房大偉，賀俊林，何永強(qiáng)，杜曉斌，易猛，荊誼，杜俊杰

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西 太谷 030801； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西 太谷 030801)

鈣果，學(xué)名歐李(Cerasushumilis)，是我國(guó)特有的新型果樹(shù)資源[1]，其果實(shí)內(nèi)富含果酸鈣，有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，開(kāi)發(fā)利用前景廣闊[2-3].但當(dāng)前鈣果基本靠人工采摘，機(jī)械化采收還處于探索階段[4-6],使得鈣果產(chǎn)業(yè)發(fā)展停滯.因此，關(guān)于鈣果的機(jī)械化采收亟需開(kāi)展.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)梳齒機(jī)械進(jìn)行了大量研究，姬長(zhǎng)英等[7]設(shè)計(jì)了1種手推式杭白菊梳齒摘花機(jī)構(gòu)，梳齒摘花機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)杭白菊花的采摘；曹衛(wèi)彬等[8]對(duì)梳夾式紅花采摘頭性能進(jìn)行了試驗(yàn)并對(duì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；高自成等[9]發(fā)現(xiàn)當(dāng)梳齒采摘上升速度、回轉(zhuǎn)速度發(fā)生改變時(shí)，對(duì)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(dòng)裝置在枸杞采摘上的應(yīng)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(duì)花朵的采摘有較大影響,還證實(shí)了不同參數(shù)的梳齒刀片對(duì)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(zhuǎn)梳齒型收割機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)萬(wàn)壽菊的機(jī)械采摘.然而關(guān)于鈣果多集中于基因[15]、栽培[16]、質(zhì)構(gòu)[17]及深加工上[3]，對(duì)梳齒式鈣果采摘方面的研究鮮有報(bào)道.

本文針對(duì)成熟期的鈣果機(jī)械采摘程度低的問(wèn)題，結(jié)合成熟期鈣果植株和果實(shí)的基本生長(zhǎng)特性，設(shè)計(jì)了梳齒式鈣果采摘試驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)研究，以期得到了較優(yōu)的工作參數(shù)組合，旨在為鈣果機(jī)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(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及工作原理

鈣果機(jī)械化采收是一項(xiàng)技術(shù)性、季節(jié)性比較強(qiáng)的工作，采收條件困難，并且在采收的過(guò)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(shí)的基本生長(zhǎng)特性

以山西省太谷縣巨鑫園區(qū)鈣果基地主種品種“農(nóng)大6號(hào)”成熟期鈣果植株及果實(shí)進(jìn)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(shí)長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)的基本生長(zhǎng)特性Figure 1 Physical parameters of mature fruit and plants

1.2 試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

梳齒式鈣果采摘試驗(yàn)臺(tái)是鈣果采摘關(guān)鍵部件，具體結(jié)構(gòu)、名稱(chēng)如圖 2所示.采摘試驗(yàn)臺(tái)包括輸送裝置(導(dǎo)軌、輸送平臺(tái)、枝條夾具)，機(jī)械裝置(梳齒采摘機(jī)構(gòu)、機(jī)架)，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置(電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī))，調(diào)速控制裝置(調(diào)速器)等.采摘試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)如表1所示.

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

1：導(dǎo)軌；2：輸入平臺(tái)；3：枝條夾具；4：鈣果植株；5：梳齒采摘機(jī)構(gòu)；6：機(jī)架；7：電磁調(diào)速電機(jī)；8：調(diào)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(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)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(shí)電磁調(diào)速電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)(傳動(dòng)比為1∶1)控制從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，梳齒采摘機(jī)構(gòu)固定在從動(dòng)軸上，由從動(dòng)軸帶動(dòng)整個(gè)梳齒采摘機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn).采摘機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，梳齒由下往上對(duì)鈣果植株進(jìn)行梳刷，當(dāng)梳齒間隙介于鈣果植株直徑與鈣果果實(shí)最大處直徑時(shí)，植株有效喂入梳齒，梳齒運(yùn)動(dòng)觸碰到鈣果果實(shí)最大處時(shí)，利用沖擊力將鈣果從植株上摘下，從而實(shí)現(xiàn)鈣果采摘.

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 梳齒采摘機(jī)構(gòu)

梳齒采摘機(jī)構(gòu)是梳齒式鈣果采摘試驗(yàn)臺(tái)重要工作單元，由輻盤(pán)、從動(dòng)帶輪、軸承座、傳動(dòng)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(guò)螺栓固定在滾筒上，每個(gè)梳齒安裝座上均勻分布著47 對(duì)螺栓孔，相鄰孔的中心距為10 mm.梳齒的截面寬度10 mm，通過(guò)雙螺栓連接緊固安裝在梳齒安裝座內(nèi)，可拆卸實(shí)現(xiàn)不同梳齒間隙、不同梳齒形狀的調(diào)節(jié).滾筒兩端設(shè)有輻盤(pán)，輻盤(pán)與傳動(dòng)軸相連.

1：輻盤(pán)；2：傳動(dòng)帶輪；3：軸承座；4：傳動(dòng)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(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Structural figure of Cerasus humilis comb-type picking test bench

2.2 梳齒采摘機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)外徑

梳齒采摘機(jī)構(gòu)是通過(guò)沖擊碰撞將鈣果摘落，其回轉(zhuǎn)外徑影響鈣果從植株上摘下.工作時(shí)，梳齒運(yùn)動(dòng)為梳齒繞傳動(dòng)軸的圓周運(yùn)動(dòng)與機(jī)器前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的合成[18].設(shè)機(jī)器由右向左進(jìn)行采摘，梳齒水平向上開(kāi)始梳刷，采摘工作時(shí)梳齒上任意1點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示.

O為坐標(biāo)原點(diǎn)，前進(jìn)方向?yàn)閤軸，垂直方向?yàn)閥軸，梳齒旋轉(zhuǎn)角速度為ω.經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，梳齒上的任意1點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為：

(1)

式中，v為機(jī)器前進(jìn)速度(m/s)；H為傳動(dòng)軸安裝高度(mm)；r為梳齒上某1點(diǎn)到傳動(dòng)軸的距離(mm)；ω為滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(rad/s)；t為時(shí)間間隔；s、O1為梳齒傳動(dòng)軸的位置.

圖4 梳齒運(yùn)動(dòng)軌跡Figure 4 Trajectory of comb

為滿(mǎn)足將鈣果果實(shí)能夠全部被摘下，梳齒機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)外徑R為：

(2)

當(dāng)梳齒運(yùn)動(dòng)到y(tǒng)軸方向最高點(diǎn)時(shí)，(y-H)應(yīng)大于等于鈣果掛果區(qū)位差(mm).經(jīng)調(diào)查測(cè)得掛果區(qū)位差為550 mm，設(shè)計(jì)時(shí)取梳齒回轉(zhuǎn)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(shí)與植株的分離效果.鈣果從植株被采摘下需要滿(mǎn)足：

2Fy≥T

(3)

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

(4)

式中，F(xiàn)為梳齒對(duì)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(guò)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(shí)更易破損，但過(guò)小易造成阻塞、纏繞等.因此，梳齒間隙d小于鈣果果實(shí)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(guò)采摘試驗(yàn)確定.

2.4 梳齒轉(zhuǎn)速

梳齒轉(zhuǎn)速的大小影響鈣果果實(shí)的采摘質(zhì)量，經(jīng)前期試驗(yàn)[6]，其轉(zhuǎn)速大于30 r/min 時(shí)，可將鈣果梳脫，當(dāng)大于70 r/min時(shí)，梳脫下的鈣果破損嚴(yán)重，因此選擇梳齒轉(zhuǎn)速在30～70 r/min之間.

2.5 梳齒形狀

梳齒是直接將鈣果果實(shí)梳脫的部件，其形狀與鈣果摘落質(zhì)量相關(guān).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(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與方法

“農(nóng)大6號(hào)”鈣果植株，自制試驗(yàn)臺(tái)，電子天平(量程 0～1 000 g，精度 0.01 g),數(shù)字式轉(zhuǎn)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(yàn)臺(tái).

采摘試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，因鈣果采摘試驗(yàn)臺(tái)固定，需通過(guò)鈣果植株移動(dòng)來(lái)模擬田間作業(yè)時(shí)收獲機(jī)器與植株的相對(duì)運(yùn)動(dòng).試驗(yàn)時(shí)，將鈣果植株根部通過(guò)枝條夾具用螺栓固定在輸送裝置上，調(diào)速電機(jī)輸出端轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)牽引繩使固定鈣果植株的輸送裝置沿導(dǎo)軌向鈣果采摘試驗(yàn)臺(tái)喂入進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采摘試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)輸送裝置的前進(jìn)速度為0.4 m/s[20].

圖7 鈣果采摘試驗(yàn)臺(tái)Figure 7 Combing performance test bentch

3.2 試驗(yàn)因素及水平設(shè)計(jì)

根據(jù)梳齒運(yùn)動(dòng)軌跡和脫果受力影響，選取影響采摘效果的關(guān)鍵因素：梳齒間隙、梳齒轉(zhuǎn)速、梳齒形狀進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)[21]，正交試驗(yàn)因素和水平如表2所示.

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

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)確定

按照鈣果采摘試驗(yàn)臺(tái)的工作性能，明確上述影響因素對(duì)鈣果采摘質(zhì)量影響.本試驗(yàn)選用鈣果采凈率Y1、和破損率Y2作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算方法如式(6)、(7)所示.

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

(6)

式中，M1為梳脫下鈣果質(zhì)量(g)；M為試驗(yàn)前植株上所有鈣果總質(zhì)量(g).

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

(7)

式中，M2為被梳脫下鈣果中破損質(zhì)量(g).

本試驗(yàn)通過(guò)正交組合，安排9組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值.試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)SAS8e 軟件進(jìn)行處理分析.正交試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示.

為了確定梳齒間隙、梳齒轉(zhuǎn)速、梳齒形狀3個(gè)試驗(yàn)因素交互對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，對(duì)各因素進(jìn)行了方差和極差分析，如表4、表5所示.

表3 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

表5 極差分析結(jié)果

4 結(jié)果分析與驗(yàn)證

4.1 結(jié)果分析

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

極差結(jié)果如表6所示，分析表明：各因素對(duì)采凈率影響的主次排序是梳齒間隙>梳齒轉(zhuǎn)速>梳齒形狀；各因素對(duì)破損率影響的主次排序是梳齒轉(zhuǎn)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(biāo)在梳齒間隙為20 mm時(shí)工作情況較好.由方差分析的結(jié)果可得，梳齒轉(zhuǎn)速對(duì)于采凈率和破損率均有顯著的影響，隨著轉(zhuǎn)速的升高，采凈率和破損率呈現(xiàn)增加的趨勢(shì).梳齒形狀對(duì)采凈率指標(biāo)無(wú)明顯影響，但對(duì)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(zhuǎn)速為30 r/min梳齒形狀為圓弧形.

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

以梳齒間隙為20 mm，梳齒轉(zhuǎn)速為30 r/min梳齒形狀為圓弧形，在梳齒采摘試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，為消除隨機(jī)誤差，進(jìn)行3次重復(fù)性試驗(yàn)取平均值，結(jié)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(yàn)前后采摘效果對(duì)比.

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

5 結(jié)論

1) 針對(duì)鈣果采收機(jī)械化程度低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了梳齒式鈣果采摘試驗(yàn)臺(tái)，主要包括機(jī)架、梳齒采摘機(jī)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、調(diào)速裝置、輸送裝置等.

2)以采凈率，破損率為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)SAS8e軟件處理及分析，各因素對(duì)采凈率影響的主次排序是梳齒間隙、梳齒轉(zhuǎn)速、梳齒形狀，各因素對(duì)破損率影響的主次排序是梳齒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為30 r/min梳齒形狀為圓弧形，在梳齒式鈣果采摘實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，其采凈率為96.01%，破損率為2.21%.試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定.表明梳齒采摘機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鈣果的采摘工作.

本文僅對(duì)梳齒間隙、梳齒轉(zhuǎn)速等試驗(yàn)因素進(jìn)行了采摘試驗(yàn)研究，還需對(duì)輸送裝置前進(jìn)速度、鈣果采摘后收集裝置設(shè)計(jì)等進(jìn)行深入研究，為鈣果的機(jī)械化采收、作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供技術(shù)參考與借鑒.