摘 要：【目的】研究設(shè)計(jì)果園疏花作業(yè)主要參數(shù)可調(diào)裝置，并采用軟件優(yōu)化參數(shù)，為果園機(jī)械疏花管理裝備研發(fā)與優(yōu)化提供參考?！痉椒ā坎捎脵C(jī)械設(shè)計(jì)、理論受力分析、液壓分析、疏花性能試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析優(yōu)化相結(jié)合的方法。采集不同參數(shù)組合下的疏除率，運(yùn)用DESIGN EXPERT響應(yīng)曲面法分析各因素對(duì)疏除率影響效應(yīng)，并優(yōu)化回歸模型的參數(shù)?！窘Y(jié)果】疏花機(jī)整機(jī)尺寸為（2.2×1.7×3.5）m，疏花軸長1 m，疏花臂長度及2個(gè)疏花臂支撐架長度分別為1.8、1.5和1.5 m。疏花臂3個(gè)液壓缸最大受力分別為980、1 450和3 600 N，并對(duì)液壓系統(tǒng)中計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)、設(shè)計(jì)和選型，滿足疏花農(nóng)藝要求。【結(jié)論】最優(yōu)參數(shù)值組合為履帶自走疏花機(jī)行進(jìn)速度2.6～3.4 km/h、膠條轉(zhuǎn)速 350～400 r/min、膠條間距為 5cm時(shí)效果最佳，疏除率為35%～40％；各試驗(yàn)因子對(duì)疏花的影響效應(yīng)依次為膠條轉(zhuǎn)速﹥膠條間距﹥行進(jìn)速度，該機(jī)適用于的現(xiàn)代化標(biāo)準(zhǔn)果園。

關(guān)鍵詞：果園管理；疏花裝置；履帶自走式；疏花臂；液壓系統(tǒng)；疏花優(yōu)化

中圖分類號(hào)：S233.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-4330（2024）10-2514-13

收稿日期（Received）：2023-11-02

基金項(xiàng)目：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（2018AB016）；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)重大科技項(xiàng)目（2021AA0050302）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0701402）；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)科技創(chuàng)新人才計(jì)劃（2020CB031）

作者簡介：周艷（1970－），女，四川大竹人，研究員，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化，（E-mail） zhouyan683886@sina.com

通訊作者：何磊（1985－），男，河南周口人，研究員，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化，（E-mail） 123893162@qq.com

0 引 言

【研究意義】我國果園種植產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展^［1］，區(qū)域布局越發(fā)優(yōu)化，優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)越發(fā)突出，產(chǎn)業(yè)效益越發(fā)明顯^［2］，已成為推動(dòng)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、各區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)^［3］。在各類水果中，以蘋果、香蕉、柑橘、梨、葡萄為主要種植及生產(chǎn)品種^［4］，同年蘋果園面積占比18%^［5］，蘋果產(chǎn)量為4 139.0×10⁴ t為全國水果種類產(chǎn)量最多^［6］?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】Martin-Gorriz B等^［7］設(shè)計(jì)了一種輕巧、操作簡單的手持式樹冠振動(dòng)疏花器，該機(jī)在減少了大量作業(yè)時(shí)間，同時(shí)也將成本節(jié)約了88%，疏除率達(dá)到25%；Mcclure K A等^［8］研發(fā)了一種利用噴霧進(jìn)行疏花作業(yè)機(jī)器，可以有效減少花朵數(shù)，顯著降低坐果率，疏除率可達(dá)60%以上；有設(shè)計(jì)研發(fā)一種通過拖拉機(jī)車載梳棒式疏花振動(dòng)樹冠裝置，疏除率在40%以上^［9］。Assirelli A^［10］系列設(shè)計(jì)了一種車載柔性疏花裝置，該機(jī)利用離心力使塑料條擊打樹冠進(jìn)行疏花，疏除率達(dá)到65%以上；楊洲等^［11］設(shè)計(jì)研發(fā)了一種手持式機(jī)械柔性疏花器，該機(jī)通過手動(dòng)調(diào)節(jié)高度和角度可以實(shí)現(xiàn)不同樹形的疏除作業(yè)；李群^［12］研發(fā)了一種懸掛式電動(dòng)柔性疏花裝置，該機(jī)可以滿足仿形作業(yè)要求，疏除率在50%以上；研發(fā)了一種針對(duì)矮密蘋果栽培模式和主干形密植桃樹栽培模式的疏花裝置，疏除率達(dá)到30%～50%，疏花效果滿足農(nóng)藝要求^［13］；雷曉輝 ^［14］設(shè)計(jì)研發(fā)了一種自主研發(fā)的三節(jié)臂機(jī)載式疏花裝置，可降低梨樹的絕對(duì)坐果率。【本研究切入點(diǎn)】不同地區(qū)果樹培育模式和農(nóng)藝技術(shù)具有差異性^［15］，傳統(tǒng)人工作業(yè)方式越發(fā)不適應(yīng)現(xiàn)代化果園管理，已經(jīng)成為制約我國果園可持續(xù)發(fā)展的障礙^［16］，疏花疏果階段用工量大，人工費(fèi)用高^［17］?，F(xiàn)有的機(jī)械化疏花不適用于大規(guī)模作業(yè)，而針對(duì)于規(guī)?；芄麍@使用的果園疏花裝置少之甚少。需研究設(shè)計(jì)果園疏花作業(yè)主要參數(shù)可調(diào)裝置?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用機(jī)械設(shè)計(jì)、理論受力分析、液壓分析、疏花性能試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析優(yōu)化相結(jié)合的方法。研究設(shè)計(jì)果園疏花作業(yè)主要參數(shù)可調(diào)裝置，并采用軟件優(yōu)化參數(shù)，為果園機(jī)械疏花管理裝備研發(fā)與優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 履帶自走式疏花機(jī)

該機(jī)由動(dòng)力裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、工作部件、回轉(zhuǎn)部件、行走裝置、操縱部件、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備等組成，履帶行走裝置由驅(qū)動(dòng)輪、履帶板、滾輪、拖帶輪、負(fù)重輪及扭桿等六部分構(gòu)成。

團(tuán)隊(duì)于2021年通過對(duì)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第五師81團(tuán)新疆眾致恒創(chuàng)農(nóng)林科技有限責(zé)任公司和山東煙臺(tái)市棲霞市蘋果現(xiàn)代矮砧集約栽培關(guān)鍵技術(shù)集成示范基地、阿拉爾市、阿克蘇市和霍爾果斯市等地，針對(duì)蜜脆蘋果、芯心海棠和西梅等品種果園調(diào)研。果樹樹齡4～10 a，行距4 m 、 株距 2 m、 果樹平均高度2.5～3.5 m、樹干高0.85～1 m、樹冠冠徑1.9～2.4 m。圖1

根據(jù)果園種植模式（行間距、株距以及果樹生長）結(jié)合整機(jī)穩(wěn)定性，確定疏花機(jī)整機(jī)尺寸（長×寬×高）（2.2×1.7×3.5）m，此時(shí)疏花機(jī)可在果園環(huán)境下前進(jìn)、后退以及掉頭等正常行駛；果樹冠徑1.9～2.4 m，根據(jù)單側(cè)樹枝花朵生長在距離樹干0.3 m范圍內(nèi)，疏花軸長度取1 m，疏花軸可以完全覆蓋待作業(yè)樹枝，滿足果樹疏花作業(yè)農(nóng)藝要求。

由于果樹種類繁多，高低有別，傳統(tǒng)的疏花支撐軸作業(yè)高度單一，局限性大，應(yīng)用范圍小，疏花作業(yè)效果差。因此，該機(jī)支撐軸采用高度可調(diào)的疏花臂；標(biāo)準(zhǔn)園果樹高度為3.5～4 m，所以確定疏花臂及支撐架長度分別為1.8、1.5和1.5 mm，疏花臂作業(yè)高度范圍0.9～4 m。該機(jī)在克服傳統(tǒng)疏花支撐軸局限性大等問題的前提下，滿足果樹的疏花作業(yè)要求。表1

1.1.1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

履帶自走式式疏花裝置由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、液壓缸、機(jī)架、液壓馬達(dá)、導(dǎo)向滑軌、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、膠條、液壓及控制系統(tǒng)組成^［18］。

1.1.1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該機(jī)包括行走裝置和疏花裝置，行走裝置與疏花裝置連接部件可拆卸；行走裝置由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過后面箱體操縱桿對(duì)整機(jī)行進(jìn)速度、行進(jìn)方向、液壓輸出控制，并且前端設(shè)有底部連接塊分別與疏花支撐架、液壓缸鉸連接；疏花機(jī)構(gòu)包括疏花臂3、支撐架9、10，支撐架10的下部與履帶自走式底盤13鉸接，同時(shí)支撐架10與液壓缸12鉸接。支撐架包括底部連接部件、兩個(gè)液壓缸連接部件、頂部連接部件；支撐架9的端部設(shè)有前L型連接架、后端設(shè)有鉸連接部件、中端設(shè)有液壓缸連接部件。前L型連接架支撐架連接架均位于支撐架9的內(nèi)側(cè)，前L型連接架的端部固設(shè)有疏花臂3安裝部件。3個(gè)疏花軸分別與疏花臂3固定連接。圖2

1.1.1.3 工作原理

疏花裝置與履帶自走式底盤連接成一體，作業(yè)時(shí)履帶自走式底盤移動(dòng)到待作業(yè)果樹位置；通過調(diào)整機(jī)箱上操縱桿將液壓動(dòng)力傳送至相銜接的3個(gè)液壓缸以及3個(gè)液壓馬達(dá)，控制3個(gè)液壓缸伸縮位移量實(shí)現(xiàn)疏花臂位置調(diào)整，達(dá)到整個(gè)疏花軸作業(yè)高度；隨后液壓系統(tǒng)將液壓動(dòng)能傳輸至液壓馬達(dá)，馬達(dá)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，固定在疏花軸上的膠條，隨著轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，擊打樹枝上的果樹花朵。隨著轉(zhuǎn)速增加，膠條上的擊打力大于花朵的最大承受力，花朵在膠條的作用下被打掉，通過調(diào)整液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速、不同的膠條間隔以及不同的膠條組數(shù)，整機(jī)行進(jìn)速度等參數(shù)，從而達(dá)到不同的疏除效果。圖3

1.1.1.4 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

疏花裝置的液壓馬達(dá)14，通過加裝換向閥以實(shí)現(xiàn)疏花軸的正反轉(zhuǎn)，若不加換向閥僅可實(shí)現(xiàn)單方向轉(zhuǎn)動(dòng)，換向閥的作用是通過切換A，B進(jìn)油口，調(diào)整進(jìn)油的連接口，來實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的順時(shí)針、逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。液壓馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上膠條雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足疏花作業(yè)要求。

疏花轉(zhuǎn)軸6上均勻設(shè)有連接孔，處于相同高度有四個(gè)對(duì)稱布置連接孔，孔內(nèi)均可裝卸膠條，孔徑為5 mm（膠條直徑與轉(zhuǎn)軸固定部分連接孔的直徑為5 mm，實(shí)現(xiàn)膠條的固定，滿足工作作業(yè)過程中支撐固定需求，防止工作過程中膠條脫掉）。疏花膠條為擊打部分，可選直徑3、4和5 mm不等，轉(zhuǎn)軸四面有膠條安裝孔，可以選擇一面、兩面、三面、四面對(duì)稱安裝或者呈90^°安裝等。

導(dǎo)向滑軌5可以實(shí)現(xiàn)疏花軸的運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，使運(yùn)動(dòng)軌跡可調(diào)整，方便控制，加強(qiáng)疏花軸在路面不平的情況下保持預(yù)定的位置，起到固定的作用；同時(shí)可承受疏花作業(yè)時(shí)的沖擊力。圖4

1.1.2 試驗(yàn)地概述

試驗(yàn)果園為3～5棵蘋果樹，果園果樹為主干形密植栽培模式，行間距為4 m，株距為2 m，樹高2.5 m，單側(cè)樹枝長0.85～1 m，最低樹枝離地0.6～0.9 m，最高樹枝離地2.1～2.4 m。圖5

1.1.3 儀器與設(shè)備

試驗(yàn)所采用的儀器和設(shè)備：履帶自走式疏花機(jī)、轉(zhuǎn)速儀、卷尺、皮尺、艾普數(shù)顯推拉力記測力計(jì)、計(jì)算器、記號(hào)筆、標(biāo)簽機(jī)、進(jìn)口藍(lán)色耐磨MC901尼龍板、黑白色GF30+PA66尼龍棒、ABS賽鋼板POM棒等。

1.2 方 法

1.2.1 疏花臂受力

機(jī)架伸降機(jī)構(gòu)是該機(jī)重要組成部分，在果園疏花作業(yè)過程中，由液壓系統(tǒng)完成對(duì)整個(gè)機(jī)架工作高低位置的調(diào)整 ^［19］。

1.2.1.1 受力分析

在果園作業(yè)過程中疏花臂支撐轉(zhuǎn)動(dòng)軸，調(diào)整疏花作業(yè)高度，以及支撐軸上液壓馬達(dá)帶動(dòng)膠條旋轉(zhuǎn)擊打掉果樹樹枝多余的花朵^［19］，在工作狀態(tài)下負(fù)載與果樹枝條對(duì)支架的阻力較小，因此只需考慮該裝置在極限位置時(shí)的運(yùn)動(dòng)簡圖，對(duì)疏花部件整個(gè)機(jī)架進(jìn)行分析。圖6

不計(jì)摩擦分析：當(dāng)支撐1桿擺動(dòng)，當(dāng)液壓缸推桿AB擺到極限位置時(shí)，液壓缸的壓力最大。求∑_MA（F ）=0，可求出支撐反力F₁。當(dāng)Φ=45°時(shí)液壓缸的推力和壓力最大，G₁=0.25×3.14×（外徑2-內(nèi)徑2）×L×鋼鐵比重7.8。圖7

F₁=tan a×G₁=980 N.（1）

同理對(duì)疏花臂支撐2的受力分析：

根據(jù)平移框架受力簡圖以及力學(xué)分析的平衡方程可求∑ME（F）=0，重心越遠(yuǎn)（X值越大），F(xiàn)₂越大，即油缸壓力越大，也可以把E點(diǎn)約束反力求出。圖8

∑ME（F）=G₂×L_X-F₁′cosα×L_BE+F_AY×L_AE=0.（2）

計(jì)算可得：F₂=1 450 N。

同理對(duì)疏花臂3的受力分析：

液壓缸推動(dòng)疏花臂3擺動(dòng)，當(dāng)疏花臂3擺到極限位置時(shí)，油缸壓力最大。根據(jù)平移框架受力簡圖以及力學(xué)分析的平衡方程可求：

∑MJ（F）=G₃×12L_EJ-F₂×L_EY′+L_EJ×L_gj=0.（3）

計(jì)算可得F₃=3 600 N。

1.2.1.2 分析結(jié)果

疏花臂支撐及疏花臂分別受力為980、1 450和3 600 N，由于疏花裝置在果園作業(yè)過程中地勢(shì)相對(duì)較為平坦，疏花作業(yè)時(shí)疏花臂支撐1受到轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的少許震動(dòng)沖擊，沖擊阻力較小，選取疏花臂中受力最大的疏花臂3進(jìn)行各個(gè)零件的選型^［20］。

1.2.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型

果園疏花機(jī)液壓控制系統(tǒng)由液壓泵、液壓缸、集成塊（或閥組合）液壓閥、液壓電機(jī)和液壓油箱等組成，液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備質(zhì)量小，可傳遞較大的力工作范圍大，工作效率高；液壓系統(tǒng)與電控系統(tǒng)結(jié)合工作，操作簡單，控制便捷；液壓系統(tǒng)中設(shè)有溢流閥保護(hù)系統(tǒng)，可靠性高，安全性高 ^［21］。

1.2.2.1 液壓缸的設(shè)計(jì)

采用雙作用活塞桿液壓缸，分別在缸體的上部和下部設(shè)有進(jìn)油口，活塞桿油缸外缸頂端和低端通過鉸連接安裝在U型連接塊上。

（1）計(jì)算負(fù)載力

該雙作用液壓缸的負(fù)載力：

F_ty=F_tz+F_tf+F_tg.（4）

式中，F(xiàn)_ty：額定速度作業(yè)過程中滿載時(shí)液壓缸的總阻力；

F_tz：雙作用液壓缸受到的載荷（N）；

F_tf：摩擦力（N）；

F_tg：慣性力（N）。

摩擦系數(shù)取0.15，由摩擦力

F_tf=6 030 N×0.15=904.5 N.（5）

F_tg=ma=603 N.（6）

液壓缸3總負(fù)載。

F_tf=6 030 N+904.5 N+603 N=7 537.5 N.（7）

選取的公稱壓力：F_tf=10 MPa。

（2）損失量

油泵出口管路到油缸間管路的損失量0.9MPa，則實(shí)際壓壓力：

P=10-0.9=9.1 MPa.（8）

（3）確定液壓缸內(nèi)徑

D=4Fπρη×10^-3（m）.（9）

式中， D：液壓缸內(nèi)徑，mm;

F：工作負(fù)載，N；

P：公稱壓力，MPa；

η：工作效率，取0.95。

可得D=31.8 mm。

取液壓缸的內(nèi)徑D為32 mm。

工作壓力選擇推薦速比值?=1.33，則：

d=D?-1?.（10）

求得活塞桿直徑d=15.9 mm。

所以取活塞桿直徑d=16 mm。

（4）確定導(dǎo)向套長度

導(dǎo)向套作用是支撐活塞桿 ^［22］。

H_th≥L20+D2.（11）

式中，L：液壓缸最大工作行程，L=70 mm；

D：液壓缸內(nèi)徑，D=32 mm。

代入公式可得，H_th≥19.5 mm。最小導(dǎo)向長度為20 mm。

1.2.2.2 液壓泵的選型

確定液壓泵最大工作壓力，液壓泵的公稱壓力與選擇的液壓缸的公稱壓力相等，為10MPa。

液壓泵工作的最大壓力為：P_th

P_P=P_th+∑ΔP.（12）

式中，P_P：液壓泵的最大工作壓力，MPa；

P_th：液壓缸的公稱壓力，MPa；

∑ΔP：液壓泵出口到入口過程的管路損失，∑ΔP=0.5 MPa。

P_P =10+0.5=10.5 MPa.（13）

選型號(hào)PV2R2-53的葉片泵，泵的最高使用壓力21 MPa，排量52.5 mL/r，配4級(jí)電機(jī)，轉(zhuǎn)速1 480 r/min。

（1）確定流量

設(shè)備里面包括有多個(gè)液壓缸同時(shí)工作時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)輸出流量q_h為K_h∑qv。

q_h≥K_h×∑qv.（14）

式中，K_h：液壓系統(tǒng)泄露修正系數(shù)。取1.1～1.3；

∑qv：全部裝置一起工作時(shí)液壓缸的總流量，L/min。

知活塞桿工作行程S=700 mm，橫移一次時(shí)間為7s，可知最大行程的速度V_h=100 mm/s。

qv=π4D_th2×V_h.（15）

可得qv=156 160 mm³/s.

∑qv=2qv=312 320 mm³/s.

代入上式可得：

q_h≥K_h×∑qv=343 552 mm³/s=20.61 L/min.（16）

（2）液壓電機(jī)的選型

由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得知電機(jī)功率：

P_P=P_P×q_hn_b.（17）

式中，P_P：液壓泵最大工作壓力（Pa）；

q_h：液壓泵的輸出流量（L/s）；

n_b：泵體總效率，由手冊(cè)得知齒泵0.6～0.7。

代入式中可得P_P=10 KW。

1.2.2.3 液壓馬達(dá)選型

選葉片馬達(dá)：型號(hào)為YM額定壓力為6 MPa。表2

1.2.2.4 液壓系統(tǒng)原理

驅(qū)動(dòng)裝置包括液壓油箱、液壓缸、液壓馬達(dá)、電機(jī)、液壓控制閥、密封圈等部件，由于液壓傳動(dòng)技術(shù)有前述諸多優(yōu)勢(shì)，更適合作為疏花設(shè)備的作業(yè)位置調(diào)整裝備。表2，圖9

開始作業(yè)時(shí)，液壓系統(tǒng)中各個(gè)模塊開始工作，疏花臂上的三個(gè)液壓馬達(dá)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸以及軸上的膠條旋轉(zhuǎn)擊打樹枝上花朵進(jìn)行疏除工作；溢流閥5主要是通過計(jì)算作業(yè)環(huán)境和工作負(fù)載下，設(shè)定液壓系統(tǒng)的最高壓力^［23］；

可調(diào)節(jié)流量控制閥進(jìn)行工作調(diào)整液壓油的流量大??；三位四通換向閥處于左或者右導(dǎo)通狀態(tài)，液壓油液流入換向閥之后經(jīng)過分流集成閥分流到待工作的液壓缸任何一側(cè)，推動(dòng)液壓缸活塞桿運(yùn)動(dòng)，當(dāng)疏花臂運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，換向閥切換到中間位置。液壓泵卸荷，液壓缸的活塞桿停止伸出或者伸縮；

液壓油液流入換向閥之后經(jīng)過分流集成閥分流到液壓馬達(dá)時(shí)，控制三個(gè)馬達(dá)；液壓系統(tǒng)中的幾個(gè)子回路并聯(lián)，在疏花裝置作業(yè)時(shí)泵承受的壓力小，可以同時(shí)動(dòng)作也可以單個(gè)動(dòng)作，當(dāng)均不動(dòng)作時(shí)壓力升高，到壓力繼電器的動(dòng)作壓力時(shí)，電磁閥6通電，溢流閥溢流泵卸荷，馬達(dá)正反轉(zhuǎn)均可調(diào)速，如需調(diào)整馬達(dá)轉(zhuǎn)速通過手把控制開口控制流量調(diào)速，此時(shí)并聯(lián)回路子回路壓力相等，動(dòng)作回路的各流量和等于泵的流量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

（1）測試履帶行進(jìn)速度、膠條轉(zhuǎn)速和膠條間隔三因素組合下的疏除率，試驗(yàn)分為17個(gè)測試點(diǎn)，其中包含12個(gè)分析因子，5個(gè)零點(diǎn)估計(jì)誤差，每個(gè)測驗(yàn)區(qū)長4 m，寬1.5 m。

（2）試驗(yàn)前，在各測試區(qū)內(nèi)任意選定6個(gè)樣本采集點(diǎn)，采集尺寸為2 m，由試驗(yàn)人員采集作業(yè)前以及履帶自走式疏花機(jī)作業(yè)后的蘋果花朵數(shù)，記錄相應(yīng)的數(shù)值。

（3）試驗(yàn)結(jié)束后，整理任意6個(gè)測試點(diǎn)記錄疏除數(shù)值，整理計(jì)算由以下公式，得出疏除率C。

C=1-ba×100%.（18）

式中，C：疏除率；

a：疏花裝置作業(yè)前的蘋果花朵數(shù)；

b：疏花裝置作業(yè)后的蘋果花朵數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

研究表明，將疏除率C作為響應(yīng)值，選取定行進(jìn)速度X₁、轉(zhuǎn)軸上膠條轉(zhuǎn)速X₂、膠條間隔X₃為影響因子，開展響應(yīng)面試驗(yàn)研究。作業(yè)前首先將履帶自走式疏花機(jī)進(jìn)行靜止試車，保證各個(gè)機(jī)構(gòu)平穩(wěn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)；通過轉(zhuǎn)速儀對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)速測試，確保試驗(yàn)控制系統(tǒng)在預(yù)設(shè)位置達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，保證試驗(yàn)正常進(jìn)行。圖10

在果園隨機(jī)選取17個(gè)長為4 m代表性測試點(diǎn)，且將17個(gè)測試點(diǎn)分為2組重復(fù)試驗(yàn)，分別為試驗(yàn)數(shù)據(jù)和驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每組在3個(gè)影響因子不同參數(shù)下進(jìn)行的17次疏花作業(yè)。對(duì)疏花測試前和測試后作業(yè)的果樹進(jìn)行標(biāo)記，且對(duì)樹枝花朵分別計(jì)數(shù)與記錄。表3

計(jì)算17組其中6組隨機(jī)測試點(diǎn)試驗(yàn)前后所測的果樹花朵數(shù)，并根據(jù)上面公式計(jì)算得到疏花裝置分別在隨機(jī)6組的疏除率。2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

研究表明，整理數(shù)據(jù)A組是當(dāng)行進(jìn)速度2 km/h、膠條轉(zhuǎn)速為200～300 r/min、膠條間距為3 cm時(shí)的數(shù)據(jù)。表4

B組是當(dāng)前進(jìn)速度3 km/h、膠條轉(zhuǎn)速為300～400 r/min、膠條間隔為4 cm時(shí)的數(shù)據(jù)。表5

C組是當(dāng)前進(jìn)速度4 km/h、膠條轉(zhuǎn)速為300～400 r/min、膠條間距為4 cm時(shí)的數(shù)據(jù)。表6

D組是當(dāng)前進(jìn)速度4 km/h、膠條轉(zhuǎn)速為300～400 r/min、膠條間距為5 cm時(shí)的數(shù)據(jù)。表7

E組是當(dāng)前進(jìn)速度3 km/h、膠條轉(zhuǎn)速為300～400 r/min、膠條間隔為5 cm時(shí)的數(shù)據(jù)。表8

F組是當(dāng)前進(jìn)速度3 km/h、膠條轉(zhuǎn)速為350～400 r/min、膠條間距為5 cm時(shí)的數(shù)據(jù)。表9

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值

研究表明，果實(shí)坐果量均勻分布在枝條上，農(nóng)藝疏除率為30%～50％，且疏除率為35%～40%時(shí)機(jī)械化疏花作業(yè)為最理想情況。表10

計(jì)算6組測試點(diǎn)前后所測的蘋果花朵數(shù)值，并將試驗(yàn)前后所測數(shù)值計(jì)算得出各組的疏除率，進(jìn)而確定當(dāng)前進(jìn)速度2.6～3.4 km/h、膠條轉(zhuǎn)速 350～400 r/min、膠條間距為 5 mm，為最優(yōu)疏除作業(yè)參數(shù)，疏除率為40%～45％。

2.4 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

研究表明，建立疏除率對(duì)前進(jìn)速度、膠條轉(zhuǎn)速、膠條間隔三個(gè)自變量的響應(yīng)曲面回歸模型，參數(shù)優(yōu)化前的回歸方程（18）所示，對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析。表11

Y₁=4.8+4.50X₁+8.36×10^-2X₂+0X₃-1X₁X₂-0X₁X₃-1X₂X₃-6.58X²₁+12.89X²₂-0.26X²₃. （19）

響應(yīng)面模型中的疏除率 Y₁模型 Plt; 0.000 1，表明回歸模型高度顯著。失擬項(xiàng) P（P=0.671 6）gt; 0.05，表明回歸方程擬合程度高；其決定系數(shù) R²為0.902 9， 此數(shù)據(jù)模型可解釋 90%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)。該疏花裝置的工作參數(shù)可由此模型來優(yōu)化。

各參數(shù)對(duì)回歸方程的影響作用可以通過 P值大小反應(yīng)，Plt;0.01 表明參數(shù)對(duì)模型影響極顯著，Plt;0.05 表明參數(shù)對(duì)模型影響顯著。疏除率模型Y₁中有3個(gè)回歸項(xiàng)影響極顯著（Plt;0.01），為X₁、X₂、X²₂；1個(gè)回歸項(xiàng)對(duì)模型影響顯著（P﹤0.05），為X²₁；模型中有5個(gè)回歸項(xiàng)影響不顯著（P﹥0.05），分別為X₃、X₁X₂、X₁X₃、X₂X₃、X²₃，除去回歸項(xiàng)模型中不顯著的回歸項(xiàng)，并在Design-Expert對(duì)模型優(yōu)化。分析優(yōu)化后的模型，優(yōu)化后的模型方程如下所示。根據(jù)模型Y₁的P值（P﹤0.000 1）與模型Y₁的失擬項(xiàng)P值（P=0.127 1），模型可靠。

Y₁=46.67+12.60X₁+8.36×10^-2X₂- 1.8×10^-2X²₁-4.30×10^-2X²₂.（20）

利用Design-Expert 軟件繪制3D-surface 響應(yīng)面圖，前進(jìn)速度、膠條轉(zhuǎn)速、膠條間距對(duì)疏除率Y₁的影響。圖11

3個(gè)因子影響效應(yīng)依次為膠條轉(zhuǎn)速﹥膠條間隔﹥行進(jìn)速度，即膠條轉(zhuǎn)速越大疏除率越高；膠條間隔越大，擊打花朵量減少，疏除率降低；前進(jìn)速度快可以防止果樹樹枝在膠條反復(fù)擊打下受損影響果樹生長，前進(jìn)速度不能過高和過低。過高時(shí)，膠條擊打樹枝上花朵時(shí)間短無法完成疏花作業(yè)。過低時(shí)，膠條反復(fù)擊打樹枝造成果樹受損，且擊落花朵數(shù)量多從而造成疏除率過高。

對(duì)影響因子進(jìn)行優(yōu)化得出因素最優(yōu)組合為：履帶自走式疏花機(jī)行進(jìn)速度2.6～3.4 km/h、轉(zhuǎn)軸膠條轉(zhuǎn)速 350～400 r/min、膠條間距為 5 mm，果樹疏花疏除率預(yù)測值為 35%～40%。

隨機(jī)選擇3個(gè)測試點(diǎn)，進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，具體參數(shù)為履帶自走式疏花機(jī)前進(jìn)速度2.6～3.4 km/h、轉(zhuǎn)軸膠條轉(zhuǎn)速 350～400 r/min、膠條間距為 5 cm。表12

3次試驗(yàn)驗(yàn)值分別為34%～38％、36%～42％和35%～40％，平均值為35.33%～40％，上述得理論優(yōu)化值為35%～40％相對(duì)誤差均小于 4%，因此參數(shù)優(yōu)化模型可靠。

可得疏花裝置在進(jìn)行疏花作業(yè)時(shí)，采用優(yōu)化參數(shù)組合，即履帶自走式疏花機(jī)行進(jìn)速度2.6～3.4 km/h、膠條轉(zhuǎn)速 350～400 r/min、膠條間距為 5 cm時(shí)，疏除率為35%～40％。表12

3 討 論

設(shè)計(jì)的履帶自走式疏花機(jī)，采用爬坡性能強(qiáng)，穩(wěn)定性高，動(dòng)力足的履帶式行走裝置與前期本團(tuán)隊(duì)研制的牽引式疏花機(jī)^［24］相比，在疏除率保持一致的情況下，機(jī)具的爬坡性和穩(wěn)定性有了顯著提升，提高了疏花工作效率；李君等^［12］在柔性疏花器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)中表明，機(jī)械柔性疏花方式下，膠條轉(zhuǎn)速和膠條間距均對(duì)疏花時(shí)間、疏花率有顯著影響，膠條轉(zhuǎn)速越大、膠條間距越小，疏花時(shí)間越短，疏花率越高，與研究結(jié)果等同；當(dāng)機(jī)具行走速度為0.55 m/s，疏花臂轉(zhuǎn)速在200～300 r/min時(shí)，疏除率為20%左右，與雷曉輝等^［14］設(shè)計(jì)的三節(jié)臂式疏花機(jī)與本設(shè)計(jì)在行走方式和控制方式存在不同；汪強(qiáng)等^［13］設(shè)計(jì)的矮密疏花裝置在桃園田間的試驗(yàn)，區(qū)別在于本設(shè)計(jì)具有高度可調(diào)性。袁常偉^［25］在桃樹疏花機(jī)設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)中研究表明，當(dāng)疏花軸轉(zhuǎn)速在360～400 r/min、 機(jī)具前進(jìn)速度2 km/h時(shí)，疏花效率最高，與試驗(yàn)研究結(jié)果接近。

4 結(jié) 論

4.1 設(shè)計(jì)了一種履帶自走式疏花機(jī)，確定了關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)和尺寸；根據(jù)疏花作業(yè)需要，對(duì)疏花裝置的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與選型。

4.2 各試驗(yàn)因子對(duì)疏花的影響效應(yīng)依次為膠條轉(zhuǎn)速﹥膠條間距﹥行進(jìn)速度。優(yōu)化分析各影響因子間的最優(yōu)組合參數(shù)為履帶自走式疏花機(jī)前進(jìn)速度2.6～3.4 km/h、轉(zhuǎn)軸膠條轉(zhuǎn)速 350～400 r/min、膠條間距為 5cm時(shí)效率最高，疏除率為35%～40％。

4.3 履帶自走式疏花機(jī)可一次完成果園行間單側(cè)不同樹高、不同樹齡、不同角度的果樹疏花作業(yè)，對(duì)于大面積種植標(biāo)準(zhǔn)果園的疏花作業(yè)有良好的推廣應(yīng)用前景。

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Design and experiment of self-propelled track flower-thinning machine in orchards

ZHOU Yan¹ ，HE Lei¹， SONG Long¹，PAN Yunfei²， WANG Qiang²， SONG Zhenshuai²，

（1. Institute of Mechanical Equipment， Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation， Shihezi Xinjiang 832000， China; 2.Shihezi University， Shihezi Xinjiang 832003， China）

Abstract：【Objective】 In view of the problems such as high manual operation intensity， heavy workload and short time of flower farming in orchard thinning management， the main parameters of orchard thinning operation are studied and designed， and software is used to optimize the parameters to provide reference for the development and optimization of orchard mechanical thinning management equipment.【Methods】 Mechanical design， theoretical force analysis， hydraulic analysis， flower thinning performance test， data analysis and optimisation of the combination of methods. 【Results】 The overall size of the flower thinning machine was （2.2×1.7×3.5） m， the length of the flower thinning shaft was 1 m， the length of the flower thinning arm support bracket and the flower thinning arm was 1.8， 1.5 and 1.5 m， the maximum force of the three hydraulic cylinders of the flower thinning arm was 980， 1，450， 3，600 N， and the key parameters in the hydraulic system were calculated， designed and selected. Through the field test verification， the agronomic requirements of thinning were met， the thinning rate under different combinations of parameters was collected， the effect of each factor on the thinning rate was analyzed by design expert， and the parameters of the regression model were optimized.【Conclusion】 The optimal combination of parameter values for tracked self-propelled flower thinning machine travelling speed is 2.6-3.4 km/h， the speed of the rubber strip is 350-400 r/min， the spacing of the rubber strip for the best results of 5 cm， the thinning rate of 35%-40%; the impact of the test factors on the thinning of flowers is in the following order： the speed of the rubber strip﹥the spacing of the rubber strip﹥the speed of the machine suitable for the modern standards of orchards .

Key words：orchard management; flower thinning device; tracked self-propelled; flower thinning arm; hydraulic system; flower thinning optimization

Fund projects：Key Scientific and Technological Research Projects in Agriculture of XPCC （2018AB016）; Major Science and Technology Project of XPCC （2021AA0050302）; National Key Ramp;D Program Project （2017YFD0701402）; Science and Technology Innovation Talent Program Project of XPCC （2020CB031）

Correspondence author：HE Lei （1985-）， male， from Zhoukou， Henan， researcher， Ph.D.， research direction： agricultural mechanization， （E-mail）123893162@qq.com