梳齒式鈣果采摘試驗臺的設計與試驗

房大偉，賀俊林，何永強，杜曉斌，易猛，荊誼，杜俊杰

(1.山西農業(yè)大學工學院，山西 太谷 030801； 2.山西農業(yè)大學園藝學院，山西 太谷 030801)

鈣果，學名歐李(Cerasushumilis)，是我國特有的新型果樹資源[1]，其果實內富含果酸鈣，有良好的經濟價值，開發(fā)利用前景廣闊[2-3].但當前鈣果基本靠人工采摘，機械化采收還處于探索階段[4-6],使得鈣果產業(yè)發(fā)展停滯.因此，關于鈣果的機械化采收亟需開展.

目前，國內外學者對梳齒機械進行了大量研究，姬長英等[7]設計了1種手推式杭白菊梳齒摘花機構，梳齒摘花機能夠實現(xiàn)對杭白菊花的采摘；曹衛(wèi)彬等[8]對梳夾式紅花采摘頭性能進行了試驗并對參數(shù)進行了優(yōu)化；高自成等[9]發(fā)現(xiàn)當梳齒采摘上升速度、回轉速度發(fā)生改變時，對油茶果的采摘效率有較大的影響.徐麗明等[10]研究了梳齒振動裝置在枸杞采摘上的應用；Detlef等[11-12]在收獲洋甘菊中發(fā)現(xiàn)，利用雙刀梳齒收獲方案對花朵的采摘有較大影響,還證實了不同參數(shù)的梳齒刀片對采摘特性的影響存在差異；Filippo[13]探尋了不同彎曲形狀、不同涂層材料的波狀梳齒在收獲食用橄欖中的不同；Branislav等[14]利用旋轉梳齒型收割機實現(xiàn)了對萬壽菊的機械采摘.然而關于鈣果多集中于基因[15]、栽培[16]、質構[17]及深加工上[3]，對梳齒式鈣果采摘方面的研究鮮有報道.

本文針對成熟期的鈣果機械采摘程度低的問題，結合成熟期鈣果植株和果實的基本生長特性，設計了梳齒式鈣果采摘試驗臺，并進行了臺架試驗研究，以期得到了較優(yōu)的工作參數(shù)組合，旨在為鈣果機械化收獲、作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供理論參考依據(jù).

1 試驗臺結構及工作原理

鈣果機械化采收是一項技術性、季節(jié)性比較強的工作，采收條件困難，并且在采收的過程中不能損壞鈣果，采收期較短，一般僅為20 d左右.

1.1 鈣果植株及果實的基本生長特性

以山西省太谷縣巨鑫園區(qū)鈣果基地主種品種“農大6號”成熟期鈣果植株及果實進行研究.植株高L1為600～800 mm，掛果區(qū)位差L2為550 mm，根部直徑d1為4.88～8.28 mm，頂端直徑d2為3.84～6.31 mm[5]，如圖1-A所示.鈣果單果粒重為13.10～15.32 g，鈣果的三軸尺寸，如圖1-B所示，果實長為29.20～31.26 mm，寬為27.53～29.71 mm，高為23.33～25.41mm[17].

A：成熟期鈣果植株生長特性；B：鈣果三軸尺寸.A：Physical parameters of mature fruit plants；B：Triaxial size of fruit.圖1 鈣果植株及果實的基本生長特性Figure 1 Physical parameters of mature fruit and plants

1.2 試驗臺整體結構

梳齒式鈣果采摘試驗臺是鈣果采摘關鍵部件，具體結構、名稱如圖 2所示.采摘試驗臺包括輸送裝置(導軌、輸送平臺、枝條夾具)，機械裝置(梳齒采摘機構、機架)，動力驅動裝置(電磁調速電動機)，調速控制裝置(調速器)等.采摘試驗臺參數(shù)如表1所示.

表1 梳齒式鈣果采摘試驗臺參數(shù)Table 1 Parameters of comb-type picking test bench for Cerasus humilis

1：導軌；2：輸入平臺；3：枝條夾具；4：鈣果植株；5：梳齒采摘機構；6：機架；7：電磁調速電機；8：調速器.1：Slideway；2：Input platform；3：Branch fixture；4：Plant of Cerasus humilis；5：Structural figure of comb-type；6：Chassis.7.Electromagnetic speed regulating motor 8.Speed governor.圖2 梳齒式鈣果采摘試驗臺結構示意圖Figure 2 Structural figure of comb-type picking test bench for Cerasus humilis

1.3 工作原理

工作時電磁調速電機通過帶傳動(傳動比為1∶1)控制從動軸的轉速，梳齒采摘機構固定在從動軸上，由從動軸帶動整個梳齒采摘機構旋轉.采摘機構旋轉，梳齒由下往上對鈣果植株進行梳刷，當梳齒間隙介于鈣果植株直徑與鈣果果實最大處直徑時，植株有效喂入梳齒，梳齒運動觸碰到鈣果果實最大處時，利用沖擊力將鈣果從植株上摘下，從而實現(xiàn)鈣果采摘.

2 關鍵部件設計及工作原理

2.1 梳齒采摘機構

梳齒采摘機構是梳齒式鈣果采摘試驗臺重要工作單元，由輻盤、從動帶輪、軸承座、傳動軸、梳齒安裝座、滾筒、梳齒等組成，如圖3所示.滾筒上均勻分布4排梳齒安裝座，通過螺栓固定在滾筒上，每個梳齒安裝座上均勻分布著47 對螺栓孔，相鄰孔的中心距為10 mm.梳齒的截面寬度10 mm，通過雙螺栓連接緊固安裝在梳齒安裝座內，可拆卸實現(xiàn)不同梳齒間隙、不同梳齒形狀的調節(jié).滾筒兩端設有輻盤，輻盤與傳動軸相連.

1：輻盤；2：傳動帶輪；3：軸承座；4：傳動軸；5：梳齒安裝座；6：滾筒；7：梳齒；8：螺栓孔.1：Spoke plate；2：Belt pulley；3：Bearing seat；4：Transmission shaft；5：Comb mounting seat；6：Roller；7：Comb；8：Bolt hole.圖3 梳齒采摘機構結構示意圖Figure 3 Structural figure of Cerasus humilis comb-type picking test bench

2.2 梳齒采摘機構回轉外徑

梳齒采摘機構是通過沖擊碰撞將鈣果摘落，其回轉外徑影響鈣果從植株上摘下.工作時，梳齒運動為梳齒繞傳動軸的圓周運動與機器前進運動的合成[18].設機器由右向左進行采摘，梳齒水平向上開始梳刷，采摘工作時梳齒上任意1點的運動軌跡如圖4所示.

O為坐標原點，前進方向為x軸，垂直方向為y軸，梳齒旋轉角速度為ω.經過一段時間后，梳齒上的任意1點的運動軌跡方程為：

(1)

式中，v為機器前進速度(m/s)；H為傳動軸安裝高度(mm)；r為梳齒上某1點到傳動軸的距離(mm)；ω為滾筒轉動角速度(rad/s)；t為時間間隔；s、O1為梳齒傳動軸的位置.

圖4 梳齒運動軌跡Figure 4 Trajectory of comb

為滿足將鈣果果實能夠全部被摘下，梳齒機構回轉外徑R為：

(2)

當梳齒運動到y(tǒng)軸方向最高點時，(y-H)應大于等于鈣果掛果區(qū)位差(mm).經調查測得掛果區(qū)位差為550 mm，設計時取梳齒回轉外徑為650 mm.

2.3 梳齒間隙

梳齒間隙大小直接影響鈣果果實與植株的分離效果.鈣果從植株被采摘下需要滿足：

2Fy≥T

(3)

式中，F(xiàn)y為梳齒對鈣果沖擊力F在豎直方向力(N)；T為植株對鈣果的拉力，即果實脫落的力(N).

(4)

式中，F(xiàn)為梳齒對鈣果的沖擊力(N)；α為F與水平方向的夾角(°)；d為梳齒間隙(mm)；s為鈣果植株的重心到梳齒上端面的距離(mm).

1：鈣果植株；2：梳齒.1：The plant of Cerasus humilis fruit；2：Comb.圖5 采摘過程中鈣果受力示意圖Figure 5 Schematic diagram of Cerasus humilis force during picking process

由式(3)、(4)得出：

(5)

由式(5)可知，F(xiàn)與d同趨向變化，梳齒間隙d變大，使梳摘下鈣果沖擊力變大，果實更易破損，但過小易造成阻塞、纏繞等.因此，梳齒間隙d小于鈣果果實最大處直徑，大于鈣果植株直徑.因此，d理論范圍取值為10～30 mm，最佳采摘間隙通過采摘試驗確定.

2.4 梳齒轉速

梳齒轉速的大小影響鈣果果實的采摘質量，經前期試驗[6]，其轉速大于30 r/min 時，可將鈣果梳脫，當大于70 r/min時，梳脫下的鈣果破損嚴重，因此選擇梳齒轉速在30～70 r/min之間.

2.5 梳齒形狀

梳齒是直接將鈣果果實梳脫的部件，其形狀與鈣果摘落質量相關.參考玉米梳齒摘穗[18]、鈣果收獲[19]，選取圓弧形、圓角形、六角形3種不同形狀梳齒，探尋鈣果采摘的最佳梳齒形狀.不同形狀梳齒如圖6所示.

1：圓弧形；2：圓角形；3：六角形.1：Arc；2：Fillet；3：Hexagon.圖6 不同形狀的梳齒Figure 6 Different shapes of comb

3 臺架試驗

3.1 試驗材料與方法

“農大6號”鈣果植株，自制試驗臺，電子天平(量程 0～1 000 g，精度 0.01 g),數(shù)字式轉速表(量程：2.5～99 999 r/min，精度：0.1 r/min).如圖7所示為鈣果采摘試驗臺.

采摘試驗在室內進行，因鈣果采摘試驗臺固定，需通過鈣果植株移動來模擬田間作業(yè)時收獲機器與植株的相對運動.試驗時，將鈣果植株根部通過枝條夾具用螺栓固定在輸送裝置上，調速電機輸出端轉動帶動牽引繩使固定鈣果植株的輸送裝置沿導軌向鈣果采摘試驗臺喂入進而實現(xiàn)采摘試驗，試驗時輸送裝置的前進速度為0.4 m/s[20].

圖7 鈣果采摘試驗臺Figure 7 Combing performance test bentch

3.2 試驗因素及水平設計

根據(jù)梳齒運動軌跡和脫果受力影響，選取影響采摘效果的關鍵因素：梳齒間隙、梳齒轉速、梳齒形狀進行三因素三水平正交試驗[21]，正交試驗因素和水平如表2所示.

表2 正交試驗因素與水平表Table 2 Orthogonal test factors and levels

3.3 試驗指標確定

按照鈣果采摘試驗臺的工作性能，明確上述影響因素對鈣果采摘質量影響.本試驗選用鈣果采凈率Y1、和破損率Y2作為評價指標，計算方法如式(6)、(7)所示.

鈣果采凈率Y1：梳脫下鈣果質量與試驗前植株上所有鈣果總質量的百分比為鈣果采凈率.其計算公式為：

(6)

式中，M1為梳脫下鈣果質量(g)；M為試驗前植株上所有鈣果總質量(g).

鈣果破碎率Y2：被梳脫下鈣果中破損質量與梳脫下鈣果質量的百分比為破損率.其計算公式為：

(7)

式中，M2為被梳脫下鈣果中破損質量(g).

本試驗通過正交組合，安排9組試驗，每組試驗重復3次，結果取平均值.試驗結果通過SAS8e 軟件進行處理分析.正交試驗方案與結果如表3所示.

為了確定梳齒間隙、梳齒轉速、梳齒形狀3個試驗因素交互對試驗指標的影響，對各因素進行了方差和極差分析，如表4、表5所示.

表3 正交試驗方案與結果

表5 極差分析結果

4 結果分析與驗證

4.1 結果分析

由表5可知，梳齒間隙和梳齒轉速對采凈率呈顯著性影響(P<0.05)，梳齒轉速和梳齒形狀對破損率呈顯著性影響(P<0.05).

極差結果如表6所示，分析表明：各因素對采凈率影響的主次排序是梳齒間隙>梳齒轉速>梳齒形狀；各因素對破損率影響的主次排序是梳齒轉速>梳齒形狀>梳齒間隙.

采凈率的較優(yōu)參數(shù)組合是A2B3C2,破損率較優(yōu)參數(shù)組合是A2B1C2,兩種指標在梳齒間隙為20 mm時工作情況較好.由方差分析的結果可得，梳齒轉速對于采凈率和破損率均有顯著的影響，隨著轉速的升高，采凈率和破損率呈現(xiàn)增加的趨勢.梳齒形狀對采凈率指標無明顯影響，但對破損率有顯著影響.綜合考慮，為得到較高采凈率且較低的破損率，梳齒作業(yè)的較優(yōu)組合是A2B1C2，即梳齒間隙為20 mm，梳齒轉速為30 r/min梳齒形狀為圓弧形.

4.2 試驗驗證

以梳齒間隙為20 mm，梳齒轉速為30 r/min梳齒形狀為圓弧形，在梳齒采摘試驗臺上進行驗證試驗，為消除隨機誤差，進行3次重復性試驗取平均值，結果采凈率為96.01%，破損率為2.21%,如圖8所示為用較優(yōu)組合試驗前后采摘效果對比.

圖8 較優(yōu)參數(shù)組合試驗前后采摘對比Figure 8 Comparative effect before and after the combination of better parameters

5 結論

1) 針對鈣果采收機械化程度低的問題，設計了梳齒式鈣果采摘試驗臺，主要包括機架、梳齒采摘機構、動力驅動裝置、調速裝置、輸送裝置等.

2)以采凈率，破損率為試驗指標，對試驗數(shù)據(jù)通過SAS8e軟件處理及分析，各因素對采凈率影響的主次排序是梳齒間隙、梳齒轉速、梳齒形狀，各因素對破損率影響的主次排序是梳齒轉速、梳齒形狀、梳齒間隙.

3)以較優(yōu)的參數(shù)組合梳齒間隙為20 mm，梳齒轉速為30 r/min梳齒形狀為圓弧形，在梳齒式鈣果采摘實驗臺上進行驗證試驗，其采凈率為96.01%，破損率為2.21%.試驗結果穩(wěn)定.表明梳齒采摘機構能夠實現(xiàn)對鈣果的采摘工作.

本文僅對梳齒間隙、梳齒轉速等試驗因素進行了采摘試驗研究，還需對輸送裝置前進速度、鈣果采摘后收集裝置設計等進行深入研究，為鈣果的機械化采收、作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供技術參考與借鑒.