梳齒-氣吸式花椒采摘機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

萬(wàn)芳新，孫浩博，蒲 軍，李聲元，趙永彪，黃曉鵬

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

花椒屬落葉灌木或小喬木，是一種頂生小型林果，為我國(guó)廣泛種植的一種特色辛香料和中藥材，其果皮可作為調(diào)味料，并能提取芳香油，又可入藥，種子可食用，也可加工制作肥皂。我國(guó)花椒種植面積約175萬(wàn)hm2，年產(chǎn)花椒25～45萬(wàn)t，年產(chǎn)值32億元，且種植面積每年以20%～30%的速度增加。甘肅武都、隴南地區(qū)是花椒的主要產(chǎn)區(qū)，近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，花椒產(chǎn)業(yè)有較大的發(fā)展[1-2]。由于花椒樹(shù)枝伸展長(zhǎng)、帶刺以及果實(shí)小而致使人工采摘困難，同時(shí)花椒采摘要求既要不傷葉、芽、枝，又要適時(shí)收獲，因此導(dǎo)致花椒機(jī)械采收十分困難，目前花椒仍然以人工采收為主[3]。

目前對(duì)頂生小果實(shí)的采摘以梳刷采收、振動(dòng)采收和氣吸采收為主[4-12]。張文強(qiáng)等[13]設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種變間距梳刷式枸杞采收裝置，實(shí)現(xiàn)了枸杞與枝條的脫離以及枸杞與梳刷指分離，但采凈率低，對(duì)果實(shí)損傷大。王海濱等[14]設(shè)計(jì)了一種基于槽型凸輪傳動(dòng)的藍(lán)莓采摘機(jī)，改進(jìn)了傳統(tǒng)振動(dòng)采摘機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡改善采摘系統(tǒng)工作性能，在一定程度上提高了采摘機(jī)的采摘效率。姬長(zhǎng)英等[15]設(shè)計(jì)了一種梳割氣吸一體式貢菊采摘機(jī)實(shí)現(xiàn)了花朵分期采摘、及時(shí)采摘、完整采摘的要求。曹衛(wèi)彬等[16]通過(guò)對(duì)梳夾式紅花采收機(jī)高限位裝置進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，提高了采凈率，同時(shí)降低了花球損傷率。郭艷玲等[17]設(shè)計(jì)了一種藍(lán)莓采摘實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)藍(lán)莓植株振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究，得出了藍(lán)莓振動(dòng)采摘最佳拍打頻率和采摘機(jī)最佳行進(jìn)速度。高自成等[18]設(shè)計(jì)了一種具有可避讓式采摘頭、多自由度采摘臂的齒梳式油茶果采摘機(jī)，驗(yàn)證了齒梳式油茶果采摘機(jī)的可行性，但在實(shí)驗(yàn)中存在果實(shí)損傷率高的問(wèn)題。楊萍等[19]采用K-means、Otsu與K-means算法對(duì)花椒果實(shí)目標(biāo)進(jìn)行提取并識(shí)別花椒的結(jié)果母枝，利用結(jié)果母枝的深度數(shù)據(jù)確定采摘點(diǎn)在圖像中的坐標(biāo)，最終通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到結(jié)果母枝上花椒采摘點(diǎn)的三維坐標(biāo)，為花椒采摘機(jī)器人提供技術(shù)支持。張永梅等[20]利用HSV和 RGB兩種顏色空間模型對(duì)成熟期花椒圖像閾值分割，識(shí)別出花椒果實(shí)區(qū)域，利用合慣性主軸并結(jié)合形心偏差法對(duì)采摘點(diǎn)進(jìn)行定位，確定了機(jī)械采摘點(diǎn)，為開(kāi)發(fā)剪刀式采摘機(jī)器人提供支持。Ferreira等[21]研究了不同外力作用的草莓機(jī)械損傷程度與其在收獲時(shí)期冷卻手段及果實(shí)溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨果實(shí)溫度的降低，比起靜重載荷作用，草莓更易受到?jīng)_擊載荷作用而產(chǎn)生損傷。Everett等[22]研究了采后梨皮細(xì)胞的損傷，認(rèn)為機(jī)械損傷是主要原因之一。Van Zeebroeck等[23-24]通過(guò)對(duì)水果收獲中的沖擊損傷進(jìn)行了仿真，得出水果損傷與受力的關(guān)系，并且認(rèn)為蘋(píng)果的硬度與其機(jī)械損傷正相關(guān)，而曲率半徑對(duì)其損傷程度的影響視碰撞強(qiáng)度而定。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)花椒的機(jī)械化采摘研究較少，如何通過(guò)理論研究，確定一種適宜于花椒的低損傷采收方法，仍是一個(gè)亟待解決的難題。

梳刷-氣息式花椒采摘機(jī)通過(guò)梳齒作用實(shí)現(xiàn)花椒果實(shí)和枝桿的分離，利用軸流式風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的流場(chǎng)運(yùn)輸和清選花椒果實(shí)。本文通過(guò)對(duì)采摘頭的理論分析并結(jié)合實(shí)驗(yàn)，完成采收裝置的參數(shù)優(yōu)化，獲得了較高的果實(shí)采凈率、采收凈度，同時(shí)降低了損傷率，為花椒采摘機(jī)的研制和設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1、2所示，主要由行走裝置、汽油發(fā)電機(jī)、收集裝置、采摘裝置、軸流式風(fēng)機(jī)及與軸流式風(fēng)機(jī)相連接的篩網(wǎng)等組成。其中收集裝置由輸送管、導(dǎo)向板、收集盒、支架組成。采摘裝置由采摘盒、軸承座、齒梳式采摘頭、聯(lián)軸器、微型電機(jī)、伸縮桿組成。

1.2 工作原理

工作時(shí)，啟動(dòng)軸流式風(fēng)機(jī)，使得收集裝置形成負(fù)壓，為花椒顆粒的輸送做好準(zhǔn)備，同時(shí)起到輔助采收的作用。微型電機(jī)帶動(dòng)梳齒式刀片旋轉(zhuǎn)，將采摘裝置移至花椒果實(shí)串處，對(duì)花椒果梗部位進(jìn)行牽拉、剪切采收，掉落的花椒進(jìn)入采摘盒里，經(jīng)輸送管通過(guò)軸流式風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓作用，經(jīng)弧形篩板的作用掉落到收集箱里，連續(xù)作業(yè)一段時(shí)間后可將收集箱(有活動(dòng)抽斗)中收集到的花椒粒取出裝入收集袋中(圖1、2)。

1.行走裝置;2.汽油發(fā)電機(jī);3.收集裝置;4.采摘裝置;5.軸流式風(fēng)機(jī);6.變頻器;7.電瓶1. Walking device; 2. Gasoline generator; 3. Collection device;4. Picking device; 5. Axial flow fan; 6. Inverter; 7. Battery圖1 氣吸式花椒采收機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of air-suction pepper extractor

1.篩選盒;2.收集盒a;3.收集盒b;4.弧形篩網(wǎng)1. Screening box; 2. Collection box a;3. Collection box b; 4. Arc screen圖2 氣吸式花椒采收機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of air-suction pepper extractor

根據(jù)采摘的花椒品種與花椒粒果梗連接力的不同，可以通過(guò)變頻器來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)采摘頭轉(zhuǎn)速，來(lái)控制刀片對(duì)果梗的作用力。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 梳齒式采摘裝置的設(shè)計(jì)

針對(duì)花椒頂生成串這一特性，采摘頭采用疏齒式，由滾筒軸和垂直于軸圓周面的4個(gè)梳齒型刀片組成，梳齒形刀片的整體寬度為150 mm，梳齒形刀片的板材厚度為1 mm，分別固定在與微型電機(jī)相連接的軸上，為在采摘過(guò)程中刀片可以更好地接觸花椒串，根據(jù)花椒串、花椒粒以及花椒果梗的尺寸對(duì)梳齒的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量花椒串的尺寸一般為30～40 mm。確定梳齒折彎角為120°，齒數(shù)初步定為9個(gè)，齒形板單個(gè)齒形的夾角為30°～35°(花椒粒的直徑為3.5～5.0 mm)；為了防止剪切過(guò)程中花椒串不被全部喂入梳齒形刀片的開(kāi)口內(nèi)，梳齒開(kāi)口深度為20 mm(花椒串的尺寸為30～40 mm)；并在齒縫折彎角的內(nèi)側(cè)開(kāi)出了刃角為45°平行刀刃，避免了采摘過(guò)程花椒粒與果梗連接位置的斷裂，刃口上端面采用倒圓角設(shè)計(jì)，減少采摘過(guò)程中尖銳刃口對(duì)花椒粒碰撞產(chǎn)生的破損，梳齒刀片局部放大圖如圖3、圖4。

圖3 采摘頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of the picking head

圖4 梳齒刀片放大圖Fig.4 Enlarged view of comb blade

采摘作業(yè)時(shí)，梳齒型刀片向花椒串旋轉(zhuǎn)，連接花椒串的枝條和長(zhǎng)有花椒果實(shí)的果梗進(jìn)入相鄰的梳齒之間，梳齒刀片將2 mm(常見(jiàn)花椒果梗的直徑為0.7～1.2 mm)以?xún)?nèi)的花椒枝條和長(zhǎng)有花椒果實(shí)的果梗引導(dǎo)至梳齒縫內(nèi)，當(dāng)采摘頭轉(zhuǎn)動(dòng)到一定位置時(shí)，將帶有花椒粒的果梗在齒刃剪切、梳刷、牽拉的作用下與花椒粒分離，而齒縫內(nèi)的枝條自動(dòng)滑離出去。通過(guò)以上設(shè)計(jì)經(jīng)采摘頭梳刷掉落的花椒粒上還留有花椒梗，能夠滿(mǎn)足花椒采摘的農(nóng)藝要求。

梳齒采摘頭整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.手柄;2.微型電機(jī);3.聯(lián)軸器;4.梳齒1. handle; 2. micro motor; 3. coupling; 4. comb teeth圖5 梳齒式采摘裝置結(jié)構(gòu)Fig.5 Comb-type picking device structure

2.2 軸流式風(fēng)機(jī)的選定

風(fēng)機(jī)流量用公式(1)計(jì)算：

(1)

式中，qv為風(fēng)機(jī)流量(L·min-1),vg為軸流式風(fēng)機(jī)每轉(zhuǎn)的排量(cm3)，n為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r·min-1)，v為容積效率(%)。

(2)

式中，T為扭矩(N·m),p為壓差(Pa),mh為機(jī)械容積效率(%)。

(3)

式中，P為風(fēng)機(jī)功率(kW),t為總效率(%)。

為了使軸流式風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流能夠充分地將在輸送管中的花椒粒輸送，則必須使花椒串所受氣力大于花椒串重力，簡(jiǎn)化計(jì)算滿(mǎn)足式(4)。

(4)

式中，r1為輸送管直徑(mm),ρ為花椒粒密度(g·mm-3),p為花椒粒所受的壓差(Pa)。

查閱資料可得花椒的輸送氣流速度可選定為v1=30 m·s-1[25]，結(jié)合輸送管直徑，可確定輸送管中氣流流量為：

(5)

式中，v1為輸送氣流速度(m·s-1)；qp為輸送管中氣流流量(L·min-1)。

由式(4)可得p=1920 Pa，由式(5)可得軸流式風(fēng)機(jī)的流量為6.17 m3·min-1(理想狀態(tài))；由式(3)可得軸流式風(fēng)機(jī)的功率為1.44 kW。

為滿(mǎn)足使用要求，軸流式風(fēng)機(jī)所用電機(jī)選用Y2-90S-2[26]，其額定轉(zhuǎn)速選定為2 840 rmp，額定功率為1.5 kW。

為了降低生產(chǎn)成本與保證質(zhì)量，選用市場(chǎng)已有的軸流式風(fēng)機(jī)，其具體型號(hào)是：SFG4-2R,功率為1.5 kW,轉(zhuǎn)速為2 800 r·min-1時(shí)，全壓可達(dá)380 Pa，其額定值均大于上述計(jì)算得出的軸流式風(fēng)機(jī)的流量，為36.17 m3·min-1?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)流量有不同的要求，因此風(fēng)機(jī)流速初步確定為20～40 m·s-1。

3 采摘裝置的流場(chǎng)分析

采摘頭在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中梳齒形刀片帶動(dòng)周?chē)目諝饫@其軸作環(huán)流運(yùn)動(dòng)，采摘頭不同部位的流場(chǎng)分布也不相同，現(xiàn)對(duì)不同區(qū)域的流場(chǎng)具體分析。

3.1 梳齒形刀片三角形區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)變化

由圖4可知，采摘頭梳齒形刀片的頂部形狀為三角形，其梳齒內(nèi)區(qū)的氣流場(chǎng)主要是因?yàn)槭猃X邊緣的高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。由于流體的附著作用，梳齒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)與梳齒口側(cè)面直接接觸的薄層流體與梳齒口具有相同的表面速度，這層流體在空氣粘性力的作用下帶動(dòng)相鄰層空氣，同時(shí)由于慣性作用，遠(yuǎn)離物體接觸面?zhèn)瓤諝獾乃俣鹊陀诳拷矬w接觸面?zhèn)龋錃饬魉俣瘸霈F(xiàn)速度梯度，如圖6所示。利用微分理論，可將三角形的環(huán)流場(chǎng)內(nèi)沿徑向氣流速度的分布，分成高度為dR的微量梯形面積，則可得出此微量梯形面積內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)方程：

(6)

式中，L為梳齒形刀片刃口開(kāi)口幅寬總和(m)，v為梳齒邊緣速度(m·s-1)，T為齒形板單個(gè)齒形的夾角的半角(°)，R為刃口底部距離刀片旋轉(zhuǎn)中心的距離(mm)，ω為梳齒角速度(rad·s-1)。

微量梯形面積：

(7)

式中，A為齒形區(qū)的微量梯形面積(mm2)，h為刃口底部距離坐標(biāo)原點(diǎn)的距離(m)。

由氣體的體積流量與氣流的速度之間的關(guān)系式：

(8)

式中，Q為氣體的體積流量(L·min-1)，W為氣流速度(m·s-1)。

Q∝L×v

(9)

則可得出某一半徑的氣流速度的關(guān)系式：

(10)

圖6 刀片三角形空間的齒間氣流速度分析Fig.6 Analysis of inter-tooth air velocityin blade triangular space

由圖3可知，當(dāng)dR→0時(shí)，可得出ee線(xiàn)上的速度分布，式可化簡(jiǎn)為：

(11)

在本次設(shè)計(jì)中(11)式中ω、h、T為定量參數(shù)，由此可得出，某一半徑的氣流速度僅與距離刀片旋轉(zhuǎn)中心的半徑呈反比，采摘頭處環(huán)流的速度從齒尖開(kāi)始往軸心移動(dòng)時(shí)速度逐漸增大，且距離刀片旋轉(zhuǎn)中心越小加速越快，氣流對(duì)花椒粒作用力的變化越大，花椒粒距離刀片越近時(shí)發(fā)生碰撞后破裂越嚴(yán)重，刀片的旋轉(zhuǎn)軸直徑不應(yīng)過(guò)小，從而可有效降低花椒的破損率。

3.2 采摘頭旋轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)采摘盒齒間外區(qū)域的流場(chǎng)分析

根據(jù)已有的研究可知[27]，當(dāng)采摘頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，在齒間外區(qū)采摘頭帶動(dòng)周?chē)臍怏w做旋流運(yùn)動(dòng)，形成以采摘頭軸心為中心的環(huán)形流場(chǎng)，采摘頭周?chē)鷼怏w流動(dòng)方向與極半徑相垂直，氣流速度基本上按雙曲線(xiàn)規(guī)律隨半徑(r)的增大而減小，此旋流運(yùn)動(dòng)為無(wú)旋運(yùn)動(dòng)，其勢(shì)函數(shù)和流函數(shù)分別為[28]：

(12)

式中，H為等勢(shì)高，T為極角，r為氣體旋流半徑，Γ為氣流環(huán)量。

(13)

式中，j為氣流函數(shù)。

其旋流運(yùn)動(dòng)的流線(xiàn)是以原點(diǎn)為中心的同心圓(如圖7)，等勢(shì)線(xiàn)是以原點(diǎn)為起點(diǎn)的輻射線(xiàn)，符合伯努利方程的使用條件[29]，其求得的壓力為：

(14)

圖7 旋流運(yùn)動(dòng)Fig.7 Swirl movement

(15)

由(15)式可知，壓力(p)是關(guān)于流場(chǎng)半徑(r)的增函數(shù)，可見(jiàn)流場(chǎng)壓力沿流場(chǎng)半徑方向遞增，花椒果實(shí)在梳齒作用下從結(jié)果枝脫落，脫落的花椒果實(shí)位于梳齒邊緣流場(chǎng)壓力較大處，由于齒梳中心壓力小于邊緣處，花椒果實(shí)在壓差力作用下向梳齒里側(cè)運(yùn)動(dòng)，即采摘頭在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生負(fù)壓對(duì)花椒有吸附導(dǎo)向作用。

4 試驗(yàn)研究

4.1 材料與方法

4.1.1 材料 所選材料采自甘肅省臨夏州積石山縣大河架鄉(xiāng)農(nóng)戶(hù)種植的花椒，品種為大紅袍和刺椒。根據(jù)試驗(yàn)需要，分別選出無(wú)損傷、直徑為4.9～5.8 mm的大紅袍果實(shí)100個(gè)，直徑為4.0～4.8 mm的刺椒果實(shí)100粒，在采后第2天和購(gòu)買(mǎi)當(dāng)日進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)于2016年8月進(jìn)行。

4.1.2 試驗(yàn)方法 采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化試驗(yàn)方法。以采摘頭轉(zhuǎn)速(x1)，氣流速度(x2)，梳齒式刀片刃口角(x3)為影響因素，以采凈率(y1)，損傷率(y2)以及采收凈度(y3)為目標(biāo)函數(shù)，共實(shí)施20組試驗(yàn)。應(yīng)用Design-Expert 8.0.6進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。根據(jù)前期試驗(yàn)確定各個(gè)水平因素，因素水平編碼如表1所示，分別以3次重復(fù)的均值為測(cè)試結(jié)果。

圖8 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)圖Fig.8 Laboratory test diagram

編碼Coding因素 Factor采摘頭轉(zhuǎn)速Picking head speedx1/(r·min-1)氣流速度Air velocityx2/(m·s-1)梳齒式刀片刃口角Comb blade cuttingedge angle x3/(°)1.68245040501400354503503040-13002535-1.6822502030

4.1.3 試驗(yàn)指標(biāo)

(1)采凈率：花椒采收試驗(yàn)中，采收的花椒果實(shí)質(zhì)量占總花椒果實(shí)質(zhì)量的比率。

(11)

式中,y1為采凈率(%)，n1為采收的花椒果實(shí)質(zhì)量(g)，n2為未采收凈的花椒果實(shí)質(zhì)量(g)。

(2)損傷率：在花椒采收試驗(yàn)中，采收的花椒果實(shí)中破損的質(zhì)量與采收的花椒總質(zhì)量的比值。

(12)

式中，y2為損傷率(%)，n3為采收的花椒果實(shí)中完好果實(shí)的質(zhì)量(g)，n4為采收的花椒果實(shí)中破損果實(shí)的質(zhì)量(g)。

(3)采收凈度(為后續(xù)參數(shù)優(yōu)化分析方便，含雜率用采收凈度間接表示，即采收凈度=1-含雜率)：在花椒采收試驗(yàn)中，采收的花椒果實(shí)質(zhì)量與采收混合物(包括雜質(zhì))質(zhì)量的比值。

(13)

式中，y3為采收凈度(%)，n5為采收的花椒果實(shí)質(zhì)量(g),n6為采收雜物的質(zhì)量(g)。

4.2 結(jié)果與分析

4.2.1 試驗(yàn)結(jié)果與回歸模型 結(jié)果如表2所示，通過(guò) Design-Expert 6.0.10 軟件進(jìn)行方差分析，得到分別以采凈率(y1)，損傷率(y2)以及采收凈度(y3)為響應(yīng)函數(shù)，以各影響因素為自變量的編碼回歸數(shù)學(xué)模型。

y1=92.33+1.89x1+0.60x2+0.93x3

-0.44x1x2+0.86x1x+0.89x2x3

(14)

y2=1.58-0.24x1-0.12x2-0.11x3

-0.047x1x2+0.088x1x3

(15)

表2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

y3=92.49+1.90x1+1.55x2+0.95x3

-0.92x1x2-0.1x1x3

(16)

方差分析結(jié)果表明模型處于顯著水平，沒(méi)有不可控制的因子干擾試驗(yàn)，該模型可以用來(lái)確定各因素對(duì)采收效果各性能指標(biāo)影響規(guī)律。

4.2.2 采凈率響應(yīng)曲面分析 圖9為不同因素對(duì)采凈率的響應(yīng)曲面。由圖9(a)知，隨著采摘頭轉(zhuǎn)速增加，采凈率先略微升高，隨后急劇降低，而隨著氣流速度的增加，采凈率先是升高，達(dá)到一定值后變化不大。是由于采摘頭隨著轉(zhuǎn)速增加，梳齒式刀片的剪切和牽拉作用增強(qiáng)，可以提高采凈率，但是過(guò)快的速度會(huì)降低有效的作用時(shí)間，反而影響到采凈率；而氣流速度升高，可以更好地保證花椒果實(shí)在穩(wěn)定的狀態(tài)下被采摘頭采摘，采凈率隨之升高，但當(dāng)升高到一定值后，此作用影響不會(huì)繼續(xù)起大的作用。當(dāng)采摘頭轉(zhuǎn)速達(dá)到300 r·min-1、氣流速度達(dá)到30 m·s-1左右時(shí)，采凈率可達(dá)到最大值。

由圖9(b)可知，隨著采摘頭轉(zhuǎn)速增加，采凈率先升高后降低，隨著梳齒式刃口角的增加，采凈率也是先升高后降低。這是由于刃口角增加，其對(duì)花椒果實(shí)的滑切作用逐漸增大，可使采摘頭有效采收果實(shí)，但當(dāng)刃口角過(guò)高時(shí)，果實(shí)不能有效牽引切割果實(shí)，將果實(shí)直接推出刀片，使采凈率下降；當(dāng)采摘頭轉(zhuǎn)速達(dá)到400 r·min-1、梳齒式刀片刃口角達(dá)到35°左右時(shí)，采凈率可達(dá)到最大值。

圖9 各因素對(duì)采凈率的響應(yīng)曲面Fig.9 Response surface of each factor to recovery ratio

由圖9(c)可知，隨著氣流速度增加，采凈率先基本呈線(xiàn)性增加，但變化幅度很小?？梢?jiàn)在采摘頭轉(zhuǎn)速固定于較好的水平時(shí)，氣流速度及其與梳齒式刀片刃口角的交互作用對(duì)采凈率的影響不大。梳齒式刀片刃口角對(duì)采凈率的影響與9(b)趨勢(shì)相同，只是變化幅度略小。

4.2.3 花椒果實(shí)損傷率響應(yīng)曲面分析 圖10為不同因素對(duì)損傷率的響應(yīng)曲面。由圖10(a)可知，隨著采摘頭轉(zhuǎn)速的升高，損傷率先減小后增大，且變化較為明顯。這主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)速較低時(shí)，花椒枝條與采摘頭的接觸時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)枝條的反作用力也起到支撐作用，加大了采摘頭對(duì)果實(shí)的剪切損傷，而速度過(guò)高時(shí)，沖擊損傷、碰撞損傷將直接升高損傷率。氣流速度對(duì)損傷率的影響也是先減小，后增大?？赡苁且?yàn)闅饬魉俣刃r(shí)，不能有效引導(dǎo)牽拉果實(shí)，導(dǎo)致受到采摘頭反復(fù)力，使損傷率上升，而過(guò)高氣流速度會(huì)加大采摘頭與果實(shí)間的相對(duì)作用力，雖然在一定程度上可能會(huì)提高采凈率，但同時(shí)也會(huì)使損傷率升高。

由圖10(b)可知，在適宜的氣流速度下，隨著采摘頭轉(zhuǎn)速的增加，損傷率基本呈線(xiàn)性增加，而梳齒式刀片刃口角對(duì)損傷率的影響在采摘頭轉(zhuǎn)速不同時(shí)變化較大，在采摘頭轉(zhuǎn)速較低時(shí)，隨著刃口角增大，損傷率先減小后增大，而在采摘頭轉(zhuǎn)速較大時(shí)，隨著刃口角增大，損傷率變化不大，但總體高于采摘頭轉(zhuǎn)速較低時(shí)的水平。

由圖10(c)可知，隨著梳齒式刀片刃口角和氣流速度增加，損傷率先減小后增大，但總體變化不是非常明顯。在氣流速度達(dá)到35 m·s-1、梳齒式刀片刃口角達(dá)到35°附近時(shí)，損傷率率可獲最小值。

圖10 各因素對(duì)損傷率影響的響應(yīng)曲面Fig.10 Response surface of various factors on damage rate

4.2.4 采收凈度響應(yīng)曲面分析 圖11為不同因素對(duì)采收凈度的響應(yīng)曲面。由圖11(a)可知，當(dāng)采摘頭轉(zhuǎn)速大于350 r·min-1，采收凈度急劇下降，主要是因?yàn)榛ń窐?shù)葉的連接力小于果實(shí)的連接力，過(guò)高的速度產(chǎn)生的慣性力可將大量的樹(shù)葉摘下，從而導(dǎo)致采收凈度下降。氣流速度的影響趨勢(shì)與此相同，氣流速度的增加產(chǎn)生氣流作用力，雖然不足以將果實(shí)摘下，但對(duì)于連接力較小的樹(shù)葉的作用比較明顯。

由圖11(b)可知，隨著梳齒式刀片刃口角的增加，采收凈度略有下降，但變化幅度較小，只有在采摘頭轉(zhuǎn)速較高時(shí)刃口角變化對(duì)采收凈度的影響才較為突出。這主要是因?yàn)槿锌诮禽^小時(shí)，果實(shí)與枝葉容易穿過(guò)刃口間的空隙，出現(xiàn)無(wú)效切割，而刃口角大時(shí)，刀片與果實(shí)的接觸面積增大，在采摘頭轉(zhuǎn)速較高時(shí)對(duì)枝葉的作用很容易使其脫離。

由圖11(c)可知，在氣流速度較高時(shí)，隨著梳齒式刀片刃口角的增大，采收凈度呈線(xiàn)性規(guī)律下降，主要是因?yàn)檫^(guò)高的氣流速度對(duì)花椒枝條起了有效的引導(dǎo)固定作用，從而增加了采摘頭的有效作用時(shí)間，而較大的刃口角不一定能在此條件下脫下花椒果實(shí)，但通過(guò)沖擊作用則有更大的幾率將樹(shù)葉摘下，導(dǎo)致采收凈度下降。

圖11 各因素對(duì)采收凈度影響的響應(yīng)曲面Fig.11 Response surface of each factor to the influence of recovery net

5 參數(shù)優(yōu)化

為得到最佳的試驗(yàn)因素水平，對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，建立參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。結(jié)合試驗(yàn)因素的邊界條件，對(duì)得出的采凈率、損傷率以及采收凈度的回歸方程進(jìn)行分析，得到非線(xiàn)性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型：

maxy1或miny2或maxy3

y1=92.33+1.89x1+0.60x2+0.93x3-0.44x1x2

y2=1.58-0.24x1-0.12x2-0.11x3-0.047x1x2

y3=92.49+1.90x1+1.55x2+0.95x3-0.92x1x2

250≤x1≤450

20≤x2≤40

30≤x3≤50

0≤[y1(x1，x2，x3)或y2(x1，x2，x3)或y3(x1，x2，x3)]≤1

利用Matlab對(duì)上述模型編程計(jì)算，得到采凈率、損傷率以及采收凈度的優(yōu)化結(jié)果：采摘頭轉(zhuǎn)速367.5 r·min-1，氣流速度32.7 m·s-1，梳齒式刀片刃口角31.5°。在此參數(shù)組合下，獲得最優(yōu)的采收效果為：采凈率95.2%，損傷率1.2%，采收凈度96.5%(即含雜率3.5%)。

6 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

結(jié)合加工工藝及成本等因素，根據(jù)上述優(yōu)化結(jié)果加工齒梳刃口角為32°，調(diào)整風(fēng)機(jī)流速30 m·s-1，采摘頭轉(zhuǎn)速為350 r·min-1。2019年8月課題組在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)花椒種植園進(jìn)行采摘實(shí)驗(yàn)(圖12)，采摘后統(tǒng)計(jì)采凈率、損傷率、采收凈度，結(jié)果如表3所示。

圖12 花椒采摘機(jī)作業(yè)圖Fig.12 Operation diagram of pepper harvester

表3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得采凈率91.8%，相對(duì)誤差5.3%；采收凈度92.5%，相對(duì)誤差4.1%；損傷率1.3%，相對(duì)誤差8.3%，達(dá)到良好的采收效果，優(yōu)化結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)梳齒-氣吸式花椒采收機(jī)并對(duì)采摘頭附近流場(chǎng)進(jìn)行理論分析，得出采摘頭附近壓力(P)是關(guān)于流場(chǎng)半徑(r)的增函數(shù)，采摘頭流場(chǎng)對(duì)脫落花椒起到吸附導(dǎo)向作用。

2)針對(duì)自行研制的梳齒-氣吸式花椒采收機(jī)，以采凈率、損傷率、清選凈度(1-含雜率)為試驗(yàn)指標(biāo)，基于Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，通過(guò)三因素五水平響應(yīng)曲面分析，建立了各試驗(yàn)指標(biāo)與采摘頭轉(zhuǎn)速、氣流速度、梳齒式刀片刃口角變化關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。該模型可以用來(lái)確定各因素對(duì)采收效果各性能指標(biāo)影響規(guī)律。

3)對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)回歸方程進(jìn)行分析，得到非線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，獲得了最優(yōu)參數(shù)組合：采摘頭轉(zhuǎn)速367.5 r·min-1，氣流速度32.7 m·s-1，梳齒式刀片刃口角31.5°。在此參數(shù)組合下，獲得最優(yōu)的采收效果為：采凈率95.2%，損傷率1.2%，采收凈度94.7%。加工齒梳刃口角為32°，調(diào)整風(fēng)機(jī)流速30 m·s-1，采摘頭轉(zhuǎn)速為350 r·min-1，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，得到采凈率91.8%，相對(duì)誤差5.3%，采收凈度92.5%，相對(duì)誤差4.1%，損傷率1.3%，相對(duì)誤差8.3%，符合設(shè)計(jì)需求。