氣動翻轉梳齒式菊花采摘裝置設計與試驗

王榮炎 于慧爽 陳安迪 李愛潮 高 磊 鄭志安

(中國農業(yè)大學工學院， 北京 100083)

0 引言

菊花，菊科菊屬的多年生草本植物，花朵中含有多種揮發(fā)油、黃酮類、多糖類、三萜類及人體所需的微量元素[1-2]。以北京菊為例，其花朵可藥食兩用，還可用作牙膏、護手霜等日用品的原料，經濟價值高。北京菊具有采后復生的特點，且菊花花朵生長位置分散。目前北京菊靠人工采摘，采摘效率低、成本高，成為制約北京菊產業(yè)持續(xù)發(fā)展的瓶頸[3-5]。

國外關于菊花(菊花品種多為洋甘菊)機械化收獲的研究較早，阿根廷、斯洛伐克、塞爾維亞和德國等在20世紀70—80年代已經使用收獲機進行洋甘菊收獲作業(yè)[6]。洋甘菊收獲機采摘部件主要有滾筒梳式、滾筒扇板式、梳齒刀組合式和梳齒氣動組合式，收獲下來的花朵上均帶有過長的花柄，含雜率很高，不適用于收獲北京菊[7-11]。近年來，國內開始致力于研制食用菊花的收獲機械，文獻[12]設計了一種手推式杭白菊采摘機，研究了該采摘機轉速、梳齒間距和梳齒工作深度對采摘率和損傷率的影響，該采摘機的梳齒安裝在鏈條上，采摘運行穩(wěn)定性較差，收集裝置位于采摘部件下方，采摘機通過性較差；文獻[13]研制了一種手推往復梳齒式杭白菊采摘機，利用曲柄連桿機構的急回特性帶動梳齒實現(xiàn)菊花的采摘，采摘下來的花朵上無花柄，雜質率和損傷率較低，但機器的通過性較差，且行駛速度受人為因素影響較大；文獻[14]發(fā)明了一種簡易菊花采摘機，該采摘機由汽油發(fā)動機提供動力，利用設置在梳齒桿上的切刀對菊花進行收割；文獻[15]發(fā)明了一種菊花批量采集裝置，利用梳刀采集輥進行旋轉式采摘，靠離心力將菊花拋入存儲箱；文獻[16]發(fā)明了一種菊花采收機，利用分花齒排將植株分隔為多列，摘花梳齒夾持被分隔的植株，定刀刀片將花朵切割下來。文獻[14-16]均為授權專利，實際采摘效果尚未見報道。

根據北京菊的生長特性和采摘要求，本文在已有樣機[13]的基礎上優(yōu)化設計一種氣動翻轉梳齒式菊花采摘裝置，并進行田間試驗，以獲得采摘裝置的最優(yōu)工作參數(shù)，旨在為菊花采摘機械化的發(fā)展提供參考。

1 菊花力學參數(shù)和采摘要求

1.1 力學參數(shù)

隨機選取20 株盛開期北京菊植株(圖1)，對其物理參數(shù)進行測量[17-18]，采用游標卡尺(量程0～200 mm、精度0.02 mm)測量各部位直徑，采用2519-104型instron萬能材料試驗機對各部位進行拉伸和剪切試驗(圖2)，試驗機加載速度為3 mm/min，每組重復10次，試驗結果如表1所示。

圖1 北京菊各部位名稱Fig.1 Names of parts of chrysanthemum1.花托 2.花朵 3.花柄 4.二級枝條 5.一級枝條 6.主枝

圖2 北京菊力學參數(shù)測試Fig.2 Measurement of mechanical parameters of chrysanthemum

表1 北京菊測量參數(shù)Tab.1 Measurement parameters of chrysanthemum

根據表1測試結果：相同條件下對北京菊進行拉伸和剪切，除一級枝條外的各部位更容易被拉斷；拉斷力由大到小依次為一級枝條、二級枝條、花柄，花柄處的平均拉斷力為5.14 N，明顯小于其它部位。因此，理論上采摘時最先于花柄處拉斷。

1.2 采摘要求和設計目標

北京菊的采收期為10月上旬至11月中旬，于管狀花散開2/3、花色潔白時采收，采摘時，不能破壞植株，以免影響二次收獲，且采摘下來的花朵上不能帶著花柄。所設計的采摘裝置首先應保證工作運行平穩(wěn)，采摘速度、采摘高度和機器行駛速度可調，以適應不同密度和高度植株的采摘；機器由手推式變?yōu)樽宰呤?，降低人為因素對機器行駛速度的影響；采摘軌跡應包絡頂層花和底層花的高度差；針對菊花采后復生的特點，要求采摘裝置具有較好的通過性，降低對植株的破壞；采摘裝置盡量一次性完成采摘和收集。

2 整體結構與工作原理

2.1 整體結構

氣動翻轉梳齒式菊花采摘裝置總體結構如圖3所示，整機參數(shù)如表2所示。行走裝置通過兩電機驅動兩前輪，兩后輪為萬向輪，萬向輪上增設了扶手，提高了循跡性，同時方便控制轉向。采摘部件主要由梳齒排和一對偏置曲柄滑塊機構組成，弧形梳齒等間距均勻排布，可更換不同齒距的梳齒排。梳齒安裝架兩端焊有短軸，左端鉸接在左側的連桿上，右端與擺動氣缸軸固接。絲杠升降機構主要包括絲杠、導柱、叉形承接架和電機。傳動部件安裝在叉形承接架上，主要包括直流減速電機和同步帶。氣動拋送機構可配合采摘部件將采摘下來的花朵拋送至后方收集裝置中。收集裝置固定在機架內側。清齒部件位于梳齒安裝架下方。采摘處和升降處的電機可通過控制柜中各調速器進行無級調速。24 V直流電池組配合逆變器為采摘裝置提供動力。

圖3 裝置結構示意圖Fig.3 Device structure diagram1.行走裝置 2.梳齒 3.機架 4.帶傳動機構 5.氣動裝置 6.收集盒 7.逆變器 8.蓄電池 9.升降絲杠 10.叉形承接架 11.電控箱 12.擺動氣缸 13.側板 14.軸套 15.清齒部件 16.曲柄滑塊機構

2.2 工作原理

作業(yè)前，將機器對準菊花畦壟，調節(jié)絲杠升降機構使采摘部件適應待采植株高度。采摘電機通過同步帶將動力傳遞到采摘裝置的主動軸，使曲柄勻速旋轉，滑塊在滑軌上做變速往復直線運動，連桿做平面復合運動，從而帶動梳齒排自下而上進行采摘作業(yè)。梳齒運動到最低點插入植株，并向斜上方運動采摘菊花。梳齒排運動到最高點時，曲柄轉動到接近開關的位置，接近開關將高低電位信號傳遞給時間繼電器，電磁閥再根據時間繼電器發(fā)出的信號，控制擺動氣缸帶動采摘齒排向后擺動90°，梳齒排上的花朵受慣性力向后拋送至收集盒中。當滑塊在滑軌上運動到最后端的極限位置時，擺動氣缸帶動采摘齒排向前擺動90°迅速復位，梳齒往復和拋送運動相配合，以此往復。位于梳齒架下方的清齒部件對梳齒進行清理，防止堵塞。采摘梳齒的運轉速度、機器行駛速度可根據菊花植株密度進行調節(jié)，實現(xiàn)菊花的連續(xù)采摘。

表2 整機參數(shù)Tab.2 Machine parameters

3 關鍵部件設計與參數(shù)確定

3.1 采摘部件結構與參數(shù)

3.1.1梳齒參數(shù)確定

梳齒是直接與菊花植株接觸的部件，其長度和形狀等參數(shù)對實際采摘效果有較大影響。梳齒轉動一周應包絡花朵高度差，梳齒長度過小會漏摘底層花朵，梳齒過長會彎曲變形，綜合考慮確定梳齒長度為26 cm，梳齒直徑為6 mm。對比了方條型和圓柱型梳齒的采摘效果后發(fā)現(xiàn)圓柱型梳齒更容易插入植株，且采摘端部為圓弧型的梳齒相較于直型梳齒，更易于將花朵向后拋送。因此，確定梳齒為采摘端帶弧度的圓柱型。采摘時，花柄進入梳齒間隙，枝條拉直，花柄張緊，花托受到梳齒提供的提拉力和摩擦力，在合力的作用下花朵被采摘下來。采摘過程可視為梳齒對花托的碰撞過程，摩擦力提供的沖擊力忽略不計。為了方便力學分析，將花柄、花托與梳齒簡化為規(guī)則剛體?；ㄍ惺艿较噜弮墒猃X提供的一對提拉力F，花朵脫落取決于提拉力F沿梳齒移動方向的分力Fa?；ǘ渑c花柄之間的結合力為T，拉拔力2Fa與結合力T方向相反，花朵在相鄰兩梳齒間的受力狀況如圖4所示。

圖4 北京菊采摘受力示意圖Fig.4 Diagram of force acting on chrysanthemum1.花朵 2.花托 3.花柄 4.梳齒

梳齒對花朵作用力公式為

(1)

式中α——F與垂直方向夾角，(°)

i——相鄰兩梳齒間距，mm

l——梳齒在花托接觸點和花朵重心的距離，mm

當對花朵的拉拔力大于花朵與花柄的結合力時，花朵脫落，即

2Fa≥T

(2)

由式(1)、(2)得

(3)

由式(3)可知，梳齒間隙變大，花朵受到的提拉力變大，花朵更容易脫落。但間隙過大，則會漏采；間隙過小，則會誤采花蕾，并可能造成梳齒堵塞。梳齒間隙i應該大于花柄以及各分枝直徑，小于花托直徑[16-17]，所以參照表1，i理論值為3.34～11.37 mm。

3.1.2偏置曲柄滑塊機構參數(shù)確定

偏置曲柄滑塊機構的傳動性能主要取決于傳動角γ，γ越大越有利于傳動，傳動效率越高，所以將γmin作為目標函數(shù)，建立γmin與極位夾角δ之間的關系式。在該關系式中，行程速比系數(shù)K一定時，當γmin取得最大值時傳動性能最佳[19]。根據圖5可知，曲柄位置變化，連桿傳動角γ就會不同，當曲柄和滑軌垂直時，獲得最小傳動角γmin，此時

(4)

圖5 偏置曲柄滑塊機構簡圖Fig.5 Schematic of offset crank slider mechanism

由式(4)可知傳動角γ與曲柄長度a、連桿長度b、偏心距e的取值有關。已知滑塊行程H和行程速比系數(shù)，再得知曲柄長度、連桿長度或偏心距任一參數(shù)即可設計該傳動機構，若γmin<γ，則滿足設計要求。根據采摘部件安裝要求和采摘要求，設置偏心距e為90 mm，滑塊行程H為400 mm，滿足行程速比系數(shù)K為1.3，計算該曲柄滑塊機構尺寸關系[20-21]。在三角形△AC2C1中

H2=(a+b)2+(b-a)2-2(a+b)(b-a)cosδ

(5)

(6)

可得

(7)

(8)

(9)

連桿長度和偏心距與曲柄長度有關，以曲柄長度a作為設計參數(shù)，建立機構最小傳動角方程。曲柄長度a的取值范圍為

(10)

在△B′C′E中，機構最小傳動角可表示為

(11)

機構行程速比系數(shù)

(12)

求最小傳動角極值

(13)

(14)

取曲柄長度a為自變量，則有目標函數(shù)

(15)

取函數(shù)

(16)

通過計算f′(a)和f″(a)得出該曲柄滑塊機構的曲柄長度a可取140 mm，連桿長度b取300 mm，為了保證機構具有良好的傳動性能，最小傳動角可取46.63°。

3.2 清齒部件組成

該清齒部件主要包括毛刷、雙桿雙軸氣缸、手動換向閥、氣缸安裝架等。毛刷的底板為PVC材質，毛刷的尺寸(板長×板寬×板厚×刷絲長度)為500 mm×20 mm×10 mm×20 mm，刷絲有兩列。毛刷安裝在氣缸活塞頭部的鋁合金固定板上。該氣缸是依靠壓縮缸內空氣做功來實現(xiàn)活塞的往復運動，活塞桿伸出與復位帶動毛刷實現(xiàn)推拉動作。當梳齒堵塞時，打開手動換向閥使氣缸工作，將堵塞物清理下來。要根據所需力選擇缸徑[22]。毛刷組件質量約為0.5 kg，刷絲為尼龍材質，取摩擦因數(shù)為0.25，推動毛刷組件所需要的力約為1.25 N。氣缸理論輸出推力和拉力均為

(17)

式中Fq——理論輸出力，N

D——缸徑，mm

D′——活塞桿直徑，mm

p——工作壓力，一般為系統(tǒng)中減壓閥調定壓力的85%，MPa

為防止活塞和缸蓋相碰，應在計算所需的行程上增加10～20 mm的余量。本例中，采摘的花朵往往堆積在梳齒直線段與彎曲段的交接處，所以氣缸行程選為125 mm。

3.3 氣動拋送機構

3.3.1結構組成和工作原理

氣動拋送機構主要由氣泵、過濾器、電磁閥、氣缸、時間繼電器、接近開關和擺動氣缸等組成，結構原理如圖6所示，表3為氣動元件的參數(shù)。作業(yè)時，逆變器將蓄電池24 V直流電轉換為氣泵所需要的220 V交流電，氣泵給氣動元件提供氣源，該擺動氣缸的伸出軸與梳齒架通過軸套相連，帶動梳齒作翻轉運動向后拋送菊花。氣動拋送機構的啟停由啟動按鈕和急停按鈕控制，一般待梳齒多做幾個采摘循環(huán)，梳齒上殘留的菊花較多時，開啟拋送機構；梳齒上的花朵較少時，可使拋送機構暫停。

圖6 氣動拋送機構結構原理圖Fig.6 Pneumatic throwing device structure principle diagram

3.3.2參數(shù)確定

氣體輸送管道為PU氣管，由軋帶固定，緊貼機架排布。管道起點連接氣泵出氣口，末端與擺動氣缸相連，管道內徑為4 mm，總長3 m。氣泵工作氣壓為0.7 MPa，擺動氣缸工作壓力為0.65 MPa。管道總長較小，管道內氣體流速和密度的相對變化不大，常溫管道可按40℃計算。管道內氣體流量計算式可簡化為[22-23]

(18)

式中Qn——氣體流量，m3/s

pq——管道起點的絕對壓力，取7×105Pa

pz——管道終點的絕對壓力，取6.5×105Pa

表3 氣動元件主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of pneumatic components

d——管道內徑，m

λ——摩擦因數(shù)，取0.025 2

L——管道長度，m

ρ——標準狀態(tài)下的空氣密度，取1.293 kg/m3

t——輸氣溫度，取313 K

將各參數(shù)數(shù)值代入式(18)中，計算得出氣體流量為0.22 m3/s。同時可求出管道平均壓力理論值pm為0.675 MPa。單位長度上壓降為[22-23]

(19)

將各參數(shù)數(shù)值代入式(19)，得單位長度上壓降為2.08×10-5MPa/m，全程壓降為6.24×10-5MPa。初步計算末端壓力

p′z=pq-Δp

(20)

管內平均壓力實際值為

(21)

精度檢查得

(22)

在±5%范圍內，可確定氣動裝置的選型與結構排布符合設計要求。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

試驗地點為河北省保定市高陽縣菊花種植基地，試驗時間為2021年10月20日。菊花花朵含水率為82.86%，平均株高約為50 cm，頂層花與底層花的平均距離約為25 cm，菊花壟寬為60 cm，一壟種植兩行，行距為30～40 cm，株距為20 cm。樣機試驗如圖7所示。

圖7 采摘裝置田間試驗Fig.7 Field test of picking device

4.2 試驗指標及方法

根據菊花采摘的農藝要求，本次試驗以采摘率Y1、損傷率Y2、含雜率Y3為試驗指標。各指標的統(tǒng)計方法為：每2 m作為一組采摘數(shù)據，計2 m行程內采摘下的花朵質量為np、采摘下的枝條等雜質質量為ni、破損的花朵質量為nb，測得100朵菊花的質量為176 g，將2 m內未采摘下來的菊花換算成質量，計為nu。采摘率、損傷率和含雜率計算式分別為

(23)

(24)

(25)

4.3 試驗方案設計與結果分析

根據梳齒往復式菊花采摘裝置的采摘原理和結構特點，主要有3個因素可能影響采摘效果，分別是曲柄轉速、梳齒間距以及機器行駛速度。通過查閱文獻及預試驗結果，確定曲柄轉速為30～60 r/min，梳齒間距為6.5～9.5 mm，機器行駛速度為0.1～0.3 m/s。采用三因素三水平的Box-Behnken試驗設計原理進行組合試驗，分析各因素對各指標的影響程度[24]。試驗因素編碼如表4所示，試驗組數(shù)N為17，每組試驗重復3次，取3次的平均值作為該組的試驗結果，試驗方案與結果如表5所示。表中，X1、X2、X3分別為曲柄轉速、梳齒間距、行駛速度的編碼值。

表4 試驗因素編碼Tab.4 Factors and codes of field tests

表5 試驗方案與結果Tab.5 Plan and result of test

通過Design-Expert 8.0.6軟件對試驗數(shù)據開展多元回歸擬合分析，建立采摘率Y1、損傷率Y2和含雜率Y3對曲柄轉速、梳齒間距和行駛速度3個自變量的二次多項式響應面回歸模型

對上述回歸模型進行方差分析(表6)。采摘率、損傷率和含雜率的回歸模型中P值均小于0.05，失擬項P>0.05，表明模型能夠正確反映試驗因素與試驗指標之間的關系。根據表6中F值可知，各因素對采摘率的影響主次順序為曲柄轉速、梳齒間距、行駛速度，并且各因素的交互作用均對采摘率有顯著影響；各因素對損傷率的影響主次順序為梳齒間距、曲柄轉速、行駛速度，且曲柄轉速和行駛速度的交互作用對損傷率有顯著影響；各因素對含雜率的影響主次順序為梳齒間距、曲柄轉速、行駛速度，且曲柄轉速和行駛速度的交互作用也對損傷率有顯著影響。根據回歸方程分析結果，利用Design-Expert 8.0.6軟件分別作影響顯著的各交互因素與采摘率、損傷率和含雜率之間關系的響應曲面圖[25-28]，如圖8所示。

表6 回歸模型方差分析Tab.6 Variance analysis of regression model

圖8 因素交互作用對試驗指標影響的響應曲面Fig.8 Response surfaces of factor interaction on test index

圖8a～8c分別為曲柄轉速與梳齒間距、曲柄轉速與行駛速度、梳齒間距與行駛速度的交互作用對采摘率的響應曲面。如圖8a所示，當行駛速度為0.2 m/s時，隨著曲柄轉速增加且梳齒間距減小，采摘率提高。因為曲柄轉速越高，單位時間內梳齒與菊花植株的接觸次數(shù)越多，采摘率越高；梳齒間距越小，漏采概率越小，梳齒與菊花植株的有效接觸越多，采摘率越高。當曲柄轉速和梳齒間距達到一定水平時，采摘率的增加速度趨于平緩，尤其當梳齒間距為8 mm左右時，繼續(xù)增加梳齒間距，采摘率未有明顯提高，因為梳齒間距過大，會產生漏采現(xiàn)象。如圖8b所示，當梳齒間距為8 mm時，隨著曲柄轉速增加且行駛速度減小，采摘率增加，當曲柄轉速和行駛速度達到一定水平時，采摘率的增加速度趨于平緩。由于行駛速度越小，單位面積內菊花植株的采摘次數(shù)越多，采摘率會越高，到采摘后期植株上菊花數(shù)量不多時，繼續(xù)減小行駛速度，并不會提高采摘率，反而會降低采摘效率。如圖8c所示，響應曲面整體呈開口向下趨勢，即固定曲柄轉速，隨著梳齒間距和行駛速度的增加，采摘率呈先增加后降低的趨勢，當梳齒間距為8 mm，行駛速度為0.2 m/s時，采摘率較高。

圖8d為曲柄轉速與行駛速度的交互作用對損傷率的響應曲面。當梳齒間距不變，隨著曲柄轉速和行駛速度增加，損傷率呈增加趨勢，且增加速度越來越大，主要因為曲柄轉速增加，梳齒對花朵的沖擊力增加，花朵與花柄之間的連接力是一定的，過大的沖擊力會對柔軟的花朵造成損傷；行駛速度增大，會增加采摘裝置對植株的沖擊和碰撞，也會影響花朵的完整性。

圖8e為曲柄轉速與行駛速度的交互作用對含雜率的響應曲面。當固定梳齒間距時，隨著曲柄轉速和行駛速度減小，含雜率呈降低趨勢。當曲柄轉速減小，梳齒對菊花植株的沖擊力減小，枝條、葉片等受到的作用力減??；并且行駛速度減小，采摘過程趨于平緩，對植株的碰撞和沖擊也隨之減小，因此含雜率會降低。

4.4 參數(shù)優(yōu)化

為獲得該采摘機最優(yōu)工作參數(shù)組合，運用Design-Expert 8.0.6軟件對上述3個回歸模型進行約束目標求解。采摘菊花時，應保證采摘率最高，在此基礎上降低損傷率和含雜率，因此設置目標函數(shù)maxY1，損傷率小于2%，含雜率小于10%，優(yōu)化所得最佳參數(shù)為：曲柄轉速49.45 r/min、梳齒間距8.13 mm、行駛速度0.17 m/s，此時，采摘率可達92.09%，損傷率為1.85%，含雜率為10%。根據優(yōu)化結果，將梳齒間距設為8 mm，其他條件不變再次利用軟件求優(yōu)，優(yōu)化參數(shù)結果：曲柄轉速為47.94 r/min、梳齒間距為8 mm、行駛速度為0.17 m/s，此時，采摘率可達92%，損傷率為1.83%，含雜率為10%。根據優(yōu)化后的工作參數(shù)，進行3次重復試驗，得到采摘率為92.56%，損傷率為1.86%，含雜率為9.51%，試驗結果與理論優(yōu)化結果一致。

5 結論

(1) 通過深入分析北京菊的生長特性和采摘要求，設計了一種氣動翻轉梳齒式菊花采摘裝置。該采摘裝置利用一對偏置式曲柄滑塊機構驅動梳齒排采摘菊花，毛刷清理梳齒，并通過氣動拋送裝置將菊花向后拋送，采摘工作高度可由絲杠升降機構進行調節(jié)，機器通過性良好。

(2)通過分析采摘裝置的工作原理，對北京菊采摘過程進行了受力分析和理論計算，確定了采摘部件的結構和工作參數(shù)，并對清齒和氣動拋送裝置的組成和工作過程進行了闡述，各組件相互配合共同完成采摘、清齒、收集作業(yè)。

(3)通過設計二次回歸正交旋轉組合試驗，研究了曲柄轉速、梳齒間距和行駛速度對采摘率、損傷率、含雜率的影響，得到了各試驗指標的回歸方程。經方差分析可知，影響采摘率的因素主次順序為曲柄轉速、梳齒間距、行駛速度；影響損傷率和含雜率的因素主次順序均為梳齒間距、曲柄轉速、行駛速度，同時得出了雙因素交互作用對試驗指標的影響。通過參數(shù)優(yōu)化和試驗驗證得出：當曲柄轉速為47.94 r/min、梳齒間距為8 mm、行駛速度為0.17 m/s時，采摘率可達92%，損傷率為1.83%，含雜率為10%，表明該氣動翻轉梳齒式菊花采摘裝置達到了較好的采摘效果。