梳齒往復(fù)式杭白菊采摘裝置設(shè)計與試驗

王榮炎 鄭志安 鹿秀風(fēng) 崔寶聰 高 磊

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)中國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展研究中心， 北京 100083；3.山東理工職業(yè)學(xué)院， 濟寧 272000)

0 引言

杭白菊種植模式分為條栽和叢栽，采摘期為10月下旬至11月下旬。杭白菊頂層花與底層花的距離較大，花朵呈自上而下立體式排列，導(dǎo)致采摘條件復(fù)雜，杭白菊采摘時要求采后花朵上不帶花柄，所以目前為人工分期采摘。杭白菊原產(chǎn)自浙江省桐鄉(xiāng)市，2017年，桐鄉(xiāng)市杭白菊種植面積達3 200 hm2，約占全國杭白菊總量的25%。隨著杭白菊種植面積逐漸增大，勞動力供不應(yīng)求，采摘成為制約杭白菊產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的瓶頸[1-2]。

近年來，一些科研機構(gòu)對菊花采摘機械進行了研究。德國萊布尼茲研究所研制的洋甘菊采摘機[3]，利用梳齒與刀具相結(jié)合的采摘部件，將花朵采摘后，通過氣吸裝置輸送至收集箱，利用液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)采摘部件工作高度并完成菊花的裝卸，其采摘效率高，但采摘的花朵上帶有過長花柄，需進一步加工處理；WILLOUGHBY等[4]設(shè)計的菊花采摘機，利用曲柄連桿連接兩個不同直徑的偏心輪，其中設(shè)置在外輪上的梳刀組合進行菊花的采摘，輥刷將菊花掃落到傳送帶上，運送至盛花容器內(nèi)，該采摘形式較為新穎，但花朵采摘率偏低，僅為75%，梳刀組合缺少控制系統(tǒng)，導(dǎo)致切斷位置不統(tǒng)一，所帶花柄過多；SEYED等[5]研制了一種梳脫菊花的試驗臺，當(dāng)沿花柄方向梳脫菊花，梳齒滾軸轉(zhuǎn)速為500 r/min、對輥軸距為5 mm時，可梳落92%以上的花朵，該試驗臺驗證了梳齒式梳脫菊花的可行性，為菊花采摘方式提供了參考，由于試驗臺是在理想狀態(tài)下進行試驗，與采摘機實際采收作業(yè)存在較大差異；姬長英等[1]設(shè)計的手推式杭白菊梳齒采花機，利用安裝在鏈條上的多排梳齒完成杭白菊的采摘和運輸，達到了良好的采摘效果，但是機器的通過性較差；成崗等[6]發(fā)明了一種菊花采摘裝置，通過轉(zhuǎn)動的采摘板將菊花摘下，利用輸送帶將菊花送至后方的收集箱，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、采摘效率高；姬長英等[7]設(shè)計的梳割氣吸一體式貢菊采摘試驗樣機，采用梳割單元將菊花脫落，通過背負式氣吸裝置進行菊花收集，但采摘單元的工作范圍較小，不能實現(xiàn)整株大部分菊花的采摘，機器通過性有待改善。

綜上可知，國外菊花收獲機械作業(yè)完成后，采后花朵上帶有過長花柄，需將含莖、葉和花等收獲后的物料進行清選分離[8-10]，不適用于我國杭白菊的采摘要求和加工方式。我國杭白菊機械化采摘的研究成果大多停留在專利技術(shù)和樣機試制階段。因此，需增大對杭白菊采收機械的研究力度。

本文設(shè)計一種梳齒往復(fù)式杭白菊采摘裝置，通過梳齒將菊花花朵梳落，利用曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性將梳落的花朵送至后方收集盒，輥刷將殘留在梳齒間的花朵掃落，采摘單元連續(xù)運轉(zhuǎn)完成杭白菊的采收作業(yè)，通過大量田間試驗，獲得采摘裝置的最優(yōu)工作參數(shù)，為杭白菊采摘機械化發(fā)展提供參考。

1 采摘裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 設(shè)計要求

采摘裝置主要是以合適的速度和采摘軌跡實現(xiàn)杭白菊的采摘，其設(shè)計要求如下：①所設(shè)計的采摘裝置能夠保證在合適作業(yè)速度下采摘時運行穩(wěn)定；降低外界環(huán)境、機器振動等因素對采摘的影響。②采摘裝置的采摘軌跡包絡(luò)杭白菊花朵的高度差，能夠適用于不同植株高度的采摘作業(yè)。③所設(shè)計的采摘裝置具有較好的通過性，不會對杭白菊植株造成碾壓傷害。

1.2 采摘裝置結(jié)構(gòu)

梳齒往復(fù)式杭白菊采摘裝置由支架、機架側(cè)板、直流減速電機、鏈傳動機構(gòu)、主動軸、從動軸、行走單元、收集盒和采摘單元組成(圖1)。其中，采用了電壓為24 V，功率為300 W，RV40系列的直流減速電機，減速比為30，輸出轉(zhuǎn)速范圍為0～70 r/min，輸出力矩為26.2 N·m。采用型號為JS-30AB 24V PWM的無級調(diào)速控制器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。采摘單元主要由輥刷和一組偏置曲柄連桿機構(gòu)組成，曲柄連桿機構(gòu)是采摘單元的關(guān)鍵工作部件，主要由曲柄、連桿、滑塊、滑軌、梳齒安裝架和采摘梳齒組成。其中，滑軌為圓柱光軸直線軸承全套滑軌，采用SBR鋁托，導(dǎo)軌直徑16 mm，長500 mm。主動件曲柄作等速轉(zhuǎn)動，從動件滑塊作變速往復(fù)運動，連桿作平面復(fù)合運動，曲柄連桿機構(gòu)帶動采摘梳齒往復(fù)運動，利用曲柄連桿具有的急回特性[11]，實現(xiàn)杭白菊的采摘與收集。曲柄安裝在主動軸上，連桿兩端分別采用軸承與曲柄和滑塊鉸接，滑塊與滑軌配合，沿滑軌做往復(fù)直線運動，采用螺栓將滑軌固定在機架兩側(cè)板上，滑軌安裝高度可調(diào)，用于改變曲柄連桿的行程；梳齒安裝架與左右兩連桿采用螺栓固定，連桿上有多個通孔，可調(diào)整梳齒安裝架的固定角度；采摘梳齒與梳齒安裝板同樣采用螺栓固定，方便更換不同齒距的采摘梳齒；機架右側(cè)安裝有功率為300 W的直流減速電機，通過無級調(diào)速控制器，調(diào)節(jié)梳齒采摘速度和輥刷轉(zhuǎn)速，可根據(jù)實際采摘需要更換輥刷處的鏈輪，調(diào)節(jié)傳動比；行走單元由4個萬向輪組成；收集盒采用螺栓固定在機架內(nèi)側(cè)。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Device structure diagram1.行走輪 2.支架 3.扶手 4.收集盒 5.機架側(cè)板 6.滑軌 7.輥刷 8.采摘梳齒 9.鏈傳動機構(gòu) 10.300 W直流減速電機 11.滑塊 12.連桿 13.從動軸 14.曲柄 15.主動軸 16.梳齒安裝架

1.3 工作原理

采摘梳齒是直接與杭白菊植株接觸的部件，梳齒的長度和形狀等參數(shù)對于實際采摘效果有著較大影響[1,12]，梳齒長度過長，梳齒易彎曲變形，長度過小，容易漏摘底部花朵，為提高杭白菊采摘率，在保證剛度的前提下，采摘梳齒長度取260 mm，方條形梳齒容易拉斷杭白菊枝條，采摘下的杭白菊花朵破損較多，且容易產(chǎn)生堵塞，圓形采花梳齒更容易插入植株枝條縫隙，采摘效果較好，并且端部為圓弧形的梳齒相較于直形梳齒，更易于將花朵向后方收集盒拋送[12-13]。工作時，手推機器勻速前進，電機開啟，通過鏈傳動將動力傳遞給主動軸，曲柄做勻速旋轉(zhuǎn)，滑塊做變速往復(fù)直線運動，連桿帶動采摘梳齒做平面復(fù)合運動。采摘梳齒運動到最低點插入杭白菊植株，并向斜上方運動采下菊花，當(dāng)運動到行程的最高點時，采摘梳齒呈后傾姿態(tài)，利用曲柄連桿機構(gòu)的急回特性，給采摘梳齒一個回程力，杭白菊掉落至機器后方的收集盒，同時，輥刷將梳齒上殘留的杭白菊掃入收集盒，實現(xiàn)菊花的連續(xù)采摘[14-16]。機架側(cè)板防止采摘下的杭白菊飛濺，根據(jù)菊花植株的生長狀況，控制手推機器的速度和采摘梳齒往復(fù)頻率。

圖2 杭白菊各部位名稱Fig.2 Names of parts of Chrysanthemum morifolium1.花朵 2.花柄 3.花托 4.主枝 5.一級分枝 6.二級分枝

2 力學(xué)參數(shù)測試

杭白菊植株各部位名稱如圖2所示。

隨機選取20株杭白菊盛開期植株，對其物理特性參數(shù)進行測量[8,14,17-18]，采用游標(biāo)卡尺測量各部位直徑，采用TA.XTPlus質(zhì)構(gòu)儀對各部位進行拉斷測試(圖3)，每組重復(fù)5次，試驗結(jié)果如表1和表2所示。

圖3 杭白菊物理力學(xué)參數(shù)測試Fig.3 Measurement of physical and mechanical parameters of Chrysanthemum morifolium

表1 杭白菊各部位直徑Tab.1 Diameters of different parts of Chrysanthemum morifoliummm

表2 杭白菊植株拉斷力Tab.2 Breaking force of Chrysanthemum morifolium N

采摘梳齒的間距應(yīng)大于花柄以及各分枝直徑，小于花托直徑[1,12]，根據(jù)表1測試結(jié)果，確定采摘梳齒間距的范圍為4.32～9.00 mm，根據(jù)表2測試結(jié)果，得出了杭白菊植株各部位的拉斷力范圍，拉斷力由大到小為主枝、一級分枝、二級分枝、花柄，且花柄處的拉斷力為2.61～5.59 N，明顯小于其它部位拉斷力，理論上采摘作業(yè)時，最先于花柄處拉斷。

3 田間試驗

3.1 試驗條件與方法

試驗地點為河南省新鄉(xiāng)市原陽縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究開發(fā)基地，試驗時間為2018年12月，試驗對象為杭白菊。試驗設(shè)備包括：梳齒往復(fù)式杭白菊采摘裝置、測速器、電子秤、花朵收集袋、便攜式計算機、秒表、卡尺、扳手等。收獲裝置外形尺寸(長×寬)為1.2 m×0.6 m，采摘單元升降范圍為0.5～1 m，采摘梳齒長度為0.26 m，一排采摘梳齒寬度為0.5 m。該地杭白菊種植模式取決于采摘裝置工作幅寬，即杭白菊一壟寬度為0.5 m，杭白菊株高在0.6～0.9 m，分枝高 0.3～0.4 m，根據(jù)植株高度，調(diào)整采摘單元的高度。在裝置制作過程中，將前面兩個萬向輪改為高地隙行走輪，使機器工作時具有較好的通過性，減小了手推機器行進的難度，同時降低了對杭白菊植株造成碾壓傷害，樣機試驗如圖4所示。

圖4 收獲裝置田間試驗Fig.4 Field test of harvester

試驗時隨機選取杭白菊植株，依據(jù)試驗設(shè)計的因素水平組合進行試驗。手動勻速推動機器前進，水平移動速度為0.2 m/s。每個因素水平組合下的采摘距離為2 m，以2 m內(nèi)采摘的杭白菊質(zhì)量為一組數(shù)據(jù)。每進行一組試驗時，預(yù)先清理試驗區(qū)內(nèi)自然落在地面上的花朵和殘葉，并調(diào)整各試驗因素水平，穩(wěn)定后進行杭白菊采摘，行走2 m后關(guān)閉直流減速電機。收集采摘下的花朵、枝葉以及采下掉落地面和未進入收集盒的花朵，用電子秤分別稱量并記錄。

將采摘行程每2 m作為一組采摘數(shù)據(jù)，測得100朵杭白菊的質(zhì)量為165 g，將2 m內(nèi)未采摘的杭白菊數(shù)量換算成質(zhì)量，杭白菊花朵總質(zhì)量為已采與未采花朵的質(zhì)量之和。本次試驗以采摘率、含雜率、破損率、落地率為評價指標(biāo)，各指標(biāo)定義[4-5]為：采摘率為已采花朵與花朵總質(zhì)量的百分比；含雜率為采摘的枝葉等雜質(zhì)與包括花朵在內(nèi)的所有采摘的質(zhì)量百分比；破損率為破損的花朵質(zhì)量與已采的花朵的百分比；落地率為采摘過程中未進入收集盒的花朵質(zhì)量與已采花朵質(zhì)量的百分比。

3.2 單因素試驗與分析

根據(jù)梳齒往復(fù)式杭白菊采摘裝置的采摘原理和結(jié)構(gòu)特點，確定有4個因素可能影響實際采摘效果，分別是梳齒往復(fù)頻率(往復(fù)頻率)、梳齒間距、梳齒工作深度以及梳齒工作角度。每個因素取4水平(表3)，以15 s內(nèi)杭白菊脫落的數(shù)量為評價指標(biāo)，分別進行單因素試驗，從而分析各因素對采摘效果的影響程度。試驗結(jié)果如圖5所示。

表3 單因素試驗因素水平Tab.3 Factors and levels of simulation tests

圖5 單因素試驗結(jié)果Fig.5 Single factor test results

由圖5分析可得，在所選水平范圍內(nèi)，隨著往復(fù)頻率和梳齒間距的增大，杭白菊脫落數(shù)量均呈先上升后下降的趨勢；其中，當(dāng)往復(fù)頻率為30 r/min時，花朵采摘率為77.7%，當(dāng)往復(fù)頻率為60 r/min時，采摘率為72.8%；采花梳齒間距為4 mm時，杭白菊花朵采摘率為72.64%，采花梳齒間距為9.5 mm時，杭白菊花朵采摘率為77.07%，過小會導(dǎo)致堵塞，梳齒間距過大會導(dǎo)致漏摘；梳齒工作深度小于100 mm時，杭白菊花朵采摘率較小，僅為73.08%，采摘率隨著梳齒工作深度的增加而增加，但梳齒過長，強度不夠；梳齒工作角度的改變對采摘效果無明顯影響。最終確定往復(fù)頻率、梳齒間距和工作深度為影響杭白菊采摘效果的主要因素。

3.3 試驗因素和水平

往復(fù)頻率、梳齒間距和梳齒工作深度分別取3個水平，因素水平如表4所示。

表4 田間試驗因素水平Tab.4 Factors and levels of field tests

3.4 正交試驗

試驗考慮了任意2個因素之間的交互作用[19]，選用L27(313)表進行正交試驗，試驗組數(shù)N=27，每組試驗重復(fù)3次，取3次的平均值作為該組的試驗結(jié)果，得出每組的采摘率ηc、含雜率ηz、破損率ηp、落地損失率ηl等指標(biāo)。試驗方案與結(jié)果如表5所示，試驗結(jié)果的直觀分析如表6所示，各指標(biāo)的因素交互作用如表7所示，利用軟件Design-Expert 8.0.6 對試驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果如表8所示。

表5 試驗方案與結(jié)果Tab.5 Plan and result of test

3.5 試驗結(jié)果分析與討論

3.5.1結(jié)果分析

對試驗方案中4個評價指標(biāo)進行逐一分析，對于杭白菊采摘率這一指標(biāo)，由表8可知，往復(fù)頻率A、梳齒工作深度C為顯著性因素，往復(fù)頻率與梳齒工作深度的交互作用AC、梳齒間距與梳齒工作深度的交互作用BC為顯著性交互作用。顯著性大小為A、C、AC、BC。顯著性因素的最優(yōu)水平可通過比較3個水平下的數(shù)據(jù)均值獲得，對于顯著的交互作用的最優(yōu)組合，先計算兩因素所有水平組合的均值，再通過比較獲得最優(yōu)的水平組合，根據(jù)顯著性大小來依次確定各因素的水平。由表6的直觀分析可知，因素A的最優(yōu)水平為2，因素C的最優(yōu)水平為2。根據(jù)表7可知，當(dāng)C取2，B取1時，均值最大。綜上可知，最佳因素水平組合為A2B1C2，此時采摘率為92.47%，但含雜率較高，為11.07%。

對于含雜率這一指標(biāo)，由表8可知，梳齒工作深度C為唯一的顯著性因素。由表6的直觀分析可知，因素C的最優(yōu)水平為1，在因素C為1的前提下，根據(jù)表7、8得最佳因素組合為A1B3C1，此時含雜率為7.69%，但采摘率僅為78.82%，落地損失率達到最高值14.49%。

對于破損率這一指標(biāo)，由表8可知，梳齒工作深度C、往復(fù)頻率A為顯著性因素。顯著性大小為C、A。由表6的直觀分析可知，因素C和因素A的最優(yōu)水平均為2，在此前提下，根據(jù)表7、8得最佳因素組合為A2B1C2，此時杭白菊破損率為0，達到該指標(biāo)的理想狀態(tài)，但杭白菊采摘率較低，為85.83%，含雜率較高，為11.14%。

表6 各指標(biāo)直觀分析Tab.6 Intuitive analysis of each index %

對于落地損失率這一指標(biāo)，由表8可知，往復(fù)頻率與梳齒工作深度的交互作用AC為顯著性交互作用，往復(fù)頻率A、梳齒間距B和梳齒工作深度C均為顯著性因素。顯著性大小為AC、C、A、B。由表6的直觀分析可知，因素A和因素C的最優(yōu)水平均為3，因素B的最優(yōu)水平為1。綜上可知，最佳因素水平組合為A3B1C3，此時落地損失率為1.50%，但采摘率較低，為84.42%，含雜率達到最高值，為19.05%，破損率為6.06%。

結(jié)合杭白菊的實際采摘要求，需要綜合考慮杭白菊采摘各項指標(biāo)：優(yōu)先保證高采摘率的前提下，使杭白菊含雜率、破損率以及落地損失率盡可能低，由此確定3個因素的最優(yōu)水平組合為A2B1C2。在此因素水平組合下，杭白菊的采摘率為92.47%，含雜率為11.07%，破損率為1.48%，落地損失率為1.41%。

3.5.2討論

通過實地試驗，驗證了梳齒往復(fù)式杭白菊采摘裝置能夠達到良好的采摘效果，獲得了該裝置的最佳工作參數(shù)，但是采摘裝置需要人工手推前進，不僅費力而且前進速度易受人為因素的影響，統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)時，只記錄了位于采摘單元運動范圍內(nèi)的花朵采摘情況，試驗誤差不可避免，所以需要對采摘裝置添加自動控制機器行進的模塊，對杭白菊合理密植，使花朵分布位置盡量一致，便于機械采摘，并且保證采摘裝置的工作幅寬與杭白菊種植畦寬一致，做到農(nóng)機農(nóng)藝相互融合，以實現(xiàn)杭白菊機械化采摘，提高整體經(jīng)濟效益。

表7 各指標(biāo)的因素交互作用Tab.7 Interaction of indicators of factors %

表8 各指標(biāo)方差分析Tab.8 Variance analysis for each index

注：顯著性水平α=0.05。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種梳齒往復(fù)式杭白菊采摘裝置，采摘單元由輥刷和一組偏置曲柄連桿機構(gòu)組成，利用梳齒的梳脫、輥刷的清掃和曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性，實現(xiàn)杭白菊的采收作業(yè)，搭建了采摘裝置樣機，機器運行穩(wěn)定，適用于不同植株高度的采摘作業(yè)，機器通過性良好，基本滿足設(shè)計要求。

(2)為得到該裝置的最佳工作參數(shù)，在田間分別進行了單因素和正交試驗，試驗結(jié)果表明：在往復(fù)頻率40 r/min、梳齒間距6.5 mm和梳齒工作深度200 mm的參數(shù)組合下，杭白菊的采摘率為92.47%，含雜率為11.07%，破損率為1.48%，落地損失率為1.41%，采摘效果最佳。