摘要:目前，我國堅果收取方式多數為手工收取，機械化程度較低，效率不高。針對這一問題，首先分析了國內外堅果收取研究現狀，研究了農林業中輥式機械的應用特點，并以夏威夷果為例，設計了一種橡膠套金屬輥回轉式堅果收取裝置。設計完成后搭建了機械收取樣機，并在室內進行了夏威夷果收取試驗，以驗證收取效果。結果表明:當上、下兩組橡膠套金屬輥的組間距為30mm、轉速為28r/min時，直徑在30mm以上的夏威夷果均能較快地被收取下來，且未發現果樹花蕾受到明顯損傷。所設計的樣機具有較高的收取效率，能在收取過程中有效保護果樹花蕾，適用于“花果同期”類的堅果收取工作。

　　關鍵詞:堅果采摘;橡膠套金屬輥;回轉式;采摘器;林果業

　　0引言

　　堅果，是果皮和果實在成熟后呈現干燥狀態的果子，分為裂果和閉果兩類。堅果是閉果的一個分類，因果皮堅硬而得名。堅果是植物中最精華的部分，營養豐富，含有較多油脂和蛋白質，其礦物質及維生素等微量元素的含量也較高，能夠促進人體生長發育、增強人的體質。我國食用堅果的傳統歷史悠久，由于堅果具有營養保健功能，且價廉物美，深受我國人民的喜愛。國內堅果類產品的市場規模近年來一直呈現加速增長的態勢，據統計，2017年國內的堅果類產品終端市場規模接近277億元，同比增長11.5%，保持連續5年超過10%的增速。

　　目前，堅果的收取工具主要分為手工和機械兩種，還有智能收取機器人等高端設備。由于先進國家的堅果主要依靠從發展中國家進口，對小型果樹的果實收取研究并不深入，堅果收取的設備和技術等并不受重視。在我國，堅果產業廣泛使用的是高枝剪等手工設備，較低的機械化程度導致工人勞動強度很大。堅果的收取受到生長周期的強烈影響:收取過早，堅果還未成熟，果仁不夠飽滿，且含油量不夠，品質難以達到售賣要求;收取過晚，堅果又會由于表皮開裂導致其易受到霉菌感染，引發果實的腐爛變質，影響產量。此外，不少堅果都具有“花果同期”的特點，即花蕾和果實同時存在，在對堅果進行采收時，可能對花蕾造成傷害，從而導致下一年產量下降。本研究以夏威夷果為例，設計了收取機具并進行試驗，以提高堅果的采收效率，降低堅果種植業的勞動強度。

　　種植業論文范例：花卉種植刊物之芍藥栽培方法

　　1總體設計

　　前人[3-4]針對夏威夷果及其花蕾進行了物理特性方面的測量和統計，夏威夷果及其花蕾的力學特性。對數據分析可知:夏威夷果與其花蕾相比直徑更大，且成熟的夏威夷果與樹枝的結合力小于花蕾-樹枝結合力。針對這種力學特性上的差異，提出了一種間距可調橡膠套金屬輥回轉式收取頭的夏威夷果收取方案。該方案中，上、下橡膠套金屬輥組件朝著對方相反的方向做同步旋轉，當夏威夷果樹枝靠近橡膠套金屬輥組件時，樹枝將受到摩擦力的作用，被強制拉進橡膠套金屬輥組件里，在橡膠套金屬輥組件和果實之間的擠壓下，夏威夷果將會受到接觸摩擦力，從而從樹枝上脫落。裝置中橡膠套金屬輥的材料為尼龍塑料，具有特殊的韌性和剛性，能夠減少收取過程中花蕾受到的擠壓和摩擦，有效降低花蕾和樹枝受到橡膠套金屬輥的傷害與影響。

　　上、下橡膠套金屬輥之間的組間距可以通過螺紋升降原理進行調節，且可以固定組間距，能夠根據樹枝的厚度進行調節。橡膠套金屬輥回轉式夏威夷果收取裝置。夏威夷果收取機主要包括行走底盤、執行機構和果實收取頭。收取頭包括直流電動機、減速器、齒輪箱、鏈條、鏈輪，以及上、下橡膠套金屬輥組件。在受到減速器的減速作用后，電動機將動力傳送至齒輪箱;齒輪箱上下兩對齒輪被帶動做異向旋轉，齒輪軸將齒輪的旋轉動力傳遞給鏈輪，使兩組鏈輪發生旋轉;上、下橡膠套金屬輥組件分別通過鏈條受到鏈條的作用進行異向旋轉，上橡膠套金屬輥組件做順時針旋轉，下橡膠套金屬輥組做逆時針旋轉。執行機構包括立臂和動臂，分別有一個液壓缸，收取頭液壓缸也在執行機構中，其立臂、動臂、收取頭分別受到各自液壓缸的伸縮運動，繞銷軸旋轉。裝置采用了履帶式挖掘機底盤，整個裝置和液壓輔助系統的動力都來源于這個底盤。

　　2主要結構設計

　　橡膠套金屬輥組件包括橡膠套金屬輥、橡膠套金屬輥架及橡膠套金屬輥軸。通過緊定螺釘，兩個橡膠套金屬輥架分別被安裝在橡膠套金屬輥軸的兩端，橡膠套金屬輥兩側通過菱形帶座軸承安裝在橡膠套金屬輥架上。每組橡膠套金屬輥組件上均勻對稱地安裝3根橡膠套金屬輥，呈現等邊三角形的布置形態，可以避免收取時橡膠套金屬輥受到的磨損，橡膠套金屬輥的工作壽命能得以提高。

　　2.1橡膠套金屬輥組件作用形式

　　收取工作中，橡膠套金屬輥組件與夏威夷果直接發生作用。在回轉支架的驅使下，橡膠套金屬輥繞回轉支架做旋轉運動，在與夏威夷果接觸時，產生的摩擦力也會使橡膠套金屬輥發生自轉。橡膠套金屬輥與夏威夷果發生接觸后會出現雙橡膠套金屬輥式、單橡膠套金屬輥式和單雙橡膠套金屬輥式3種不同的作用形式。其中，這種作用形式下，上、下兩組橡膠套金屬輥中均有兩根橡膠套金屬輥與夏威夷果樹枝發生接觸，這種情況中，上、下兩組橡膠套金屬輥里均有一根橡膠套金屬輥與夏威夷果樹枝發生作用;即兩組橡膠套金屬輥中，有一組橡膠套金屬輥組件的一根橡膠套金屬輥與夏威夷果樹枝接觸，而另一組橡膠套金屬輥組件中有兩根橡膠套金屬輥對夏威夷果樹枝產生接觸。通過以上3種方式，夏威夷果都能被收取下來。

　　2.2回轉支架組件設計

　　回轉支架組件主要包括伸縮桿、伸縮座、回轉支架和回轉滾動軸。通過緊定螺釘，回轉支架被安裝在回轉滾動軸的兩端，伸縮桿則是沿著螺紋外旋的方向固定在伸縮座中，螺栓連接伸縮座和固定架。伸縮桿和伸縮座之間可以發生回轉和直線運動，也可在這兩個運動間相互轉換，主要是由于伸縮桿的外螺紋和伸縮座的內螺紋之間發生的牙面旋合作用。此外，螺紋傳動的優點還在于可以精準地調節行程，且能自鎖。回轉滾動軸外側的鏈輪運動可以帶動上回轉支架做逆時針運動，下回轉支架則在鏈輪的作用下做順時針運動。其伸縮桿在伸縮座軸方向的伸縮行程最大為6cm。

　　2.3鏈輪鏈條設計

　　在對夏威夷果收取裝置進行設計時，由于回轉結構和齒輪箱的位置相對較遠，且尺寸比較大，橡膠套金屬輥回轉支架難以直接得到齒輪箱的動力，需要一套傳動機構。林間收取夏威夷果具有勞動強度大、收取環境差的特點，鏈式傳動較帶式傳動而言，摩擦滑動的發生幾率較小，也很少出現整體打滑的情況，可以保證穩定不變的傳動比;且鏈式傳動由于結構緊湊，具有較小的尺寸和較高的效率，即使在潮濕、重負載之類的復雜收取情況下也能很好地傳動。因此，采用鏈輪鏈條傳動裝置來傳遞齒輪箱到回轉支架之間的動力[3-5]。根據相關設計手冊，采用以下傳動系統參數。

　　2.4鏈輪鏈條結構設計

　　齒輪箱的輸出軸兩端分別安裝小鏈輪，回轉支架的輸入軸安裝大鏈輪。在軟件中模擬出了鏈輪的三維模型，鏈式傳動系統安裝完成后的實際模型樣例。基于夏威夷果的實際收取工況，收取頭采用直流電機，與便攜式電源直接相連，此類設計的電路搭建方便、安全性能較高，便于工人使用。由于電動機具有較大的輸出轉速，為滿足收取條件，必須增加減速器裝置。設計中采用的是具有較為緊湊的機械結構、尺寸較小的蝸輪蝸桿減速器，能在高效運作的同時保持平穩，使用壽命較長;此外，這類減速器的傳動比較大，具有較高的輸出扭矩，性能參數符合夏威夷果的收取條件。

　　2.5電機及減速機選型設計

　　電機的額定功率為300W，傳動系統的輸出功率為300W。經減速器后，電機的輸出轉速為44r/min(n減)，齒輪箱受到連軸器的傳動，轉速與電機的輸出轉速相同，減速器的輸出力矩為T減=40N·m，同樣，齒輪箱的扭矩也與輸出力矩相同。

　　2.6收取臂結構設計

　　收取臂主要包括立臂、動臂及其各自的液壓缸，以及連桿和收取頭液壓缸。對各組件進行測繪后，在軟件中模擬出等比的三維模型。以上零部件的連接關系如下:立臂液壓缸的兩端分別鉸接在底盤和立臂的內側;動臂液壓缸的兩端則分別鉸接在立臂的外側和動臂上;收取頭液壓缸的一端與動臂外側相連，另一端與連桿相接。

　　2.7收取臂工作范圍

　　研究表明:不同品種的夏威夷果具有差異化的結構形態，物理特性也有所不同。針對云南省種植的標準化夏威夷果林進行研究，結果表明:盡管不同品種的夏威夷果形態有所差異，但其具有相對一致的種植模式。夏威夷果樹的平均株距在310cm左右，果樹的平均株高為290cm，樹冠的平均直徑在250cm左右，夏威夷果主要生長于樹冠表層，大約分布在30cm處。為了確定收取臂的運動范圍及其整體的尺寸與結構，將夏威夷果林的空間分布設為2000mm×2000mm×3000mm物理模型。

　　針對以上夏威夷果林的空間分布特點，在對收取設備進行設計時，要使設備在果林中自由運動的同時，確保收取臂的工作范圍達到要求。收取臂為夏威夷果收取設備中的執行組件。收取頭在豎向平面內的運動受到立臂液壓缸和動臂液壓缸的調控，進入夏威夷果樹冠的方向與深度則由收取頭液壓缸控制。為了更好地從機械運動學的角度進行分析，將收取臂的物理模型轉化為數學模型，并對其進行優化，立臂AE、動臂DC，θ1、θ2分別為水平方向上立臂和動臂的運動夾角，立臂液壓缸和動臂液壓缸分別為ab和cd。將收取頭的前端為D，其與A點在水平方向和豎直方向上的距離范圍組成收取臂的工作范圍。

　　3直徑在7～11mm間的夏威夷果花蕾均未從樹枝脫落，且及花蕾并未發現明顯傷害。由于橡膠套金屬輥組的組間距為30mm，遠遠超過了花蕾的直徑，花蕾能夠順利通過收取頭的橡膠套金屬輥間距而不受到損害。根據前文的軟件模擬分析可知:堅果和花蕾受到的作用力隨著橡膠套金屬輥組轉速升高而增加，試驗中橡膠套金屬輥組的轉速設為最高轉速，收取過程中也未見花蕾發生脫落和損傷，說明該收取設備幾乎不會對夏威夷果花蕾造成傷害。與此同時，增加橡膠套金屬輥組的組間距也可以降低對花蕾的摩擦，減小傷害，試驗中將橡膠套金屬輥組的間距設為最小值，也未見傷害，同樣說明該設備能夠有效保護現存的夏威夷果花蕾。

　　4結論

　　針對堅果產業中的收取問題，設計出了一款橡膠套金屬輥回轉式堅果收取裝置。以夏威夷果這種“花果同期”的堅果為例，主要針對其收取環境的復雜性，及收取時容易損傷花蕾導致來年產量下降的問題，在對收取條件進行模型轉化后，根據夏威夷果實與花蕾物理特性之間的差異，設計出整體收取方案。設計的創新點在于采用了橡膠套金屬輥回轉式收取頭。在裝配好樣機后進行了室內收取試驗，驗證收取效果和收取過程中花蕾的保護情況，結果表明:夏威夷果收取過程受到果實本身的直徑和橡膠套金屬輥組間距的影響:當橡膠套金屬輥組間距大于果實直徑時，無法使夏威夷果從樹枝上脫落;當橡膠套金屬輥組間距小于果實直徑時，可以有效地將夏威夷果與樹枝分離。當設備的回轉組件轉速為28r/min、橡膠套金屬輥組間距為30mm時，收取直徑30mm以上的夏威夷果的效果較好，且橡膠套金屬輥組間距遠大于夏威夷果花蕾的直徑，花蕾在收取過程中不會受到明顯傷害。

　　作者：高云華1，高玉芝2