基于人工抽薹原理的蒜薹采摘機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

耿令新 盧富運(yùn) 張利娟 李 洋 王恒一

(1.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院， 洛陽 471003； 2.河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院， 洛陽 471003)

0 引言

我國(guó)大蒜種植面積居世界首位[1-2]。蒜薹是大蒜的花莖，營(yíng)養(yǎng)保健價(jià)值較高[3-4]。蒜薹采收具有很強(qiáng)的時(shí)效性，如不及時(shí)抽薹，對(duì)蒜薹的質(zhì)量及大蒜的產(chǎn)量都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響[5-6]。目前，大蒜的播種及收獲過程基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化[7-10]。因蒜薹采摘過程需保證蒜薹采摘質(zhì)量及盡量避免傷害大蒜植株，造成其采摘要求較高，目前市面上還未出現(xiàn)比較成熟的蒜薹采摘機(jī)械，仍以人工采摘為主，不能滿足蒜薹及大蒜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求[11]。

靳奉奎等[12]設(shè)計(jì)了一種帶有單體仿形裝置的蒜薹切除機(jī)，通過切除蒜泡和部分蒜薹來促進(jìn)大蒜的生長(zhǎng)。此方法雖然能高效切薹，但將蒜薹作為大蒜的附屬品拋棄，不符合絕大多數(shù)種植用戶的意愿。屈哲等[13]設(shè)計(jì)了一種蒜薹收獲機(jī)械，主要通過夾持抽拔機(jī)構(gòu)和曲柄針扎機(jī)構(gòu)相互配合完成蒜薹收獲作業(yè)。通過ADAMS軟件對(duì)蒜薹收獲機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，得到了相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。朱新華等[14]對(duì)收獲期蒜薹的不同部位進(jìn)行了拉伸和壓縮試驗(yàn)，得到了不同部位蒜薹能承受的最大載荷及蒜薹機(jī)械采摘的最佳夾持位置等關(guān)鍵參數(shù)，為蒜薹采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。袁志華等[15]對(duì)蒜薹的拉伸特性進(jìn)行試驗(yàn)，采用灰色理論分析蒜薹拉伸強(qiáng)度與品種、含水率、加載速度等因素的關(guān)系，得到了相關(guān)參數(shù)規(guī)律。另外，還有一些關(guān)于蒜薹采摘機(jī)械的專利文獻(xiàn)[16-20]，因種種原因沒有推廣應(yīng)用。因此，研發(fā)一種蒜薹采摘機(jī)械代替人工抽薹十分必要。

本研究基于人工采摘蒜薹的原理，設(shè)計(jì)一種蒜薹采摘機(jī)，主要包括劃莖夾薹裝置和拔薹裝置，可完成大蒜植株劃莖、夾斷蒜薹底部、蒜薹拔出和收集等作業(yè)。根據(jù)蒜薹及大蒜植株的物理特性參數(shù)，對(duì)劃莖夾薹裝置和拔薹裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；通過理論分析，確定機(jī)器前進(jìn)速度與關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)速的關(guān)系；對(duì)硅橡膠板夾薹過程進(jìn)行ANSYS仿真分析，確定合適的夾薹間隙。利用試驗(yàn)優(yōu)化出最佳參數(shù)組合，通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)器的可靠性。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

蒜薹采摘機(jī)三維模型如圖1所示，主要由劃莖夾薹裝置和拔薹裝置組成，劃莖夾薹裝置主要包括分禾器、導(dǎo)向條、帶針鏈條、夾盤、橡膠撥棒等，拔薹裝置主要包括滾筒、夾手、槽板和凸輪盤等。

機(jī)器的全部動(dòng)力來源于直流電機(jī)，電機(jī)通過帶輪將動(dòng)力傳遞到中間軸，中間軸將動(dòng)力分3路傳出：一路傳遞到行走輪，使機(jī)器向前移動(dòng)；一路通過錐齒輪換向器傳遞到劃莖夾薹裝置，使一對(duì)帶針鏈條和一對(duì)夾盤反向旋轉(zhuǎn)；另一路通過一對(duì)齒輪將動(dòng)力傳到滾筒，使?jié)L筒向后旋轉(zhuǎn)。機(jī)器工作時(shí)，大蒜植株在分禾器的輔助下進(jìn)入帶針鏈條的間隙中，兩側(cè)鋼針扎進(jìn)大蒜植株中，帶針鏈條整體向前下方傾斜，隨著帶針鏈條的向后移動(dòng)，完成將大蒜植株從低到高的劃莖作業(yè)。在劃莖過程結(jié)束后，大蒜植株在引導(dǎo)條的引導(dǎo)和橡膠撥棒的撥動(dòng)下，順利脫離帶針鏈條。緊接著一對(duì)夾盤在大蒜植株的劃莖區(qū)對(duì)其擠壓一次，將蒜薹夾斷。滾筒上的夾手在凸輪盤的控制下，在滾筒前方閉合將蒜薹夾住拔起，隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，在滾筒的后方張開將蒜薹松開，蒜薹滑落到集薹箱中，完成蒜薹的采摘作業(yè)。

導(dǎo)向條在劃莖過程中限制鋼針的伸出長(zhǎng)度，使大蒜植株盡量保持在一對(duì)帶針鏈條中間位置，減少大蒜植株向一側(cè)偏移導(dǎo)致蒜薹被劃傷的概率；在劃莖結(jié)束后，限制大蒜植株繼續(xù)向后移動(dòng)，減輕帶針鏈條對(duì)其的回帶現(xiàn)象。橡膠撥棒克服了大蒜植株在劃莖結(jié)束后無動(dòng)力向后輸送的缺點(diǎn)，有效地增強(qiáng)了劃莖夾薹裝置和拔薹裝置銜接配合。夾手接觸蒜薹的一面安裝有硅橡膠板，防止在拔薹過程中對(duì)蒜薹造成損傷。該機(jī)器模仿傳統(tǒng)人工采摘蒜薹的原理(如圖2所示)，分別使用帶針鏈條對(duì)大蒜植株劃莖、使用夾盤將蒜薹從底部夾斷、使用滾筒夾手完成對(duì)蒜薹的拔出輸送、使用集薹箱對(duì)蒜薹收集，各部件之間銜接緊密，有效地提高了采摘蒜薹的可靠性。

綜合考慮整機(jī)配置、收獲要求、作業(yè)效率等因素，參考相關(guān)塊莖狀蔬菜收獲機(jī)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)確定整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 蒜薹采摘機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of garlic bolt picking machine

2 劃莖夾薹裝置設(shè)計(jì)

2.1 裝置組成與設(shè)計(jì)原理

劃莖夾薹裝置主要實(shí)現(xiàn)對(duì)大蒜植株的劃莖和將蒜薹從底部夾斷的功能，是蒜薹采摘機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響到拔薹損傷率和留葉合格率等多項(xiàng)性能指標(biāo)。該劃莖夾薹裝置采用一端傳動(dòng)方式，通過一根鏈條和一對(duì)相同鏈輪，將動(dòng)力分別傳入劃莖夾薹裝置的兩根主傳動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)一對(duì)帶針鏈條和一對(duì)夾盤的等速反向轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到對(duì)大蒜植株劃莖及蒜薹夾斷的目的。該裝置主要包括分禾器、導(dǎo)向條、帶針鏈條、夾盤、張緊輪、橡膠撥棒和安裝架等部件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

帶針鏈條和夾盤是劃莖夾薹裝置的兩個(gè)關(guān)鍵部件。帶針鏈條是將直徑為2 mm的鋼針焊接在直板滾子帶耳鏈條上而制成，前端傾斜向下安裝，目的是將大蒜植株的假莖劃開。單個(gè)帶針鏈條安裝中心距為500 mm，針尖回轉(zhuǎn)半徑為55 mm。參考人工采摘蒜薹長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)帶針鏈條在機(jī)架上安裝后，其前端回轉(zhuǎn)中心距地高度為200 mm。測(cè)量距地200 mm以上被假莖包裹的蒜薹直徑范圍為5～7 mm，以此設(shè)計(jì)兩根帶針鏈條針尖間隙l1在0～10 mm范圍內(nèi)可調(diào)。其中，直板滾子帶耳鏈條單個(gè)鏈板寬度為23.3 mm，兩個(gè)相鄰鏈板間隙為2.1 mm。根據(jù)距地200 mm以上被假莖包裹的蒜薹直徑范圍5～7 mm，設(shè)計(jì)單個(gè)鏈板上等間距安裝4根鋼針，相鄰兩個(gè)鋼針中心距為6 mm，跨過鏈板間隙兩根鋼針中心距為7.4 mm，鋼針伸出鏈板長(zhǎng)度為10 mm。具體結(jié)構(gòu)如圖4a所示。

夾盤安裝距地高度在200～250 mm之間可調(diào)，目的是在大蒜植株的劃莖區(qū)將蒜薹夾斷，減少假莖包裹蒜薹的阻力，增加后續(xù)蒜薹被成功拔出的可能性。測(cè)量距地200 mm以上被假莖包裹的蒜薹直徑范圍為5～7 mm，以此設(shè)計(jì)一對(duì)夾盤間隙為3 mm，試驗(yàn)驗(yàn)證此間隙能夠滿足設(shè)計(jì)要求。由于帶針鏈條和夾盤由同一根傳動(dòng)軸帶動(dòng)，為保證夾盤間隙不變，設(shè)計(jì)加工多組夾盤，多組夾盤除夾盤直徑d1不同外，其他尺寸相同，具體結(jié)構(gòu)如圖4c所示。

為防止在劃莖過程中大蒜植株偏離兩帶針鏈條中心面，導(dǎo)致蒜薹被鋼針劃傷的現(xiàn)象發(fā)生，安裝導(dǎo)向條來限制大蒜植株的左右移動(dòng)。測(cè)量距地200 mm以上大蒜植株直徑范圍為6～14 mm，以此設(shè)計(jì)兩根導(dǎo)向條呈八字形固連在安裝架上，以前后轉(zhuǎn)動(dòng)軸中心點(diǎn)位置為基準(zhǔn)，單根前端與針尖間距為10 mm，后端與針尖間距為5 mm，導(dǎo)向條直徑為4 mm。為使被劃莖過的大蒜植株順利脫離帶針鏈條及增加劃莖夾薹裝置與拔薹裝置的銜接緊密性，在劃莖夾薹裝置的傳動(dòng)軸上安裝橡膠撥棒。為保證撥棒能夠撥到大蒜植株，撥棒頂端回轉(zhuǎn)半徑需跨過帶針鏈條間隙，設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)半徑為75 mm，直徑為10 mm。為減少撥棒對(duì)大蒜植株的打擊次數(shù)，每根傳動(dòng)軸上安裝一根撥棒，兩根撥棒交錯(cuò)安裝。為防止帶針鏈條松動(dòng)導(dǎo)致劃莖作業(yè)不徹底，安裝張緊輪對(duì)鏈進(jìn)行張緊，安裝導(dǎo)鏈板限制針尖間隙。

2.2 劃莖工作過程分析

為保證大蒜植株在最佳狀態(tài)下完成劃莖作業(yè)，帶針鏈條速度需要與整機(jī)前進(jìn)速度相匹配。以扎進(jìn)大蒜植株的鋼針為研究對(duì)象，對(duì)其運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析，如圖5a所示。

大蒜植株在劃莖過程中，扎進(jìn)大蒜植株里的鋼針的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡是機(jī)器前進(jìn)速度與帶針鏈條的線速度疊加而成，其滿足關(guān)系

vt=vr+vs

(1)

式中vr——機(jī)器前進(jìn)速度，m/s

vs——帶針鏈條線速度，m/s

vt——鋼針絕對(duì)速度，m/s

根據(jù)圖5a中三角關(guān)系可得

(2)

式中α——帶針鏈條旋轉(zhuǎn)平面與水平面之間夾角，(°)

β——帶針鏈條旋轉(zhuǎn)平面與鋼針絕對(duì)速度之間夾角，(°)

化簡(jiǎn)得

(3)

由式(3)可知，當(dāng)K<1時(shí)，即vs

為保證帶針鏈條高效可靠地工作，參考莖葉類夾持輸送機(jī)構(gòu)傾角范圍為20°～30°[21]，設(shè)計(jì)α為25°，β為75°。當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度為0.24 m/s時(shí)，帶針鏈條的線速度應(yīng)為0.26 m/s，此時(shí)處于最佳的劃莖狀態(tài)。

當(dāng)鋼針在理想狀態(tài)下進(jìn)行劃莖作業(yè)時(shí)，對(duì)大蒜植株受力分析，如圖5b所示，大蒜植株受鋼針的拉力(其拉力方向與鋼針的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)方向一致)、土壤的拉力及自身重力，三力平衡。其滿足關(guān)系

F1=F+G

(4)

式中F1——鋼針對(duì)大蒜植株的拉力，N

F——土壤對(duì)大蒜植株的拉力，N

G——大蒜植株自身重力，N

由式(4)可知，需要求鋼針的拉力小于大蒜植株能承受的最大拉力。鋼針對(duì)大蒜植株的拉力取決于鋼針扎入大蒜植株的根數(shù)和鋼針扎入大蒜植株的深度，其中鋼針的排列疏密已確定，對(duì)于同一株大蒜植株，鋼針扎入大蒜植株數(shù)量相同，鋼針扎入大蒜植株的深度由針鏈間隙決定。故對(duì)于同一株大蒜植株劃莖時(shí)，鋼針對(duì)大蒜植株的拉力由針鏈間隙決定，即針鏈間隙是影響劃莖質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素。

3 拔薹裝置設(shè)計(jì)

3.1 裝置組成及設(shè)計(jì)原理

拔薹裝置主要完成將蒜薹從大蒜植株中拔出并輸送到集薹箱的過程，是蒜薹采摘機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響到拔薹損傷率和成功拔薹率等多項(xiàng)性能指標(biāo)。該裝置主要包括夾手、尼龍滑輪、槽板、外軌盤、內(nèi)軌盤、U形連接板、空心半軸、固定軸和滾筒等部件，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中兩空心半軸、兩滾筒側(cè)板、兩槽板與滾筒固連，隨齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)；外軌盤和內(nèi)軌盤通過3個(gè)U形連接板固連，內(nèi)軌盤與固定軸固連，固定軸穿過空心半軸通過扇形調(diào)節(jié)板與機(jī)架固連。

該拔薹裝置采用一端傳動(dòng)方式，通過一對(duì)齒輪將動(dòng)力通過半軸傳遞到滾筒，帶動(dòng)滾筒向后旋轉(zhuǎn)，達(dá)到機(jī)械夾手的動(dòng)力需求。夾手臂構(gòu)成菱形，一個(gè)鉸接點(diǎn)固定在滾筒上，其對(duì)角線上的鉸接點(diǎn)固定在同步軸上，同步軸兩端安裝有尼龍滑輪，尼龍滑輪被限制在內(nèi)外軌盤組成的凸輪槽內(nèi)，槽板限制滑輪只能相對(duì)滾筒作徑向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，槽板也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，尼龍滑輪被迫在內(nèi)外軌盤組成的凸輪槽內(nèi)移動(dòng)，使夾手臂構(gòu)成的菱形沿滾筒徑向?qū)蔷€改變，從而控制夾手的開閉，完成對(duì)蒜薹的拔取和輸送過程。夾手工作原理如圖7所示。

綜合考慮機(jī)架寬度、大蒜植株行距及內(nèi)部零件尺寸，設(shè)計(jì)滾筒長(zhǎng)度為620 mm，直徑為300 mm。測(cè)量未被假莖包裹的蒜薹距地高度為300～650 mm，以此設(shè)計(jì)滾筒安裝高度，滾筒中心軸線距地500 mm。滾筒圓周上均布安裝4套機(jī)械夾手，夾手隨著尼龍滑輪在凸輪槽內(nèi)移動(dòng)，分別經(jīng)過4個(gè)區(qū)域：閉合區(qū)域、逐漸張開、張開區(qū)域和逐漸閉合。為保證夾手夾持住蒜薹后，能順利將其從大蒜植株中拔出并向后輸送一段距離，需保證夾手在閉合狀態(tài)維持一定時(shí)間，綜合考慮夾手從滾筒前端夾起蒜薹到滾筒后端松開蒜薹的角度要求，減去夾手逐漸張開及逐漸閉合的過渡角度，設(shè)計(jì)閉合區(qū)域和張開區(qū)域相對(duì)應(yīng)的扇形角度為120°，可通過轉(zhuǎn)動(dòng)扇形調(diào)節(jié)板來調(diào)節(jié)4個(gè)區(qū)域的相對(duì)位置。夾手臂構(gòu)成的菱形邊長(zhǎng)為30 mm，當(dāng)夾手處于閉合區(qū)域時(shí)，徑向菱形對(duì)角線長(zhǎng)為50 mm，夾手臂工作部分夾角為0°；當(dāng)夾手處于張開區(qū)域時(shí)，徑向菱形對(duì)角線長(zhǎng)為30 mm，此時(shí)兩夾手臂工作部分頂端之間的距離是夾手拔薹范圍區(qū)域，因劃莖夾薹裝置具有將大蒜植株扶正對(duì)中的功能，所以?shī)A手拔薹范圍不必太大，綜合考慮設(shè)計(jì)夾手拔薹范圍為100 mm，此時(shí)夾手臂工作部分夾角為51.6°。L形調(diào)節(jié)板通過螺栓固定在夾手臂上，其工作部分安裝有硅橡膠板，目的是在拔取蒜薹的過程中，減小對(duì)蒜薹的損傷。L形調(diào)節(jié)板上開有腰孔，可調(diào)節(jié)夾手間隙以滿足對(duì)不同直徑的蒜薹拔取要求。按照大蒜植株種植株距為100 mm的農(nóng)藝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，要求在拔薹過程中，每次只能拔取一根蒜薹，即夾手工作部分長(zhǎng)度需小于100 mm，以此設(shè)計(jì)硅橡膠板的長(zhǎng)、寬、厚分別為70、30、5 mm。

3.2 滾筒轉(zhuǎn)速

目前，農(nóng)戶種植大蒜的行距及株距各不相同，為降低蒜薹采摘機(jī)的收獲難度，需與大蒜種植農(nóng)藝相結(jié)合，整機(jī)按大蒜植株種植株距為100 mm、行距為200 mm的農(nóng)藝要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。滾筒轉(zhuǎn)速與機(jī)器前進(jìn)速度vr需滿足一定關(guān)系。當(dāng)大蒜植株種植株距為100 mm時(shí)，則需保證機(jī)器前進(jìn)100 mm，至少有一個(gè)機(jī)械夾手完成對(duì)蒜薹的拔取。因滾筒一周安裝有4個(gè)夾手，滾筒轉(zhuǎn)速在數(shù)值上需不小于10vr/4。當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度為0.24 m/s時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速需不小于0.6 r/s，即不小于36 r/min。

3.3 蒜薹夾持過程有限元分析

3.3.1材料參數(shù)測(cè)定

夾手接觸蒜薹的一面需要安裝柔性材料，該柔性材料要求具有一定的柔性，保證不會(huì)損傷蒜薹，也要具有一定的硬度，保證有適當(dāng)?shù)膴A持力。綜合考慮，該柔性材料選擇硅橡膠[22-23]，硬度為50邵氏A，密度為1.3 g/cm3，彈性模量為2.14 MPa，泊松比為0.48。

蒜薹選用大蒜品種為徐蒜918，考慮到對(duì)蒜薹進(jìn)行機(jī)械采摘時(shí)，包裹在假莖中的蒜薹不適于機(jī)械夾手夾持，最理想的夾持位置是未被假莖包裹的蒜薹底部，所以截取蒜薹此部分作為測(cè)量樣品。利用精度為0.1 g的電子天平和精度為1 mL的量筒測(cè)量計(jì)算其密度，利用干燥法測(cè)量其含水率，重復(fù)5次試驗(yàn)取平均值，測(cè)得其密度為1.05 g/cm3，其含水率為88.5%。

事先將蒜薹截成長(zhǎng)度為10 mm左右的試驗(yàn)樣品，利用TA.XTC-16型質(zhì)構(gòu)儀對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，如圖8所示。

配合使用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺，計(jì)算蒜薹徑向能承受的最大壓應(yīng)力σm、彈性模量E和泊松比μ，重復(fù)5次取平均值，分別得到σm=0.81 MPa，E=1.69 MPa，μ=0.44。

3.3.2仿真建模及結(jié)果分析

通過ANSYS 19.1軟件對(duì)硅橡膠板的夾薹過程進(jìn)行仿真分析，確定合適的夾薹間隙[24-27]。首先在ANSYS Workbench中新建一個(gè)模型，在其Geometry中建立硅橡膠板和蒜薹三維模型，隨機(jī)測(cè)量15株蒜薹被假莖包裹最高點(diǎn)的直徑，其范圍為4.8～6.3 mm，其平均值為5.6 mm，為保證大多數(shù)蒜薹不被硅橡膠板夾傷，建模蒜薹直徑取6 mm。建模硅橡膠板的長(zhǎng)、寬、厚分別取20、30、5 mm。然后在ANSYS的Engineering Date中新建兩種材料，分別將硅橡膠和蒜薹的參數(shù)輸入，在Model中賦予三維模型這兩種材料屬性，同時(shí)添加接觸及邊界約束條件。當(dāng)硅橡膠板對(duì)蒜薹夾緊，夾薹間隙分別為1 mm和2 mm時(shí)，蒜薹和硅橡膠板的等效應(yīng)力分布云圖如圖9所示。

從圖9a可以看出，當(dāng)夾薹間隙為1 mm時(shí)，蒜薹的最大等效應(yīng)力為0.916 83 MPa，大于蒜薹徑向能承受的最大壓應(yīng)力σm=0.81 MPa，故蒜薹可能出現(xiàn)被夾傷的現(xiàn)象；從圖9b可以看出，當(dāng)夾薹間隙為2 mm時(shí)，蒜薹的最大等效應(yīng)力為0.746 07 MPa，小于蒜薹徑向能承受的最大壓應(yīng)力σm=0.81 MPa，故蒜薹不會(huì)出現(xiàn)被夾傷的現(xiàn)象。綜合考慮，在保證蒜薹不被硅橡膠板夾傷的情況下，硅橡膠板對(duì)蒜薹的夾持力越大越好，提高蒜薹被抽出的可靠性，故設(shè)定夾薹間隙為2 mm。通過試驗(yàn)驗(yàn)證在夾薹間隙為2 mm時(shí)，使用硅橡膠板夾持蒜薹不會(huì)出現(xiàn)被夾傷的現(xiàn)象且滿足蒜薹拔出夾持力的要求，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與方法

根據(jù)GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》試驗(yàn)方法，于2021年4月在自行搭建的試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)蒜薹采摘機(jī)(圖10)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)為河南省孟津縣，每組試驗(yàn)使用50株大蒜，固定株距為100 mm。以徐蒜918為試驗(yàn)對(duì)象，待蒜薹處于成熟期和拔薹期時(shí)，挑選長(zhǎng)勢(shì)均勻、莖葉茂盛及生長(zhǎng)狀況良好的大蒜植株作為試驗(yàn)物料，測(cè)量統(tǒng)計(jì)大蒜植株平均自然高度為583 mm，蒜薹被假莖包裹最高點(diǎn)平均自然高度為386 mm，蒜薹被假莖包裹最高點(diǎn)平均直徑為5.6 mm，大蒜植株平均健康葉子數(shù)量為5.4個(gè)。

4.2 試驗(yàn)因素與指標(biāo)

在前期試驗(yàn)觀察和理論分析基礎(chǔ)上，選取與機(jī)器工作性能密切相關(guān)的針鏈間隙(兩平行針鏈針尖之間的距離)、滾筒轉(zhuǎn)速和夾手閉合起始角(機(jī)械夾手剛開始閉合點(diǎn)與滾筒中心的連線和豎直方向的夾角)為試驗(yàn)因素。經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研，蒜薹采摘機(jī)工作要求應(yīng)該滿足：蒜薹從夾盤夾斷點(diǎn)以上被全部拔出，保證拔出蒜薹有一定的長(zhǎng)度；蒜薹被拔出后不應(yīng)該有機(jī)械損傷，保證蒜薹能夠方便儲(chǔ)存；拔薹后大蒜植株上完整留葉數(shù)應(yīng)該在兩個(gè)以上，保證蒜頭還能繼續(xù)存活。因此選取成功拔薹率y1、拔薹損傷率y2和留葉合格率y3為試驗(yàn)指標(biāo)。

4.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

4.3.1試驗(yàn)方案與結(jié)果

采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)樣機(jī)實(shí)際工作情況，結(jié)合理論分析及單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定針鏈間隙范圍2～6 mm、滾筒轉(zhuǎn)速范圍36～66 r/min和夾手閉合起始角范圍50°～90°，以此設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Coding of test factors

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Scheme and results of experiment

在試驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制試驗(yàn)因素外的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一致性，避免其他無關(guān)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)造成影響。為方便對(duì)試驗(yàn)過程的觀察，統(tǒng)一設(shè)定每次機(jī)器前進(jìn)速度為0.24 m/s。試驗(yàn)結(jié)束后，在收集統(tǒng)計(jì)的過程中應(yīng)避免人為因素對(duì)蒜薹造成二次損傷，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。每個(gè)因素組合方案進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，分別測(cè)定成功拔薹率、拔薹損傷率和留葉合格率，然后取平均值，其試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示[28]。X1、X2和X3為針鏈間隙x1、滾筒轉(zhuǎn)速x2和夾手閉合起始角x3的編碼值。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯著性分析，對(duì)各因素組合進(jìn)行優(yōu)化求解，分析因素交互作用對(duì)各指標(biāo)的影響規(guī)律，得到最優(yōu)的因素組合，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次回歸分析，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行多元回歸擬合，得到試驗(yàn)因素針鏈間隙、滾筒轉(zhuǎn)速和夾手閉合起始角與試驗(yàn)指標(biāo)成功拔薹率y1、拔薹損傷率y2、留葉合格率y3的函數(shù)關(guān)系，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[29]。各指標(biāo)的方差分析結(jié)果如表4所示[30-31]。

表4 方差分析Tab.4 Analysis result of variance

(1)成功拔薹率y1

(5)

對(duì)方程(5)進(jìn)行失擬檢驗(yàn)，失擬項(xiàng)的P值為0.623 6(P>0.1)，說明模型擬合程度很高。模型的P值小于0.000 1(P<0.01)，表明模型極其顯著。其決定系數(shù)R2為0.869 8，表明86%以上響應(yīng)值均可以由這個(gè)模型解釋，因此，回歸方程能夠比較準(zhǔn)確地對(duì)該裝置的成功拔薹率指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(2)拔薹損傷率y2

(6)

對(duì)方程(6)進(jìn)行失擬檢驗(yàn)，失擬項(xiàng)的P值為0.681 8(P>0.1)，說明模型擬合程度很高。模型的P值為0.001(P<0.01)，表明模型極其顯著。其決定系數(shù)R2為0.717 4，表明71%以上響應(yīng)值均可以由這個(gè)模型解釋，因此，回歸方程能夠比較準(zhǔn)確地對(duì)該裝置的拔薹損傷率指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(3)留葉合格率y3

(7)

對(duì)方程(7)進(jìn)行失擬檢驗(yàn)，失擬項(xiàng)的P值為0.233 0(P>0.1)，說明模型擬合程度很高。模型的P值為0.000 5(P<0.01)，表明模型極其顯著。其決定系數(shù)R2為0.700 1，表明70%以上響應(yīng)值均可以由這個(gè)模型解釋，因此，回歸方程能夠比較準(zhǔn)確地對(duì)該裝置的留葉合格率指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.3.3響應(yīng)曲面分析

根據(jù)式(5)～(7)，通過Design-Expert 8.0.6軟件繪制出各試驗(yàn)因素之間顯著交互作用對(duì)各指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面，如圖11所示。

由圖11a可知，當(dāng)針鏈間隙分別處于較高或較低水平時(shí)，夾手閉合起始角升高對(duì)成功拔薹率影響的變化趨勢(shì)不同，說明兩因素的交互作用對(duì)成功拔薹率影響顯著，并且夾手閉合起始角對(duì)成功拔薹率影響高于針鏈間隙，與方差分析結(jié)果一致。當(dāng)針鏈間隙處于較低水平時(shí)，夾手閉合起始角起主導(dǎo)作用，因?yàn)榇藭r(shí)針鏈間隙較小，對(duì)大蒜植株的劃莖效果較好，隨著夾手閉合起始角增大，夾手夾住葉子的概率降低，成功拔薹率逐漸升高；當(dāng)針鏈間隙處于較高水平時(shí)，針鏈間隙起主導(dǎo)作用，因?yàn)榇藭r(shí)針鏈間隙較大，對(duì)大蒜植株的劃莖效果較差，隨著夾手閉合起始角增大，夾手夾住葉子的概率降低，但蒜薹被拔斷的概率增加，導(dǎo)致成功拔薹率變化不明顯。

由圖11b可知，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速分別處于較高或較低水平時(shí)，針鏈間隙升高對(duì)拔薹損傷率影響的變化趨勢(shì)不同，說明兩因素的交互作用對(duì)拔薹損傷率影響顯著，并且針鏈間隙對(duì)拔薹損傷率影響高于滾筒轉(zhuǎn)速，與方差分析結(jié)果一致。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速處于較低水平時(shí)，隨著針鏈間隙的增大，針鏈對(duì)蒜薹的劃傷減小，但夾手對(duì)蒜薹的拔斷概率增加，導(dǎo)致拔薹損傷率變化不明顯；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速處于較高水平時(shí)，此時(shí)蒜薹與機(jī)架的碰撞程度加大，增加了蒜薹的損傷，隨著針鏈間隙的增大，減小了針鏈對(duì)蒜薹的劃傷，拔薹損傷率逐漸降低。

由圖11c可知，當(dāng)針鏈間隙分別處于較高或較低水平時(shí)，夾手閉合起始角升高對(duì)留葉合格率影響的變化趨勢(shì)不同，說明兩因素的交互作用對(duì)留葉合格率影響顯著，并且針鏈間隙對(duì)留葉合格率影響高于夾手閉合起始角，與方差分析結(jié)果一致。當(dāng)針鏈間隙處于較低水平時(shí)，夾手閉合起始角起主導(dǎo)作用，因?yàn)榇藭r(shí)針鏈間隙較小，對(duì)大蒜植株的劃莖效果較好，隨著夾手閉合起始角增大，夾手夾住葉子的概率降低，留葉合格率逐漸升高；當(dāng)針鏈間隙處于較高水平時(shí)，針鏈間隙起主導(dǎo)作用，隨著夾手閉合起始角增大，雖然夾手夾住葉子的概率降低，但因大蒜植株的劃莖效果較差，拔薹時(shí)更容易將夾盤夾斷點(diǎn)以上的包裹葉一起拔出，導(dǎo)致留葉合格率變化不明顯。

4.3.4參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)成功拔薹率y1、拔薹損傷率y2和留葉合格率y3的數(shù)學(xué)模型，可以在約束條件范圍內(nèi)對(duì)仿生蒜薹采摘機(jī)的試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)組合并對(duì)回歸模型進(jìn)行檢驗(yàn)。以最大成功拔薹率、最小拔薹損傷率和最大留葉合格率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為

(8)

通過Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)其優(yōu)化，其中成功拔薹率y1、拔薹損傷率y2和留葉合格率y3的權(quán)重分別為0.3、0.4和0.3，分析得到最優(yōu)參數(shù)組合為：針鏈間隙3.92 mm、滾筒轉(zhuǎn)速48.32 r/min和夾手閉合起止角78.53°，此時(shí)的成功拔薹率、拔薹損傷率和留葉合格率分別為89.10%、20.55%和77.34%。在實(shí)際操作中，為方便參數(shù)的調(diào)節(jié)，各參數(shù)取整得到最優(yōu)參數(shù)組合為：針鏈間隙4 mm、滾筒轉(zhuǎn)速48 r/min和夾手閉合起止角79°。

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可行性，對(duì)取整后最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，每組試驗(yàn)100株大蒜，保證其他因素不變的情況下，重復(fù)3次取平均值，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如表5所示，即成功拔薹率、拔薹損傷率和留葉合格率分別為90%、22%和75%，與最優(yōu)參數(shù)組合預(yù)測(cè)值接近。

表5 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Tab.5 Verification tests results %

5 結(jié)論

(1)基于傳統(tǒng)人工采摘蒜薹的方法，設(shè)計(jì)一種蒜薹采摘機(jī)，通過劃莖夾薹裝置完成大蒜植株的劃莖及將蒜薹從底部夾斷的過程，通過拔薹裝置完成蒜薹的拔出與輸送過程，各部件之間銜接緊密，有效地提高了采摘蒜薹的可靠性。

(2)根據(jù)蒜薹及大蒜植株的物理特性參數(shù)，設(shè)計(jì)了劃莖夾薹裝置和拔薹裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)；通過理論分析，確定了帶針鏈條及滾筒的轉(zhuǎn)速范圍；對(duì)硅橡膠板夾薹過程進(jìn)行ANSYS仿真分析，確定了夾薹間隙為2 mm。

(3)由三元二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)得最優(yōu)參數(shù)組合為：針鏈間隙3.92 mm、滾筒轉(zhuǎn)速48.32 r/min和夾手閉合起始角78.53°，此時(shí)的成功拔薹率、拔薹損傷率和留葉合格率分別為89.10%、20.55%和77.34%。對(duì)取整后最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，證明了最優(yōu)參數(shù)組合的可靠性。