拋棄地頭、豐產(chǎn)不豐收的問題，整體實(shí)現(xiàn)采摘效率提升15倍，直接經(jīng)濟(jì)效益提升2倍，節(jié)省勞動(dòng)力5人/天·臺(tái)的良好效果，將有力促進(jìn)山西省水果種植業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)推動(dòng)丘陵山區(qū)鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)振興具有極大的市場(chǎng)推廣價(jià)值。