祁連圓柏球果采摘機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

孫萬平， 陵軍成

(1.甘肅祁連山國家級自然保護(hù)區(qū)管理局烏鞘嶺自然保護(hù)站，甘肅 天祝 733203；2.甘肅省天?？h林業(yè)工作站，甘肅 天祝 733299)

祁連圓柏(SabinaprzewalskiiKom.)屬圓柏屬小喬木，獨(dú)干或多干合生，樹干直或略扭，木質(zhì)化的細(xì)枝前端抽生嫩枝，嫩枝上著生葉片，葉片為鱗葉和刺葉，為我國特有樹種[1]。祁連圓柏主要分布在青藏高原東北部和黃土高原西部邊緣地帶陽坡，四季常綠，具有良好的圓錐形樹冠和耐干旱、嚴(yán)寒、瘠薄、抗鹽堿的特性，是旱區(qū)、寒區(qū)荒山造林和城市園林綠化的首選樹種[2]。祁連圓柏苗木主要通過種子播種繁殖，成熟的球果脫去外圍松軟的外種皮后得到骨質(zhì)種子。祁連圓柏球果生長在樹冠外圍一年生嫩枝頂端，成熟的球果卵圓形或近圓球形，直徑8～13 mm，鮮重3～4 g。球果成熟后需及時(shí)采摘，否則自動(dòng)脫離母體墜落樹下。目前，人們采摘祁連圓柏球果時(shí)爬上樹或借助梯子人工采摘，也有人用木棍敲打樹枝，球果掉落地上后撿拾收集。人們爬樹和登梯采摘都存在人身安全隱患。木棍敲打采摘時(shí)，球果墜落地上后，因樹下灌木、草叢稠密，尋找和撿拾困難，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。設(shè)計(jì)的祁連圓柏球果采摘機(jī)，可實(shí)現(xiàn)祁連圓柏球果的機(jī)械化采摘，提高了采摘效率，降低了采摘成本。

1 試驗(yàn)情況

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于甘肅省天祝藏族自治縣松山鎮(zhèn)華尖苗圃，N36°48′、E103°24′，該地屬大陸性高原季風(fēng)氣候，光照充足，平均海拔2 452 m，相對無霜期90～145天，年日照時(shí)數(shù)2 500～2 700 h，年均降雨量360 mm，年均氣溫2.8 ℃，最熱月為7月，平均氣溫11.4 ℃，極端高溫35.4 ℃，最冷月為1月，平均氣溫-3.4 ℃，極端低溫-15.4 ℃，土壤類型為沙壤土，pH 7.6。1998年人工栽植祁連圓柏采種林200 hm2，目前樹高4～6 m，郁閉度0.4～0.5，管理水平良好，樹體健壯，全部進(jìn)入盛果期。

1.2 試驗(yàn)材料與方法

2019年10月試驗(yàn)地祁連圓柏球果由綠變黑時(shí)，表明種子已經(jīng)成熟，可以采摘。采摘時(shí)設(shè)立田間對比試驗(yàn)，分別采用傳統(tǒng)人工采摘和設(shè)計(jì)的祁連圓柏球果采摘機(jī)采摘。

傳統(tǒng)人工采摘，采摘時(shí)架設(shè)爬梯后站在爬梯上用手采摘，采摘的祁連圓柏球果放入隨身攜帶的布袋中收存。

使用祁連圓柏球果采摘機(jī)采摘，采摘時(shí)駕駛機(jī)器采摘，采摘機(jī)動(dòng)力部分為型號LW180KV的裝載機(jī)，加載的梳斗大小為長1.5 m、寬0.6 m。

采摘結(jié)束后，稱取使用不同方法采摘的祁連圓柏球果鮮重，計(jì)算采摘效率和成本。對不同采摘方法的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行直觀評價(jià)，用高、中、低進(jìn)行描述。試驗(yàn)地一個(gè)青壯年勞動(dòng)力每天工作10 h的雇工費(fèi)是150元，祁連圓柏球果采摘機(jī)(包括駕駛員)每天工作10 h的雇用費(fèi)是3 000元。數(shù)據(jù)采用Excel 2007和DPS 6.01軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 采摘機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

祁連圓柏球果采摘機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，梳斗結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。采摘機(jī)由裝載機(jī)和梳斗組成，梳斗為槽狀，前側(cè)有梳子狀鋸齒，后側(cè)有“O”字形對稱螺母組成的卡環(huán)Ⅰ、卡環(huán)Ⅱ、卡環(huán)Ⅲ，三個(gè)卡環(huán)呈品子形分布。梳斗安裝在裝載機(jī)前端的升降臂上，安裝時(shí)通過梳斗后側(cè)“O”字形對稱螺母組成的三個(gè)卡環(huán)和裝載機(jī)升降臂前端的螺孔對接，通過螺栓連接，連接后梳斗可繞裝載機(jī)升降臂自由旋轉(zhuǎn)。梳斗由厚度10 mm鋼板制成，梳斗梳子狀鋸齒之間的狹縫距離小于祁連圓柏球果最小直徑8 mm。

圖1 祁連圓柏球果采摘機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 梳斗結(jié)構(gòu)示意圖

祁連圓柏球果采摘機(jī)工作示意圖如圖3所示。采摘祁連圓柏球果時(shí)，操作者駕駛采摘機(jī)將前端的梳斗靠近祁連圓柏樹體樹干，操作采摘機(jī)升降臂，梳斗自下而上梳理祁連圓柏樹體樹冠枝條，生長在祁連圓柏嫩枝頂端的祁連圓柏球果被卡在梳斗的鋸齒之間，在梳斗上升過程中被摘下，脫離祁連圓柏樹體嫩枝落入梳斗底部，這樣就完成了祁連圓柏球果的采摘和收集。梳斗內(nèi)采摘的球果數(shù)量達(dá)到梳狀鋸齒底端水平線時(shí)，翻轉(zhuǎn)梳斗將球果倒出裝袋收集。

圖3 祁連圓柏球果采摘機(jī)工作示意圖

2.2 采摘機(jī)應(yīng)用效果對比分析

祁連圓柏球果采摘機(jī)應(yīng)用效果見表1。由表1可知，傳統(tǒng)人工采摘和應(yīng)用祁連圓柏球果采摘機(jī)采摘差異較大。傳統(tǒng)人工采摘的采摘效率為5.82 kg/人·h，采摘成本為2.58元/kg，且在采摘過程中需要爬梯，存在墜落的風(fēng)險(xiǎn)，安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)為高。祁連圓柏球果采摘機(jī)的采摘效率為152.47 kg/人·h，較傳統(tǒng)人工采摘提高了25.20倍，采摘成本為1.97元/kg，較傳統(tǒng)人工采摘降低了0.24倍，且采摘機(jī)工作過程中采摘者只需坐在駕駛室里操縱升降臂即可完成采摘，不存在傳統(tǒng)人工采摘時(shí)爬梯墜落的風(fēng)險(xiǎn)，安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)為低。

表1 祁連圓柏球果采摘機(jī)應(yīng)用效果

3 小結(jié)

使用祁連圓柏球果采摘機(jī)采摘祁連圓柏球果，與傳統(tǒng)人工采摘相比提高了采摘效率，降低了采摘成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中具有一定的應(yīng)用前景。林木種子的采集、加工和貯運(yùn)是林業(yè)育苗產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，在林業(yè)產(chǎn)業(yè)朝著機(jī)械化發(fā)展的今天，實(shí)現(xiàn)林木種子采摘工具的提升改造和機(jī)械化，有助于提高采摘效率和降低采摘成本，減少勞動(dòng)力的雇用數(shù)量和雇工成本[3]。設(shè)計(jì)的祁連圓柏球果采摘機(jī)利用裝載機(jī)為動(dòng)力，在升降臂前端加載梳斗，提高了采摘效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，擴(kuò)展了裝載機(jī)的功能，且操作簡單，實(shí)用性強(qiáng)，建議在祁連圓柏球果采摘中示范推廣。