枸杞采收装置的研究现状

何 苗，李成松，王丽红，张亚欧，杨兰涛，吴 烁　(石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子832000)



枸杞采收装置的研究现状

何 苗，李成松*，王丽红，张亚欧，杨兰涛，吴 烁(石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子832000)

摘要介绍了目前国内枸杞籽采收作业现状，阐述了气流式、梳刷式、剪切式及振动式机械采收装置的工作原理及结构特点。其中着重对目前应用较为普遍的振动式采收装置的结构特点及研究现状进行了分析，并提出了一种新的适于枸杞振动采收的基于齿轮——五连杆机构的新型振动采收模式。通过对该机构的运动学分析，得到了对称双曲柄齿轮传动比及其连杆曲线运动轨迹，为进一步设计机构参数提供了方法。认为在众多振动机构中齿轮——五连杆机构具有灵活性较好，力传动平稳，振动小等特点，可根据枸杞生长情况精确地实现较为多样复杂的运动轨迹来提高枸杞成熟果实的采摘率，减少对未成熟果实和花朵的损伤。

关键词枸杞；采收装置；振动；齿轮五连杆

Research Status of the Harvesting Device ofLyciumbarbarumL.

HE Miao, LI Cheng-song*, WANG Li-hong et al(College of Mechanical and Electronical Engineering, Shihezi University, Shihezi, Xinjiang 832000)

AbstractThe present situation ofLyciumbarbarumL. harvest in China was introduced, and the working principle and structure characteristics of the air flow, comb type, shear type and vibration type oil recovery device were described. In this paper, the structure characteristics and research status of the vibration type oil recovery device were analyzed, and a new type of vibration oil recovery method was proposed, which is suitable for the vibration of theLyciumbarbarumL. By analyzing the motion of the mechanism, gear transmission ratio and the movement track of the connecting rod curve of symmetric double crank gear was obtained, which will provide method for further design of structure parameters.

Key wordsLyciumbarbarumL.; Harvesting mechanism; Vibration; Gear five bar linkage

枸杞(LyciumL.)属于茄科枸杞属，多年生双子叶落叶灌木，多分布于暖温带地区，要以南北美洲及欧亚大陆地区为主[1]，但是将其作为一种经济植物资源进行野生驯化、大规模栽培和综合开发利用的国家不多，目前主要有中国和韩国。研究表明，枸杞中的枸杞多糖具有延缓衰老、抗肿瘤、抗疲劳、控制血糖、防护青光眼等多种作用[2]。随着枸杞营养价值在世界市场的普及与推广，2014年，我国枸杞出口量为1 227万kg，出口价格为9.97美元/kg[3]，创下历史新高。由此推断，我国枸杞业具有广阔的发展前景。

目前，枸杞采收主要以人工为主[4]。枸杞属无限花序植物，其成熟期主要分为夏果成熟期和秋果成熟期[5]，具有随熟随采的特点，需要经过选择性采收才能采净。而人工采收与枸杞产业健康发展之间存在诸多矛盾：①人工采收劳动强度大、作业环境差，植株棘刺易造成手部扎伤；②人工采收效率低，其采收效率仅为3～5 kg/h[6]；③人工采收费用高，据统计采收费用高达3×104元/hm2，约占生产成本的50%以上[6]；④人工采收过程需要多次搬运装卸，易造成枸杞机械损伤，影响枸杞质量；⑤秋果采收期与其他作物采收期重叠，易造成用工紧张；同时若不及时采收，会导致枸杞变质，造成严重的经济损失。因此，实行枸杞机械化采收是枸杞产业发展的必然趋势。

1枸杞采收装置结构与特点

自枸杞大面积种植以来，国内外学者就枸杞生物学特性及相应采收装置做了大量的研究。目前，枸杞采收装置的类型主要有气流式、梳刷式、剪切式和振动式。

1.1气流式枸杞采收装置气流式枸杞采收装置又分为气吸式和气吹式。

气吸式枸杞采收装置是通过气吸式结构，在电动抽风机的作用下使吸管中产生负压，将果实吸入。徐丽明发明了一种背负式枸杞采摘机[7]，利用气吸式管道和转辊结构，将枸杞果实与果枝分离；张换高等人发明了一种气吸式枸杞采摘机[8]，采用非接触的气吸原理设计，由空气放大器产生负压将果实吸入，同时利用高压气体将果实周围叶子排开，提高采净率。这两种装置均为背负式，劳动强度大、作业效率低且气流作业压力难以控制，气压过低则难以将果实摘下，气压过高则很容易损伤果实。

气吹式枸杞采收装置是在大功率风机的作用下产生高速气流，吹向树冠使枸杞树冠产生振动，从而实现果实与果柄的分离。周宏平等人发明了一种利用高速气流采摘枸杞的装置(如图1)[9]，其通过改变高速气流的方向或者通断气流的方法，使得枸杞果实摆动，从而快速地将枸杞果实从枝条上吹落。该装置采用非接触式的方式进行枸杞的采收，减少了对枸杞树枝的伤害，但是其能耗大，作业成本高，气流速度也难以控制。

1.2梳刷式枸杞采收装置梳刷式枸杞采收装置是通过梳齿的转动，将枸杞果实梳捋下来，完成枸杞采收作业。郭志东等人发明了一种自走气吸梳齿式枸杞采摘收获机(如图2)[10]，利用梳齿采摘器的转动，将枸杞从枝条上梳刷下来。该种装置属于小型自走式枸杞收获机，需要人工手持采摘器进行枸杞采摘，作业效率低，未能实现枸杞采摘全程机械化。

另外，马军等人研究了一种用毛刷体将果实刷下的枸杞采摘机[11]；周兵等人进行了一种新的利用柔性胶管环捋摘得手持式采摘机的设计[12]；王宁州发明了种实用新型专利，利用采摘胶头做震动及梳滤动作将成熟的枸杞从树上摘下的便携式枸杞采摘机[13]。这些枸杞采摘装置均为手持式，采用梳刷的方式将枸杞果实采摘下来，属于接触式采摘，采摘过程容易造成对枸杞枝叶的机械损伤，且易造成将青果误摘情况，影响枸杞收获效率及净度。

1.3剪切式枸杞采收装置剪切式枸杞采收装置是利用采摘刀以一定速度运行，切断果实果柄，完成果实的采摘。赵伟康等人发明了滚刀式枸杞可选择采摘机(如图3)[14]，成熟果实的果柄由分禾鸭嘴送入滚刀和反向滚刀之间，由其相互作用切断果柄；曾小虎设计了一种新型枸杞采摘器[15]，采用偏心轮带动摆杆和连杆工作，通过采摘头抓住枝条，由采摘刀对果实进行收集。剪切式采收装置采摘刀难以掌控剪切位置，容易误伤果实和枝条，采净率较低。

1.4振动式枸杞采收装置振动式枸杞采收装置基本原理是由一定形式的振动机构，使枸杞树干或枝条产生振动，枸杞果实做多次瞬时变向运动，当惯性力大于果实和果柄之间的连接力时，果实分离掉落。

J.D.So针对韩国枸杞设计了一种枸杞振动收获装置[16]，该装置由曲柄滑块机构连接着一个电动机产生振动带动枸杞枝条的震荡，实现枸杞果实的采收。经试验，其单位时间内收获的枸杞数是人工采摘的4.2倍，但是由于枸杞生物学特性差异，该装置不适于我国枸杞机械化采收。

刘文海等人采用曲柄振摇驱动机构设计了一种多点均匀分布振摇式全自动枸杞采摘机[17]，其主要由传动机构、采摘架、振摇机构、收集箱等部分组成。在门型主架上安装了可上下升降的采摘架，呈均匀分布的振动条安装在采摘架上。采摘机工作时，将采摘架从树植株上方将采摘条插下，通过曲柄振摇机构使采摘架产生振动，进而采摘架上的振动条带动树枝振动，从而将果实震荡下来。该装置在采收过程中可减少果实损伤率，提高采摘效率。李进玉等人采用偏心轮机构设计了一种振摇式全自动采摘机构[18]，由支架组件、采集组件及振动组件组成。工作时，由行走液压控制模块控制行走，驱动振动马达带偏心轮转动，带动振动架上的振动条做高频往复平动，从而实现对枸杞枝条的振动，使果实掉落。这2种装置结构形式相似，均采用振动条振动枸杞枝条完成收获，但是其不能进行连续性收获，作业效率较低。

肖宏儒等人采用偏心滑块机构设计了自走式枸杞采摘机(如图4)[19]，工作时，横向分布的振动杆插入枸杞树冠，电机驱动偏心滑块机构运动，带动振动杆产生往复运动击打枸杞枝条，使枸杞果实受力脱落。该装置进行了采摘试验，采摘效果良好，机具间歇行进，采摘过程较为缓慢，而且由于振动杆宽度有限，部分成熟枸杞不能被完全采摘，同时枸杞机械损伤率较高。

同时，曹有龙等人发明了由直流电机驱动偏心轮对枸杞枝条产生振动的枸杞采摘器[20]；郭清辉申请了一项一种带有磁力驱动装置的枸杞采摘的实用新型专利[21]；四川向仲荣申请了一项由电机带动的振动器的枸杞采摘器的实用新型专利[22]。这些都属于手持装置，具有结构简单、体积小、便于携带等特点，但是普遍存在作业效率低，劳动强度大的问题。

除了以上提到的各种枸杞采收装置外，还有部分仿人手采摘的枸杞采收装置。高怀智等人发明了一种仿手工的枸杞采摘电动机械手[23]，机械手上可以有数个机械手指，将成熟的较大的熟果揪下；张林德发明了一种枸杞采摘装置，手持采摘头内两平行且相对内旋转子体的表面相对称突出设有若干胶环，模拟人手采摘动作[24]。这些装置能减少对枸杞果实的损伤，但是不适用于大面积枸杞采收作业。

通过对各种枸杞采收装置的结构及特点的分析可知，相比其他形式的枸杞采收装置，振动式枸杞采收装置在采收效率和作业成本上有较大优势，可有效将果实和枝条分离，具有效果明显、容易实现等特点，适用于大面积枸杞种植采收作业。目前，振动式收获技术也被认为是实现果品机械化收获的有效途径之一[25]。通过对已有的几种振动式枸杞采收装置分析可知，其结构形式及采收方法较为相似，均是采用振动发生器带动振动杆或振动条产生往复运动，实现对枸杞枝条的振动，完成采收作业。其振动发生器主要有曲柄振摇机构、偏心轮机构和偏心滑块机构这3种形式，但是其运动轨迹单一、传动不稳定，长时间作业易造成磨损，影响采收效果。因此，急需提出一种传动稳定、运动轨迹丰富的振动机构代替以上的振动机构，实现对枸杞枝条多维激励振动，提高枸杞作业采收效率。

2齿轮——五连杆机构

齿轮—五连杆机构结构形式多样，可实现多种运动轨迹。齿轮五连杆机构具有运动灵活性较好、传动平稳、振动小等特点，同时可提供果实振动采收所需的振幅。

2.1齿轮五连杆机构的运动模型如图5所示，以A为绝对坐标系坐标原点，原动件为杆1和杆4，l1和l4为两曲柄的长度，l2和l3为连杆长度，l5代表两齿轮中心距长度。

由封闭矢量法得[26]

rc=rB+l2=rD+l3

由各矢量向X轴、Y轴投影，可得C点位置方程：

(1)

式中：xB、xC、xD、yB、yC、YD——B、C、D的横坐标和纵坐标。

将式(1)移项整理并平方相加可得

A0cosφ2+B0sinφ2+C0

(2)

式中：A0=2l2(xD-xB)

B0=2l2(yD-yB)

解式(2)可

(3)

将φ2带入式(1)可求得C点位置xC和yC。

2.2对称双曲柄齿轮五连杆机构的轨迹曲线齿轮五连杆机构的运动轨迹较为丰富，通过改变相对初始相位角、各杆杆长、齿轮传动比等可以产生多种运动轨迹[27]。由于齿轮五连杆结构参数较多，分析其连杆曲线的变化规律是很困难的。所以只对对称双曲柄齿轮五连杆机构进行了分析，分析其改变其齿轮传动比对连杆曲线产生的影响(图6)。

由图6可知，假设该齿轮五连杆机构结构参数如下，l1=l4=0.5；l2=l3=2，l5=2，通过改变齿轮传动比，C点的轨迹曲线如图7。

由以上分析可得，通过对齿轮五连杆相对初始相位角、齿轮传动比、各杆长度等可以得到丰富的连杆曲线，因此，对枸杞采收装置振动运动轨迹进行分析研究，就可通过设计齿轮五连杆结构的各参数，得到满足使用的运动轨迹。齿轮五连杆机构运动轨迹丰富，力传递性能稳定、灵活性较好，可以用于振动式枸杞采收装置的设计当中。

3总结

根据实地调查结果及枸杞主产区发展规划目标测算，预计至2020年，我国枸杞种植面积将达到21.33万hm2[28]。随着枸杞种植面积地增加，实现枸杞机械化采收是必然趋势。文章针对枸杞采收装置的现状进行了分析，认为振动式枸杞采收装置可满足大面积枸杞种植的采收需求。在众多振动机构中相比于曲柄振摇机构、偏心轮机构和偏心滑块机构，齿轮—五连杆机构具有灵活性较好、力传动平稳、振动小等特点，其可精确地实现较为多样复杂的运动轨迹来提高枸杞成熟果实的采摘率，减少对未成熟果实和花朵的伤害。因此，建议采用齿轮五连杆机构作为振动装置完成对振动式枸杞采收装置的设计。

参考文献

[1] 中国科学院中国植物志编辑委员会.中国植物志[M].北京：科学出版社，2006.

[2] AMAGASE H，FARNSWORTH N R.A review of botanical characteristics，phytochemistry，clinical relevance in efficacy and safety ofLyciumbarbarumfruit (Goji)[J].Food research international，2011，44(7)：1702-1717.

[3] 盛凯元.我国枸杞出口量价创历史新高[N/OL].中国食品安全报，2015-04-23. http：//www.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbname=CCNDTEMP&filename=SPZL20150423B020.

[4] 赵凤勇.枸杞机械化生产装备与技术需求分析[J].中国农机化，2012(2)：44-45，53.

[5] 冯美，张宁，宋长冰.枸杞不同成熟期果实品质研究[J].农业科学研究，2005(1)：31-33.

[6] 程敬春，郭辉，韩长杰，等.枸杞机械采摘技术研究现状及发展趋势[J].农业科技与装备，2012(3)：12-13.

[7] 徐丽明.一种背负式枸杞采摘机：中国，CN200910077547.0[P].2009-01-22.

[8] 张换高，徐博豪，周一笛，等.一种气吸式枸杞采摘机：中国，CN201310091053.4[P].2013-03-21.

[9] 周宏平，王金鹏，潘四普，等.利用高速气流采摘枸杞的方法及枸杞采摘装置：中国，CN201410031524.7 [P].2014-01-23.

[10] 郭志东，杨志浩.一种自走气吸梳齿式枸杞采摘收获机：中国，CN201410202498.X[P].2014-05-14.

[11] 马军，苏义春，马文德，等.枸杞采摘机：中国，CN201410151606.5[P].2014-04-15.

[12] 周兵，何晶.模拟手枸杞采摘机设计[J].农业工程学报，2010(1)：13-17.

[13] 王宁州.便携式枸杞采摘机：中国，CN201220075334.1 [P].2012-03-02.

[14] 赵伟康，于健，王有刚.滚刀式枸杞可选择采摘机：中国，CN201010211242.7[P].2010-06-29.

[15] 曾小虎.一种新型枸杞采摘器：中国，CN201320198433.3[P].2013-04-18.

[16] SO J D.Vibratory harvesting machine for boxthorn(Lyciumchinensemill)berries[J].Transactions of the ASAE，2003，46(2)：211-221.

[17] 刘文海.全自动枸杞采摘机：中国，CN201420403780.X[P].2014-07-21.

[18] 李进玉，许家勤，刘建魁，等.一种枸杞采摘机：中国，CN201410798161.X[P].2014-12-22.

[19] 张最，肖宏儒，丁文芹，等.振动式枸杞采摘机理仿真分析与样机试验[J].农业工程学报，2015(10)：20-28.

[20] 曹有龙，何军，安巍，等.枸杞采摘器：中国，CN201010272425.X[P].2010-09-09.

[21] 郭清辉.一种带有磁力驱动装置的枸杞采摘机：中国，CN201320418326.7[P].2013-07-15.

[22] 向仲荣.枸杞采摘器：中国，CN201220534284.9[P].2012-10-18.

[23] 高怀智.机械采摘电动机械手：中国，CN201410498476.2[P].2014-12-31.

[24] 张林德.一种枸杞采摘装置：中国，CN201210267002.8[P].2012-07-26.

[25] 陈度，杜小强，王书茂，等.振动式果品收获技术机理分析及研究进展[J].农业工程学报，2011，27(8)：195-200.

[26] 于红英，唐德威，王建宇.平面五杆机构运动学和动力学特性分析[J].哈尔滨工业大学学报，2007，39(6)：940-941．

[27] 李团结，曹惟庆.对称双曲柄齿轮五杆机构连杆曲线及其应用[J].机械科学与技术，2000，19(6)：930-931，934.

[28] 曹林，张爱玲.我国枸杞产业发展的现状阶段与趋势分析[J].林业资源管理，2015(2)：4-8，30.

收稿日期2015-10-23

作者简介何苗(1993- )，女，重庆巫山人，硕士研究生，研究方向：现代设计方法。*通讯作者，教授，硕士生导师。从事农业机械制造研究。

基金项目国家自然科学基金项目(51541509)。

中图分类号S 225.93

文献标识码A

文章编号0517-6611(2015)33-367-03