劉少華，賀俊林，吳 楠，何永強(qiáng)，易 猛，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)

0 引言

鈣果，又被稱為歐李，屬薔薇科灌木果樹[1]。鈣果雖然樹體矮小，但是其營養(yǎng)含量非常高，而因其鈣元素的含量為60 mg100 g，跟其他果實相比尤為突出，由此而得名[2]。

鈣果植株本身矮小，果實成熟后倒伏嚴(yán)重，且果實成熟后質(zhì)軟、易破損，導(dǎo)致其收獲方面還是采用最原始的人力收獲，勞動量大，效率低。同時鈣果是我國新型產(chǎn)品，國外并沒有相關(guān)研究。目前國內(nèi)學(xué)者劉海峰等[2-3]運用三維設(shè)計軟件對鈣果采摘裝置進(jìn)行了三維設(shè)計；張偉等[4]設(shè)計了間歇性梳齒部件采收機(jī)構(gòu)；孫志濱等[5-6]設(shè)計了摘果輥采摘的鈣果枝條喂入裝置；亢石磊等[7]通過仿真分析研究了不同梳齒形狀在采摘時對鈣果的受力情況；何永強(qiáng)等[8-9]以仰角、偏角、扶禾速比和撥指間距為影響因素，采凈率、破損率為評價指標(biāo)進(jìn)行試驗，研究設(shè)計了撥指式鈣果扶禾試驗臺和連續(xù)性梳齒式采摘試驗臺。

研究發(fā)現(xiàn)，鈣果在被梳脫之后具有不定向掉落的現(xiàn)象，這不利于鈣果的田間收集。為了解決這一問題，以電機(jī)轉(zhuǎn)速、梳齒彎曲角度、梳齒排布弧度直徑和梳齒材質(zhì)為影響因素，以采收率為評價指標(biāo)進(jìn)行試驗研究。

1 試驗臺設(shè)計

1.1梳脫采收鈣果原理

試驗對象為農(nóng)大4號鈣果，果實直徑12～20 mm，鈣果枝條直徑3～8 mm，梳齒間距為12 mm。工作時枝條可以穿過梳齒間隙，而果實無法穿過梳齒間隙，當(dāng)梳齒與果實之間的碰撞力大于果實與果柄之間的連接力時，果實就會被梳脫下來。鈣果梳脫原理如圖1所示。

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計

參考現(xiàn)有研究，再結(jié)合鈣果物料特性和田間生長環(huán)境，設(shè)計了如圖2所示的梳脫式鈣果采收試驗臺[10-15]。試驗臺主要由機(jī)架、轉(zhuǎn)動圓盤、傳動軸、梳齒、梳齒載體板、擋板和集果箱組成。梳脫試驗臺為連續(xù)性工作試驗臺，梳齒部件可拆卸更換，試驗臺由三相可調(diào)速電機(jī)YCT160-4A為傳動軸提供周轉(zhuǎn)動力，傳動軸再帶動梳齒部件做周轉(zhuǎn)運動。在梳脫作業(yè)時，枝條可以穿過梳齒間隙，而果實被梳齒阻擋，隨著梳齒部件不斷周轉(zhuǎn)運動，果實最終被梳脫下來，梳脫下來的果實在慣性、梳齒的回?fù)芗皳醢宓墓餐饔孟?，最后落入試驗臺后方的集果箱中，從而完成采收過程。

1.3鈣果掉落軌跡與梳齒參數(shù)優(yōu)化

鈣果梳脫過程中梳齒與果實發(fā)生碰撞，脫落后的鈣果會在碰撞力F給予的初速度v以及重力G的作用下向地面掉落，鈣果脫落軌跡如圖3所示。當(dāng)鈣果的位置低于梳脫式試驗臺的旋轉(zhuǎn)中心高度時，鈣果最終掉落到試驗臺前方；當(dāng)鈣果的位置高于梳脫式試驗臺的旋轉(zhuǎn)中心高度時，鈣果最終掉落到試驗臺后方。理論上試驗臺的中心距越小越好，但實際中鈣果枝條長度為650～1 000 mm，為了保證在梳脫時枝條不被纏繞，梳齒的長度應(yīng)大于枝條長度的50%。從現(xiàn)有梳齒式采摘試驗臺的試驗結(jié)果可知，直形梳齒沿直線排布時，梳脫下來的果子主要向前后掉落，一小部分果子會向左右彈落，因此為了提高采收率，除了增加左右擋板之外，還需要對梳齒部件進(jìn)行優(yōu)化，加大鈣果向試驗臺后方掉落的比例。

由圖3可以看出，鈣果在收獲時會有一部分脫落到試驗臺前方，若將梳齒進(jìn)行彎曲，當(dāng)鈣果位置低于梳脫式試驗臺的旋轉(zhuǎn)中心高度時，在轉(zhuǎn)過一定角度后，一部分果子會直接和彎曲部分發(fā)生碰撞最終落到梳齒上，一部分掉落的果子在掉落時會碰撞到彎曲的梳齒反彈到梳齒上，隨著梳齒不斷周轉(zhuǎn)運動，最終將鈣果撥落在試驗臺后方的集果箱中。

理論上梳齒的彎曲角度越大越好，但當(dāng)梳齒彎曲角度>90°后，可能會不利于枝條的喂入，影響采收效果。為了探究不同的梳齒彎曲角度對采收效果的影響，分別設(shè)計了60°、90°和120°彎曲角度的梳齒，進(jìn)行對比試驗。其次結(jié)合試驗臺兩邊的擋板設(shè)計，將梳齒在排布的時候按一定的弧度進(jìn)行排布，定向給鈣果一個向左或向右的力，使其向左右脫落，這樣脫落下來的果子將會被擋板擋住掉落到梳齒上，最后落到集果箱中，分別設(shè)計了直徑為600、750和900 mm的弧度進(jìn)行梳齒排布。試驗臺技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗臺主要技術(shù)參數(shù)

2 試驗臺性能試驗

2.1試驗設(shè)備與材料

試驗所需設(shè)備和材料為梳脫式試驗臺、農(nóng)大4號鈣果掛果枝條及其他輔助材料。自制梳脫式試驗臺如圖4所示。農(nóng)大4號鈣果掛果枝條為巨鑫現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基地采得，試驗日期為2019年9月2日。

2.2單因素試驗

以采收率為評價指標(biāo)，分別以電機(jī)轉(zhuǎn)速、梳齒彎曲角度、梳齒排布弧度的直徑以及是否帶橡膠套為影響因素進(jìn)行單一變量試驗，探究電機(jī)轉(zhuǎn)速、梳齒彎曲角度、梳齒排布弧度的直徑以及梳齒材料等因素對收集效果的影響。采收率的計算如式(1)所示。

(1)

式中N——采收率， %

G——鈣果枝條上總掛果數(shù)

G1——集果箱中果實數(shù)

為減小隨機(jī)誤差，以上4組單一變量試驗中的各個變量分別重復(fù)試驗3次，取平均值，試驗結(jié)果如圖5所示。

表3 方差分析

注：P<0.01(極顯著)，P<0.05(顯著)。

由圖5試驗結(jié)果可知，鈣果采收率受電機(jī)轉(zhuǎn)速、梳齒彎曲角度、梳齒排布弧度及是否套橡膠套等因素的影響。由圖5a可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速為20～35 rmin時，以梳齒彎曲角度60°、梳齒排布弧度直徑900 mm和無橡膠套的條件進(jìn)行試驗時，試驗臺的采收率隨電機(jī)轉(zhuǎn)速增大而降低。由圖5b可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速27 rmin、梳齒排布弧度直徑900 mm和無橡膠套條件下，試驗臺采收率隨梳齒彎曲角度增大而逐漸升高。由圖5c可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速27 rmin、梳齒彎曲角度60°和無橡膠套條件下，試驗臺采收率隨梳齒排布弧度直徑的增大而逐漸升高。由圖5d可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速27 rmin、梳齒彎曲角度60°和梳齒排布弧度直徑900 mm的條件下，給梳齒套上橡膠套之后，試驗臺的采收率會降低，主要原因是橡膠套的彈性系數(shù)和摩擦系數(shù)比梳齒本身大，導(dǎo)致鈣果脫落時初速度變大，脫落范圍變大；其次部分鈣果會夾在梳齒之間，導(dǎo)致果實破損嚴(yán)重且無法掉落到集果箱中。

2.3正交試驗

由單因子試驗結(jié)果可知，鈣果的采收率會受到電機(jī)轉(zhuǎn)速、梳齒彎曲角度、梳齒排布弧度和是否套橡膠套等因素的影響，其中套橡膠皮套變量因素單一，因此不考慮這個因素。為了探究電機(jī)轉(zhuǎn)速、梳齒彎曲角度和梳齒排布弧度3因子對采收率影響的最優(yōu)組合，進(jìn)行3因素3水平的正交試驗，試驗因素指標(biāo)如表2所示。試驗利用SAS軟件進(jìn)行3因素3水平正交試驗設(shè)計和方差分析，方差分析結(jié)果如表3所示。由表3可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速、彎曲角度和排布弧度對果實采收率影響極顯著，兩因素交互試驗數(shù)據(jù)表明3因素對采收率影響的優(yōu)先級依次為彎曲角度>排布弧度>電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.4最佳梳脫參數(shù)選擇

根據(jù)單因素試驗和正交試驗結(jié)果，綜合考慮實際采摘效率，選擇最優(yōu)梳脫參數(shù)：轉(zhuǎn)速25 rmin、梳齒彎曲角度120°和梳齒按直徑為900 mm的弧度進(jìn)行排

表2 試驗因子指標(biāo)

布。在最優(yōu)梳脫參數(shù)下進(jìn)行試驗，試驗重復(fù)3次取平均值，最終得到試驗臺采收率為95.03%。

3 結(jié)論

(1)單因素試驗結(jié)果表明，梳脫式鈣果采收試驗臺采收率隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大和梳齒材質(zhì)本身彈性系數(shù)和摩擦系數(shù)的增大而逐漸降低，隨梳齒彎曲角度和梳齒排布弧度直徑的增大而逐漸升高。

(2)正交試驗結(jié)果表明，電機(jī)轉(zhuǎn)速、彎曲角度和排布弧度對果實采收率影響極顯著，兩因素交互試驗數(shù)據(jù)表明3因素對采收率影響的優(yōu)先級依次為梳齒彎曲角度、梳齒排布弧度和電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(3)根據(jù)試驗結(jié)果，綜合考慮實際采摘效率，選擇最優(yōu)梳脫參數(shù)：轉(zhuǎn)速25 rmin、梳齒彎曲角度120°和梳齒按直徑為900 mm弧度進(jìn)行排布，在最優(yōu)梳脫參數(shù)下開展試驗，得試驗臺采收率為95.03%。試驗所得數(shù)據(jù)可為實現(xiàn)鈣果機(jī)械化采收相關(guān)研究提供參考。