振搖枸杞采收機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張文強(qiáng) 張明明 張俊雄 李 偉

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

枸杞的機(jī)械化采收方式可分為梳刷式和振動(dòng)式[1]。梳刷式枸杞采收方法屬于枸杞選擇性、接觸式采收方法。周兵等[2]設(shè)計(jì)了一種手持式枸杞采收機(jī)，利用柔性膠管環(huán)將枸杞果實(shí)分離。青海林豐農(nóng)牧機(jī)械制造有限公司[3]研制了一種梳刷式枸杞收獲機(jī)，通過梳齒的轉(zhuǎn)動(dòng)將果實(shí)聚攏至收集區(qū)域并夾持住，使枸杞果實(shí)在梳齒的作用力下與果柄脫離?，F(xiàn)有的梳刷采收方式易造成枸杞果實(shí)和枝葉的損傷，且常造成未成熟果實(shí)和花朵的誤采，影響采收的效率和凈度。振動(dòng)式枸杞采收方法是一種基于果實(shí)果柄結(jié)合力差異原理的非接觸枸杞采收方法,具有采收效率高的特點(diǎn)[4]。SO[5]針對韓國枸杞研制了一種能夠帶動(dòng)枝條振蕩的振動(dòng)收獲裝置，采收效率是人工采收的4.2倍，但是由于枸杞生物學(xué)特性差異，該裝置不適于寧夏枸杞的機(jī)械化采收。曹有龍[6]設(shè)計(jì)了一種手持式枸杞采摘器，基本原理是通過偏心機(jī)構(gòu)對枝條產(chǎn)生振動(dòng)，使枸杞果實(shí)做多次瞬時(shí)變向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)果實(shí)與果柄之間慣性力大于結(jié)合力時(shí)果實(shí)脫落從而實(shí)現(xiàn)采收，但該裝置在工作過程中會(huì)對操作人員手臂產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)感，容易造成肌肉疲勞。在大型枸杞自動(dòng)化采收裝備研究方面，肖宏儒和徐麗明等[7-9]研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的枸杞種植模式，由于枸杞枝條生長雜亂、長短不一、果實(shí)脆弱、行距窄，導(dǎo)致大型機(jī)具通過性低、作業(yè)效率低且枸杞的損傷率較高，只有推廣農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合的枸杞種植新模式，大型枸杞采收機(jī)才有可能推廣應(yīng)用。

為解決現(xiàn)有種植模式下的枸杞采收問題，結(jié)合枸杞機(jī)械化采摘發(fā)展趨勢[1]，本文設(shè)計(jì)一種振搖枸杞采收機(jī)，并建立枸杞采摘?jiǎng)恿W(xué)模型，分析影響枸杞分離的主要參數(shù)。利用ADAMS對簡化后的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，得出各個(gè)參數(shù)的取值范圍，并以這些參數(shù)為因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，得出最優(yōu)參數(shù)組合。在此基礎(chǔ)上，開展田間試驗(yàn)，驗(yàn)證其采摘效率。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

振搖枸杞采收機(jī)主要由手柄(內(nèi)含直流電動(dòng)機(jī))、收集盒、齒輪傳動(dòng)箱、偏心軸、連桿、平移板和振搖指排組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 振搖枸杞采收機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of vibrating wolfberry harvester1.手柄(內(nèi)含直流電動(dòng)機(jī)) 2.收集盒 3.齒輪傳動(dòng)箱 4.偏心軸 5.連桿 6.振搖指排 7.平移板

振搖枸杞采收機(jī)由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)箱改變傳動(dòng)方向，驅(qū)動(dòng)偏心軸旋轉(zhuǎn)，連桿連接偏心軸和平移板，平移板可沿滑動(dòng)軌道直線滑動(dòng)，偏心軸、連桿和平移板形成一曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，將枝條放入振搖指排間，可振搖枝條。

振搖枸杞采收機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 工作原理與過程

振搖枸杞采收機(jī)的采收原理如圖2所示。采收過程中，手持電動(dòng)機(jī)外殼手柄，將長有成熟枸杞的掛果枝條置于平移板上的振搖指排間，然后啟動(dòng)采收裝置，枝條便在振搖指排的帶動(dòng)下做一定頻率和振幅的晃動(dòng)，枸杞果實(shí)在枝條的晃動(dòng)過程中產(chǎn)生慣性力，當(dāng)慣性力大于枸杞果實(shí)與果柄之間的結(jié)合力時(shí)，果實(shí)便會(huì)脫落掉入收集筐內(nèi)，將振搖枸杞采收機(jī)沿枝條緩慢移動(dòng)，便可對枝條其余部分采摘，最后對收集筐內(nèi)的枸杞果實(shí)集中處理。

表1 振搖枸杞采收機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Specifications of vibrating wolfberry harvester

圖2 振搖枸杞采收機(jī)采收原理圖Fig.2 Working principle diagram of vibrating wolfberry harvester

2 采收裝置動(dòng)力學(xué)模型

以偏心輪圓心為原點(diǎn)O，水平方向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閥軸，建立如圖3所示坐標(biāo)系，根據(jù)曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律可知，滑塊的運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

對式(1)求導(dǎo)得其速度和加速度方程為

(2)

(3)

式中r1——偏心輪半徑, mm

r2——連桿長度，mm

ω——偏心輪角速度，rad/s

t——時(shí)間，s

s——滑塊與原點(diǎn)的距離，mm

v——滑塊運(yùn)動(dòng)速度，mm/s

a——滑塊運(yùn)動(dòng)加速度，mm/s2

圖3 動(dòng)力學(xué)模型Fig.3 Dynamic model

由式(2)、(3)可知，連桿長度r2對滑塊速度和加速度影響較小[10]，結(jié)合振搖枸杞采收機(jī)外部尺寸，將連桿長度定為r2=80 mm。由牛頓第二定律F=ma可知，影響枸杞分離的主要因素為偏心輪角速度ω、偏心輪半徑r1和時(shí)間t，分別對應(yīng)振搖枸杞枝條的頻率、振幅和時(shí)間。

在4～15 Hz范圍內(nèi)，大部分果枝存在一個(gè)共振頻率[11]，為了確定振幅和頻率的范圍，利用ADAMS對簡化后的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真[12]。為了使仿真結(jié)果更接近實(shí)際，應(yīng)先測量枸杞果實(shí)及果柄的相關(guān)物理特性和力學(xué)參數(shù)。測量品種為寧杞1號(hào)，樹齡為5 a。采用游標(biāo)卡尺測量成熟枸杞的縱橫徑、果柄長度及直徑，用高精度電子秤(廣東長協(xié)電子科技有限公司，型號(hào)：20G，量程：0～20 g，精度：0.001 g)測量成熟枸杞果實(shí)及果柄的質(zhì)量并間接計(jì)算出果柄的密度[13]，利用微型控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(深圳市瑞格爾儀器有限公司，型號(hào):RGT-0.2)測量果柄的彈性模量[12]，用推拉力計(jì)(樂清市艾德堡儀器有限公司，型號(hào)：HP-5，量程：0～5 N，精度：0.001 N)測量成熟果實(shí)與果柄之間的結(jié)合力[14]。測量前選取10株枸杞樹作為測量對象，每株枸杞樹作為一個(gè)測量樣本，利用上述方法得到20組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，測量結(jié)果如表2所示。

表2 成熟枸杞果實(shí)和果柄參數(shù)Tab.2 Data of Lycium batbarum fruits and stems

在ADAMS動(dòng)力學(xué)分析軟件中，將曲柄、連桿、滑塊、枸杞果實(shí)視為剛體，將果柄視為柔性體。然后創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副，曲柄和大地之間為旋轉(zhuǎn)副，連桿和曲柄之間為旋轉(zhuǎn)副，曲柄和滑塊之間為旋轉(zhuǎn)副，滑塊和果柄之間為球鉸副，果柄和果實(shí)之間為固連副。設(shè)置材料參數(shù)并添加曲柄和大地之間的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，將頻率轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，振幅為曲柄半徑的2倍，運(yùn)行ADAMS仿真軟件，檢測果柄與果實(shí)之間的慣性力變化[15]。結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Simulation curves of binding force changing

由圖4仿真結(jié)果可知，當(dāng)振搖頻率在8～14 Hz時(shí)，振幅在25～40 mm時(shí)，枸杞果實(shí)和果柄之間最大慣性力達(dá)到0.5～2 N，超過成熟枸杞果實(shí)果柄的結(jié)合力，此時(shí)能實(shí)現(xiàn)枸杞果實(shí)和果柄的有效分離[16]。但由圖4可知，不同頻率和振幅組合，果實(shí)與果柄之間慣性力超過結(jié)合力所需的時(shí)間不同。在工作過程中，振搖指排需沿著枝條移動(dòng)，將枸杞果實(shí)通過指排的時(shí)間視為果實(shí)果柄慣性力變化的時(shí)間，可知指排間距越大，枝條受振動(dòng)時(shí)間越長，果實(shí)與果柄之間慣性力超過結(jié)合力的可能性越大，且實(shí)際工作過程中振搖指排間距也會(huì)通過影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞和果實(shí)與指排之間的碰撞間接影響采收效果，因此振搖指排的間距也是影響采收效果的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。已知人握持振搖枸杞采收機(jī)沿枝條的移動(dòng)速度一般為50～200 mm/s，為了不影響采收效率，應(yīng)盡可能使通過指排間的枸杞果實(shí)在1 s內(nèi)被采收[17]，結(jié)合收集盒的外形尺寸，平移板上可布置3個(gè)振搖指排，因此指排間距應(yīng)在25～100 mm范圍內(nèi)。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

針對設(shè)計(jì)的振搖枸杞采收機(jī)，以采收機(jī)振搖頻率、振幅和指排間距為試驗(yàn)因素，以采收后的采凈率、采青率、損傷率為考察指標(biāo)[18]，按照正交試驗(yàn)的方法，開展田間試驗(yàn)，研究各因素對采收效果影響的主次關(guān)系，確定最佳參數(shù)組合。

3.1 試驗(yàn)條件和試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)時(shí)間：2017年7月15—20日；試驗(yàn)地點(diǎn)：寧夏農(nóng)林科學(xué)院枸杞研究所枸杞試驗(yàn)基地；試驗(yàn)采用的振搖枸杞采收機(jī)樣機(jī)零部件加工和裝配過程中，受加工條件的影響，對樣機(jī)結(jié)構(gòu)做了適當(dāng)調(diào)整，最終樣機(jī)如圖5所示。試驗(yàn)選取平均樹齡為5 a的寧杞1號(hào)樹種。該樹種為小灌木，株高1.4～1.6 m，株冠直徑1.5～1.7 m，結(jié)果枝160～285條，枝形弧垂或斜生，枝長36～54 cm，節(jié)間長1.6 cm，著果距4.2～6.8 cm，每節(jié)花果數(shù)1～2個(gè)。枸杞鮮果縱徑1.7～2.3 cm，橫徑0.88～1.06 cm，鮮果千粒質(zhì)量505～908 g。

圖5 振搖枸杞采收機(jī)實(shí)物圖Fig.5 Photo of vibrating wolfberry harvester

試驗(yàn)中選擇枸杞采凈率、采青率和損傷率為試驗(yàn)指標(biāo)。采凈率為

式中N——采收下的成熟果實(shí)總數(shù)，個(gè)

M——未采收下的成熟果實(shí)總數(shù)，個(gè)

S——采收下的青果總數(shù)，個(gè)

K——采收的成熟果實(shí)中損傷個(gè)數(shù)，個(gè)

3.2 試驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的振搖枸杞采收機(jī)的實(shí)際工作效果，尋求最佳參數(shù)組合，對所選3個(gè)試驗(yàn)因素進(jìn)行了三因素四水平正交試驗(yàn)，即選用正交表L16(43)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析，其因素與水平表如表3所示。其中振搖頻率可利用激光光源轉(zhuǎn)速表(深圳市驛生勝利科技有限公司，型號(hào)：DM6234，精度：0.1 r/min)測定偏心輪轉(zhuǎn)速，再轉(zhuǎn)換為振搖頻率,振幅可通過調(diào)節(jié)偏心軸偏心距離得到[19]。根據(jù)前述分析可知，振搖頻率范圍為8～14 Hz，振幅范圍為25～40 mm，指排間距范圍為25～100 mm[20]。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。A、B、C為因素水平值。

表3 試驗(yàn)因素水平Tab.3 Experimental factors and levels

表4 試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test design scheme and results

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

采收前后的枸杞枝條如圖6所示，采收的枸杞果實(shí)實(shí)物如圖7所示。振搖頻率、振幅和指排間距各水平對采收效果指標(biāo)的影響如表4和表5所示。由表5可知，各考察因子的極差越大，說明該因子對試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。這樣確定了采凈率、采青率和損傷率影響因素的主次關(guān)系。其中，振搖枸杞采收機(jī)的振幅和頻率對采凈率、采青率和損傷率均有顯著影響。當(dāng)頻率和振幅增大時(shí)，枝條在振動(dòng)過程中枸杞果實(shí)與果柄之間的慣性力也逐漸增大，從而可以使得枸杞果實(shí)更容易脫落，但是不可避免地也更容易造成未成熟果的脫落，且脫落后的枸杞果實(shí)運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)相應(yīng)的增大，增加了果實(shí)因碰撞造成機(jī)械損傷的幾率。指排間距對采凈率和采青率無顯著影響，但對損傷率有較顯著影響。當(dāng)指排間距由25 mm增大到100 mm時(shí)，損傷率從2.29%減小至1.63%。分析可知，采收過程中振搖指排會(huì)沿著枝條移動(dòng)，增大指排間隙可以減小枸杞果實(shí)與指排接觸的幾率，從而降低果實(shí)因與指排碰撞而造成的機(jī)械損傷。但從總體來看，損傷率維持在1.97%左右，滿足對枸杞的采收要求，由此可以看出振搖枸杞采收機(jī)解決了振動(dòng)式采收帶來的損傷率高的問題。

圖6 枸杞枝條采收前后對比Fig.6 Photo of before and after harvesting

圖7 收獲的枸杞果實(shí)實(shí)物Fig.7 Photo of harvested wolfberry

綜合各因素對采收效果的影響及其優(yōu)化組合，按照采凈率高、采青率低和損傷率低的原則，確定A4B4C4的較優(yōu)組合，即振搖頻率14 Hz、振幅40 mm、指排間距100 mm。但由表4可知，當(dāng)頻率增至12 Hz時(shí)，已達(dá)到較高的采凈率，如果再增大頻率，采凈率提升幅度不大，且會(huì)造成較高的采青率，同時(shí)頻率過高，會(huì)造成振搖枸杞采收機(jī)整體的劇烈振動(dòng)，容易引起操作人員的肌肉疲勞，因此可以在頻率為12 Hz的基礎(chǔ)上通過增大振幅來提升采凈率。因此，最終確定較優(yōu)組合為A3B4C4，經(jīng)試驗(yàn)，在此條件下振搖枸杞采收機(jī)的采凈率為93.52%，采青率為5.72%，損傷率為2.54%，滿足農(nóng)戶對枸杞采收的質(zhì)量要求。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析Tab.5 Range analysis of orthogonal experiment results

3.4 采摘效率試驗(yàn)

為了驗(yàn)證在該組合下振搖枸杞采收機(jī)的實(shí)際工作效果，并檢驗(yàn)其相對于人工采收的優(yōu)越性，開展了采摘效率對比試驗(yàn)。采摘效率是指單位時(shí)間內(nèi)采摘成熟果實(shí)的質(zhì)量[21]。為對比分析機(jī)采和人采效率比值，首先進(jìn)行人工采摘試驗(yàn)，由3位技術(shù)嫻熟的工人隨機(jī)選擇田間枸杞植株進(jìn)行采摘，采摘時(shí)間為5 min，人工采摘試驗(yàn)完畢后，進(jìn)行機(jī)器采摘試驗(yàn)，將振搖枸杞采收機(jī)工作參數(shù)調(diào)為振搖頻率12 Hz，振幅40 mm，指排間距100 mm，在枸杞種植園隨機(jī)選擇若干棵樹齡5 a以上的枸杞植株進(jìn)行采摘試驗(yàn)，共計(jì)3次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為5 min，試驗(yàn)后整理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。結(jié)果表明在參數(shù)組合為頻率12 Hz、振幅40 mm、指排間距100 mm時(shí)，振搖枸杞采收裝置采收效率是人工采摘效率的5.5倍。

表6 采摘效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.6 Test data of picking efficiency

4 結(jié)論

(1)為了解決振動(dòng)式采收機(jī)器損傷率高的問題，設(shè)計(jì)了一種針對枸杞枝條的振搖枸杞采收機(jī)，主要由直流電動(dòng)機(jī)、收集盒、齒輪傳動(dòng)箱、偏心軸、連桿、平移板和振搖指排組成。

(2)根據(jù)枸杞振動(dòng)分離采摘原理，建立了枸杞采摘?jiǎng)恿W(xué)模型，得出振搖頻率、振幅和指排間距是影響采收效果的主要影響因素，并通過ADAMS對簡化后的模型進(jìn)行仿真分析，確定了這些參數(shù)的取值范圍。

(3)以采收后的枸杞采凈率、采青率和損壞率為試驗(yàn)指標(biāo)，以振搖頻率、振幅和指排間距為試驗(yàn)因素對振搖枸杞采收機(jī)進(jìn)行了三因素四水平正交試驗(yàn)，結(jié)果表明，振搖枸杞采收機(jī)能有效降低果實(shí)損傷率，振幅和頻率是影響采凈率、采青率和損傷率的顯著因素，指排間距是影響損傷率的顯著因素。3個(gè)參數(shù)的最佳組合為：頻率12 Hz、振幅40 mm和指排間距100 mm，在該組合條件下的采凈率為93.52%，采青率為5.72%，損傷率為2.54%，滿足對枸杞采收的質(zhì)量要求。并以該組合條件為基礎(chǔ)，通過與人工采摘對比試驗(yàn)表明，振搖枸杞采收機(jī)采摘效率為485 g/min，是人工采摘效率的5.5倍。