手持式花椒采摘機械的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

盧營蓬，易文裕，熊昌國，庹洪章，王 攀

（四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院，四川成都610066）

花椒是中國的原生植物和特色經(jīng)濟物種，種植地區(qū)遍及黃河和長江中上游的20 多個?。▍^(qū)），其中以四川、甘肅、陜西等省種植面積居多?；ń窐淠拓汃?，在我國平原和海拔2 500 m 以下丘陵山地均可良好生長，作為引導(dǎo)農(nóng)民增收致富的新經(jīng)濟增長點，花椒種植在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)脫貧中廣泛推廣，種植面積迅速擴大。

采摘是花椒種植用工量最大的環(huán)節(jié)，約占花椒生產(chǎn)全過程的33%～55%[1]，每年的6—8 月是花椒采摘期，椒園里呈現(xiàn)萬千椒農(nóng)采椒忙的景象。為實現(xiàn)花椒高效采摘，研究人員試驗了高枝剪切、化學(xué)藥劑噴灑、機械振動、負(fù)壓吸收等多種方法，但受制于花椒樹多刺、果實分布雜亂、油胞易破損的生物學(xué)特性以及大部分椒園宜機性差的農(nóng)藝條件，導(dǎo)致高效大規(guī)模的采收方法難以大范圍推廣。當(dāng)前我國花椒仍以手工采摘為主，但傳統(tǒng)掐摘不僅效率低下，還極易傷手，為此一些便攜手持式花椒采摘機械得以開發(fā)，極大減輕了椒農(nóng)勞動強度，采摘效率也得到一定提升，為緩解花椒采摘難題提供了一定幫助。

1 花椒機械化采摘的必要性

1.1 手工采摘效率低、成本高、勞動強度大

花椒采摘是極為費時費力的環(huán)節(jié)，由于花椒樹枝條散亂、果實雜亂無序，使得人工采摘效率低下，勞動力成本高。2019 年花椒人工采摘費用約4～6元/kg，采摘效率約20～50 kg/d，總收獲費用已近產(chǎn)值的1/3，極大制約了花椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而花椒幾乎全樹帶刺，莖和枝長有皮刺，葉軸有刺突，葉柄及小葉生有小刺，手工采摘容易劃傷手臂和扎傷手指，且花椒油胞易破損，長時間采摘易使指甲縫在花椒刺激下出現(xiàn)麻疼感，高強度、易受傷的手工采摘進一步加劇了農(nóng)村勞動力缺乏與用工需求增加之間的矛盾。

1.2 種植規(guī)模擴大急需提高采摘效率

近年來，得益于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、市場需求拉動、扶貧產(chǎn)業(yè)實施、退耕還林工程建設(shè)等各方面的綜合推動，我國花椒種植面積迅速擴大，全國種植面積約167 萬hm2，并且種植面積每年以20%～30%的速度增加[2]。大面積的花椒種植，使得用工量迅速增加，尤其在6—8 月的采收期，采摘工人的需求激增，陜西韓城地區(qū)每年出現(xiàn)“10 萬椒客到韓城”的景象[3]。若不能在收獲期正常采收，不僅產(chǎn)量降低還影響花椒品質(zhì)，采摘過早，果皮薄且色暗，果仁含油量低，品質(zhì)差，產(chǎn)量降低；采摘過晚，果實干裂落仁，果穗脫落[4]；采摘不及時，陰雨天氣將導(dǎo)致落果甚至霉變。若不提高花椒采摘效率，難以化解用工需求增加與勞動力短缺的矛盾，極大影響椒農(nóng)種植積極性。

1.3 采摘是花椒生產(chǎn)機械化的瓶頸

隨著農(nóng)村勞動力的逐年減少，花椒生產(chǎn)的機械化是必然趨勢。除采摘環(huán)節(jié)外，椒園耕整地、施肥、植保、修剪、產(chǎn)后加工等環(huán)節(jié)機械化實現(xiàn)難度低，有現(xiàn)成可用或方便改進的農(nóng)業(yè)機具，可基本滿足作業(yè)和加工要求。但花椒樹形散亂，全樹帶刺，易因油腺破裂影響品質(zhì)，這些生物學(xué)特性大大增加了機械采摘難度，制約花椒生產(chǎn)過程機械化水平的提高。只有實現(xiàn)機械采摘，提高采摘效率，減輕椒農(nóng)勞動強度，節(jié)約人工成本，提高花椒生產(chǎn)過程機械化水平，才能破解制約花椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸難題。

1.4 機械采摘有利于花椒產(chǎn)業(yè)長期穩(wěn)定發(fā)展

從2013 年開始，花椒價格不斷上漲，2016 年突破100 元/kg，2018 年受主產(chǎn)區(qū)霜凍影響，價格漲至120 元/kg，價格上漲推動花椒種植熱情高漲，導(dǎo)致種植面積大規(guī)模增加。但花椒種植投入大、見效慢，椒農(nóng)總結(jié)為 1 年種植，3 年掛果，5 年盛果，待新增產(chǎn)量上市供應(yīng)后，不可避免會沖擊花椒價格，甚至出現(xiàn)供過于求、“低價傷農(nóng)”的現(xiàn)象。實現(xiàn)機械采摘，降低種植成本，提升規(guī)模效應(yīng)，是應(yīng)對跟風(fēng)種植沖擊花椒行業(yè)的良好手段，有利于花椒產(chǎn)業(yè)長期穩(wěn)定發(fā)展。

2 手持式花椒采摘機械發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)80 年代，為改善花椒采摘費時費力的現(xiàn)狀，椒農(nóng)開始自制簡易花椒采摘工具來代替人工掐摘[5]，研究人員也著手研發(fā)花椒采摘機械，1994年葉全民等設(shè)計了一種針對頂生小果實的采集機，對花椒采摘頭的設(shè)計進行了具體描述[6]；2006年田安樂等設(shè)計了一種花椒采摘器，由采摘頭、6 W電機、收集器、6 V 電池和操作手柄組成，整機質(zhì)量低于3 kg，工作時由采摘頭的旋轉(zhuǎn)刷與機殼產(chǎn)生的拖拉力使椒穗與樹枝分離[7]；2007 年陜西韓城市偉山機械廠推出了新型手槍式花椒采摘器，并經(jīng)過多次的改進優(yōu)化，在陜西地區(qū)的大紅袍花椒采摘應(yīng)用較廣。此后，各種型式的花椒采摘機械不斷研制成功和上市，根據(jù)刀頭型式分類，當(dāng)前的手持式花椒采摘機械可分為鋸齒式、剪刀式、旋轉(zhuǎn)式3 大類。

2.1 鋸齒式花椒采摘機械

鋸齒式手槍形花椒采摘機，有雙刀口（見圖1-a）和八面刀口等型式（見圖1-b），由減速電機、動力傳動機構(gòu)、刀片組合、電池、電源開關(guān)和機殼組成。雙刀口型式的刀口排列方向與手柄方向垂直，刀片組合包括一組定刀片與動刀片，定刀片有2 個“U”形剪口，動刀片有1 個“U”形剪口，傳動機構(gòu)包括圓柱形動力傳動輪和連桿，動力傳動輪安裝在減速電機輸出軸上，連桿連接動力傳動輪與動刀片，帶動動刀片往復(fù)運動，與定刀片形成鋸齒式雙刀口切割動作。

八面刀口的刀片組合包括中間定刀片、上動刀片和下動刀片，中間定刀片呈“十”字形，橫豎方向的兩側(cè)均分布有“U”形剪口，上動刀片與定刀片豎方向重合，兩側(cè)均分布“U”形剪口，下動刀片與定刀片橫方向重合，兩側(cè)均分布“U”形剪口，傳動機構(gòu)包括傳動齒輪組、倒向齒輪組以及上下動刀片對應(yīng)的連桿和動力傳動輪，傳動齒輪組的主動輪與電機輸出軸連接，一路動力經(jīng)傳動齒輪組的主動輪通過上動力傳動輪和上連桿傳遞至上動刀片，另一路動力經(jīng)傳動齒輪組的從動輪通過倒向齒輪組、下動力傳動輪和下連桿傳遞至下刀片，最終上動刀片豎方向的往復(fù)運動與下動刀片橫方向的往復(fù)運動與定刀片之間形成4 個方位共8 個面的切割動作[8]。

電池安裝有內(nèi)置和外掛2 種型式，內(nèi)置電池使采摘頭操作更靈活，不受電源線的束縛，但重量相應(yīng)增加，且電池容量較小，續(xù)航能力受限。外掛電池將電池挎在腰間，不僅減輕采摘頭重量，還可采用更大容量的電池，增加續(xù)航。

鋸齒式手柄形花椒采摘機，有單面刃（見圖2-a）和雙面刃2 種型式（見圖2-b），雙面刃型式在刀口的兩側(cè)均開有刃口，2 個方向均可進行切割，提高了采摘效率。采摘機由電機、傳動機構(gòu)、刀片組合、電源開關(guān)、機殼、外掛電池組成，刀片組合由兩片相同的定刀片和安裝在定刀片中間的動刀片組成，動刀片開有多個尖齒，定刀片開有多個“U”形口，為動刀片切割提供支撐。傳動機構(gòu)為蝸輪蝸桿組合以及連桿，蝸桿固定在電機軸上，連桿一端固定在蝸輪的偏心位置，另一端與動刀片連接，將蝸輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為動刀片的直線往復(fù)運動。

2.2 剪刀式花椒采摘機械

剪刀式手槍形花椒采摘機（見圖3），采摘動作模擬剪刀剪切，刀片組合為動刀片和開有“V”形口的定刀片。采摘機結(jié)構(gòu)主要包括電機、傳動機構(gòu)、刀片組合、電源開關(guān)、電池、機殼，傳動機構(gòu)由蝸輪蝸桿和連桿組成，電機的動力依次經(jīng)由蝸桿、蝸輪、連桿傳遞至動刀片，帶動刀片組合剪切花椒椒柄。

2.3 旋轉(zhuǎn)式花椒采摘機械

旋轉(zhuǎn)式帶收集的花椒采摘機（見圖4），由電機、刀片、電源開關(guān)、機殼、外掛電池組成。刀片為柳葉形，直接安裝在電機輸出軸上，刀片的一端為直線刃口，另一端為齒形刃口。箱形機殼的下方開有可加裝收集裝置的圓形口，采摘機工作時，將刀片靠近花椒椒柄，切斷后的果實沿著機殼內(nèi)壁滑下，進入收集裝置。

旋轉(zhuǎn)式手柄形花椒采摘機（見圖5），由電機、刀片、傳動機構(gòu)、電源開關(guān)、機殼、外掛電池組成。采用圓盤鋸式刀片，刀片上方的機殼頂部有鷹鉤形突出，既可勾夾花椒椒柄，又可作為刀片的切割支撐。傳動機構(gòu)為一對錐齒輪組，主動輪與加長的電機輸出軸連接，動輪與刀片固定，從而將電機的水平旋轉(zhuǎn)調(diào)整為刀片的豎直旋轉(zhuǎn)。

3 手持式花椒采摘機械參數(shù)對比

各種型式的手持式花椒采摘機參數(shù)對比如表1所示。

采摘頭的重量是手持式采摘裝備的一個重要參數(shù)，直接影響到椒農(nóng)采摘的勞動強度，采摘頭應(yīng)符合輕簡化設(shè)計要求，使用起來盡量輕巧靈活。對比表1中各型采摘機，重量最大的產(chǎn)品是鋸齒式手槍形雙刀口花椒采摘機，采摘頭重量為523 g，重量最小的產(chǎn)品是鋸齒式手柄形單面刃花椒采摘機，采摘頭重量僅164 g，作業(yè)時非常輕便。而電池外掛的采摘機將電池重量轉(zhuǎn)移到腰間，所以相比電池內(nèi)置的產(chǎn)品有明顯的重量優(yōu)勢。

表1 手持式花椒采摘機參數(shù)對比

花椒樹全身帶刺、枝條散亂、果實分布雜亂無序，因此花椒采摘機要能輕松進入椒樹，并靈活切換方位靠近椒柄，必須要有細長的外形。根據(jù)表1，外形尺寸與刀片型式無關(guān)，主要受采摘機結(jié)構(gòu)型式影響，手柄形采椒機的外形尺寸相比手槍形采摘機在寬度和高度方向的尺寸更小，外形尺寸更適合采摘作業(yè)。

切口長度是刀片組合在各個方向上進行切割作業(yè)的總長度，切口越長，切割范圍越廣，更容易對準(zhǔn)花椒椒柄，提高采摘效率，但切口過長易傷枝傷果，因此切口長度的選擇要綜合考慮這兩方面的因素。根據(jù)表1，不同的刀片型式對切口長度影響較大，鋸齒式刀片便于進行不同方位和長度的擴展，因此切口長度最長，表1 中鋸齒式手槍形八面刀口采摘機，8 個方位的總切口長度達200 mm，可在多個方位進行作業(yè)；剪刀式刀片組合受制于剪切動作的結(jié)構(gòu)，所以切口長度最短，表1 中剪刀式手槍形采椒機的切口長度僅10 mm，對準(zhǔn)椒柄剪切的效率較低；旋轉(zhuǎn)式刀片的切口長度與刀片的直徑成正相關(guān)，與護罩大小呈負(fù)相關(guān)，長度介于鋸齒式和剪刀式之間。

便捷性是考慮采摘頭重量、外形尺寸和切口長度的綜合參數(shù)，采摘頭重量輕、外形細長、切口長的采摘機便捷性最好。對比表1 中各型采摘機，鋸齒式手槍形八面刀口具有采摘機切口長優(yōu)勢，鋸齒式手柄形雙面刃采摘機采摘頭具有重量輕、外形細長、切口較長的優(yōu)勢，旋轉(zhuǎn)式手柄形采摘機采摘頭具有重量較輕、外形細長的優(yōu)勢，便捷性均較優(yōu)。

花椒采摘機在野外工作，續(xù)航也是影響采摘效率的一個重要因素，外掛電池相比內(nèi)置電池在續(xù)航上有明顯優(yōu)勢，不僅可以采用容量大的電池，還便于更換，節(jié)省更換電池的時間。

4 手持式花椒采摘機械存在的問題及發(fā)展趨勢

4.1 采摘效率不高

當(dāng)前的手持式花椒采摘機械實現(xiàn)了以機械采摘代替手工掐摘，保護采椒工人免受刺傷與椒麻，降低了勞動強度，但采摘效率未有明顯提升。由于不適應(yīng)花椒樹形散亂、果實分布雜亂、椒柄短且與枝葉和花芽距離近的農(nóng)藝條件，采摘時出現(xiàn)不能深入椒樹靠近椒柄、刀口對準(zhǔn)椒柄難、調(diào)整刀口方位不便、未固定椒柄采摘時退讓等問題，導(dǎo)致操作不便，采摘不靈活，效率不高，甚至不及手工掐摘，導(dǎo)致部分椒農(nóng)寧愿手采也不使用采摘工具。

手持式采摘工具應(yīng)遵循“輕簡靈活、操作方便、安全高效”的設(shè)計理念，適應(yīng)花椒樹樹形、枝葉和果實分布、花椒生長過程等生物學(xué)特性，具有便于進入椒樹和手持操控的外形，能多方位、多角度靠近以及勾夾花椒椒柄的刀頭，在保護椒農(nóng)操作的同時提高采摘效率。也可設(shè)計集果裝置，采摘后隨即收集椒果，不僅減少撿果量，節(jié)約集果時間，還能減少花椒摔落導(dǎo)致油胞破裂對品質(zhì)的影響。

4.2 對花椒樹保護作用不強

各種型式的手持式花椒采摘機械，在靠近椒柄以及鋸、剪、割工作時，難以避免傷枝、傷葉、傷果。若損傷枝條上的芽孢，將影響椒樹的來年產(chǎn)量，若觸碰果實，易破壞果實油胞，降低花椒品質(zhì)。

為盡可能在采摘時避免傷枝、傷葉、傷果，應(yīng)優(yōu)化手持式花椒采摘機械的刀口設(shè)計。花椒椒柄直徑范圍約1～3 mm，質(zhì)地嫩脆，切割強度要求低，可設(shè)計具有多方位、多角度切割面的小巧型刀口結(jié)構(gòu)，保證操作靈活性的同時避免接觸椒樹的其他部位；也可設(shè)計可調(diào)的刀口保護裝置，在靠近椒柄前遮蔽刀口保護椒樹，在對準(zhǔn)椒柄時露出刀口切割椒柄，這種設(shè)計也能提高安全性，避免誤操作傷人。

4.3 農(nóng)機與農(nóng)藝融合不深

花椒高效機械采摘實現(xiàn)難度極大，原因在于極其復(fù)雜的農(nóng)藝條件?；ń窐湫紊y、全身帶刺，果實分布雜亂、成簇粒數(shù)不一、椒柄短、油胞易破裂，椒園多建在丘陵山地，導(dǎo)致宜機性差，當(dāng)前手持式花椒采摘機械以農(nóng)機適應(yīng)農(nóng)藝，難度大且成本高，機械化優(yōu)勢不明顯，采摘效率難以顯著提高，難以廣泛推廣應(yīng)用。

農(nóng)機與農(nóng)藝深度融合是花椒生產(chǎn)機械化的必然趨勢，有序的枝條生長、一定規(guī)律的果實分布、高標(biāo)準(zhǔn)宜機化建園、避開直接采果的生產(chǎn)技術(shù)均可降低花椒機械化采摘難度，提高花椒生產(chǎn)效率。四川多地青花椒生產(chǎn)采用伐條、剪果或伐條、烘干、脫粒的工藝流程，避開了效率低下的樹上摘果環(huán)節(jié)，剪果和脫粒后的枝條還可用作直接燃料或制備生物質(zhì)燃料，取得了經(jīng)濟和生態(tài)雙重效益。