0引言

核桃良好的健脑效果和丰富的营养价值,越来越受到人们的喜爱。目前,我国核桃的种植面积已居世界第一[1],新疆作为我国核桃的主要产区之一,优质核桃种植面积已达28万hm2[2],但其采收基本依靠人工,采收环节占果园生产过程中用工量的50%左右[3]。人工采收费时费力、成本高,且不及时采收会增加核桃霉菌感染的机会,影响核桃的品质[4],因而机械化采收是核桃产业的发展趋势。

核桃机械化采收装置主要分为两类:采摘装置和采摘收集装置。我国核桃的机械化采摘主要应用采摘装置,其形式有便携式坚果采摘器、振摇式干坚果收获机[5]、蜈蚣型采摘踏板[6]、爬树式山核桃采摘机器人,以及核桃采摘升降平台等。其中,振摇法是应用最多的采摘方法。核桃采收机械的研究在我国仍处于起步阶段,尚未见成熟的实用机具报道[7]。国外在核桃采收方面已基本实现机械化。

1核桃采摘装置的结构及特点分析

1.1便携式核桃采摘器

王传纪发明了便携式坚果采摘器,包括操纵杆、飞轮、螺纹杆件和电机等。采摘时,电机转轴带动飞轮旋转,飞轮带动空心棒槌旋转;设置在棒槌面的凸起在高速旋转下与树枝上的核桃发生碰撞,能使成熟的核桃从树枝上掉落下来[8]。该装置结构简单、操作便利,但该装置采摘效率低,且采摘后需要人工进行收集。

姚文斌等研制的便携式振动山核桃采摘装置[9],以汽油机作为动力源,以采摘杆、采摘夹头作为采摘部件,采用振动机构,通过传动轴传动。作业时,小型汽油机输出的动力通过钢丝软轴与传动轴传至振动机构,从而带动振动机构工作;当惯性力大于山核桃与树枝的结合力时,树枝上的山核桃振落下来。其具有易于携带、体积?。?0]、成本低等优点,但采摘后需要人工进行收集。

1.2核桃采摘机器人

东北林业大学研制了林木球果采摘机器人[10]\\(见图1\\),采摘机构为6自由度的机械手,机械手采用液压驱动、单片机控制。

作业时,机器人距离母树约3~5m,然后机械手升起达到一定高度,采摘爪张开并摆动,对准要采集的树枝,大小臂同时运动,使采摘爪沿着树枝生长方向趋近;然后采摘爪的梳齿夹拢果枝,大小臂带动采集爪按原路向后返回,梳下枝上的球果,完成一次采摘。

该机器人可进行核桃的采摘。

浙江工业大学研制出了爬树式山核桃采摘机器人\\(见图2\\),包括爬树机构、机械臂和末端执行装置[12]。

采摘时,启动执行电机,电机带动曲柄转动,通过曲柄滑块机构使剪刀固定于直线导轨滑块上的刀片向前推进,剪刀的活动部分在剪刀转动副和滑块滑道的约束下,先以一定角度向前推进;在果梗进入剪取范围时,闭合剪刀,剪下山核桃,完成采摘。

采摘机器人可降低劳动强度、提高采摘效率[13],但采摘机器人研制成本高,设备的使用和维护都需要相当高的技术水平和费用[14];且存在技术不成熟、适应性差、利用率不高[15],以及果实的识别率和采摘率不高,损伤率较高等问题[16]。

1.3撞击式和振动式采摘机

撞击式采摘机包括机械或电磁激励装置、撞击器\\(见图3\\)等。撞击器包括撞击杆、保持架、主活塞、蓄能器、汽缸、流量阀及C形夹钳,通过机械或电磁式极力装置产生的振动,来使果实快速脱离果树,从而减少果实在连续振动过程中产生的损伤。撞击式采摘机适用于不宜使用树干摇振机采收的老弱果树。

振动式核桃采摘机的原理是通过一定形式的振动机构,将机械振动传递给树干或树冠,树干或树冠在接受了外加的强迫振动后,带动枝干上的核桃振动,核桃同时受到惯性力的作用;当惯性力大于果实与树枝的结合力时,果实在连接最弱处与植株断裂,完成分离过程[17]。

新疆农垦科学院研究出了机械振动式林果采摘机\\(见图4\\),能够采摘核桃[7],包括机架、振摇装置和液压控制系统;果树振摇装置\\(见图5\\)位于机架后部[18]。

采摘时,钳式振动头夹持树干,以拖拉机后输入轴作为动力源,驱动振动头内置的偏心轮回转机构推摇果树使核桃振落[19]。该机结构紧凑轻巧,适宜在操作空间较大的稀疏果园收获作业[20],采果效率高、易于操作,振动频率和速度可调,但采收后需要靠人工进行收集。

1.4核桃采摘升降平台

果园采摘平台是一种能够通过移动作业来实现果实采摘的半自动化的工作平台[21]。1992年,浙江金华农机所研究了由拖拉机操作的用于采摘果实的升降机,上升高度可达7m[22]。2007年,新疆机械研究院研制了LG-1型多功能果园作业机\\(见图6\\)[23],可进行果园核桃采摘,该机由行走底盘、空气压缩机、储气系统及升降机构组成。该机工作原理为压缩气体通过阀口进入气缸中,使升降臂展开,升降支架带动车厢升高,人与工具箱在车厢同时升高,完成核桃采摘。该机还具有修剪、喷药、运输及动力发电等功能。

核桃采摘平台该作业平台一定程度上提高了核桃采收的效率;但升降机高度限制了较高结果位置处果实的采摘,从而限制了核桃采摘的效率。

1.5核桃打落装置

吴锋祥发明了山核桃打落装置\\(见图7\\)[24],包括电力提供装置、伸缩杆及旋转杆。伸缩杆包括最外层的底杆和位于底杆内部的若干中间杆,最内层的中间杆上端部位设有电机,电机上装有转盘,旋转杆垂直或倾斜地装在转盘的盘幅上。旋转杆垂直或倾斜装在盘幅上,偏心于转盘中心安装,作业时形成一个锥体击打范围,沿挂果侧向或竖直方向进行施力击打,保证被了击打的果实均能击落。该装置结构设计合理、轻便、易操作,适合再树枝、梢树中穿梭作业。

2核桃采摘收集装置的结构及特点

2.1便携式核桃采摘收集装置于中权改进了便携式坚果采摘器[25]\\(见图8\\),包括采摘头、采摘杆、蓄电池、背带和输送管。采摘时,通过蓄电池提供电力实现叶轮的快速转动,进行核桃的采摘作业。该装置结构简单、体积小、易携带,适合于车辆机械无法进入的山高、坡陡的地区。同时,设计出输送管避免了核桃采摘后的人工收集,降低了人工收集的劳动强度;但该装置采摘效率低,不适合大面积作业。

陕西科技大学研制出了便捷式核桃采摘机[26],采摘设备为手持式振动落果机,包括汽油发动机和伸缩杆。振摇采用曲柄连杆机构,偏心部分的结构为半圆柱型偏心块[27],伸缩杆中有软轴用来传递动力。作业时,由汽油机带动曲柄连杆机构使伸缩杆及顶端的链式卡条做低频振动,卡条卡住枝枝,带动树枝摇晃,使成熟的核桃掉落下来;再配套收集装置,振落的核桃就落入收集器中。该机实现了振动采摘,降低了劳动强度,减少了采摘作业量,但需人工背负操作。

2.2撞击式和摇振式采摘收集装置

振动落果机可与伞状收集机配套使用\\(见图9\\),完成核桃的采摘收集[17]。伞状收集机的伞面由软质织物构成,平??墒掌?,伞面所用材料为抗折性、透气性和耐磨性较好的帆布、海绵和尼龙等。作业时,其伞状顶端环绕树干呈环状打开,振动落果机将核桃振下,振落的核桃掉入底部的收纳容器中,完成核桃的收集。倒伞支架由钢筋加工而成,结构简单、操作方便、高度可调,采摘完后不需要进行人工收集,但伞状收集装置的容量限制了采摘效率。

美国、加拿大和澳大利亚生产的振动落果机、清扫集条机\\(见图10\\)和捡拾清选机\\(见图11\\)可用于核桃的收获。振动落果机的夹头\\(见图12\\)包括:液压油缸、液压马达、橡胶块等。夹头连在拖拉机上,在液压马达的驱动下内部惯性质量块发生旋转,产生振动。

橡胶块的加入减轻了对树干的损伤,夹头可夹住树干或树枝。清扫集条机包括风机、清扫刷、回转盘、带轮、传送带及凸轮等[28]。捡拾清选机主要包括带式传送装置、升降平台、轮转式传送叶片、输送链及风扇,风扇由支撑轴支撑,扩大了横向捡拾清选的范围。

采收时,先由振动落果机振落核桃,接着由清扫集条机使散落于地的核桃集中成条,最后由捡拾机简单清选后装箱[29]。这种采摘方式提高了采摘效率、减轻了劳动强度,实现了捡拾机械化;但振落、捡拾、集条分别由不同车辆来完成,提高了采摘成本。

3总结与展望

目前,国内外核桃收获机械装备多采用振动装置振摇树干或敲击果枝实现核桃收获,在一定程度上提高了采摘效率,减轻了劳动强度,为新疆核桃采收机械的研制提供了基础和技术储备,但采摘、输送、清选收集3种装置尚未完成集成与配套。因此,研究出满足核桃采摘时所需的基于振动原理的激振频率、振幅等工作要求并符合新疆核桃结果高度和树冠外形尺寸的振动采摘装置及针对核桃物料特性的输送、清选收集装置,并根据新疆核桃种植模式\\(见图13\\)及农艺特点实现3种装置的集成与配套,实现新疆核桃的机械化采收,降低核桃收获生产成本,减少用工量,解放劳动力,是新疆及全国核桃业的必然发展趋势,也是促进新疆及全国核桃产业健康快速发展的必由之路。

参考文献:
[1]中国核桃种植面积和产量居世界第一[EB/OL].
[2]新疆优质核桃挂果面积达265万亩[EB/OL].
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[5]邱定武.蜈蚣型采摘踏板:中国,201120407510.2[P].2012-05-30.
[6]马俊贵.振动式干、坚果收获机:中国,201120414866.9[P].2012-08-15.
[7]汤智辉,孟祥金,沈从举.机械振动式林果采收机的设计与试验研究[J].农机化研究,2010,32\\(8\\):65-69.
[8]王传纪.一种便携式坚果采摘器:中国,200720109559.3[P].2008-05-07.