振搖枸杞采收機設計與試驗

張文強 張明明 張俊雄 李 偉

(中國農業大學工學院，北京 100083)

0 引言

枸杞的機械化采收方式可分為梳刷式和振動式[1]。梳刷式枸杞采收方法屬于枸杞選擇性、接觸式采收方法。周兵等[2]設計了一種手持式枸杞采收機，利用柔性膠管環將枸杞果實分離。青海林豐農牧機械制造有限公司[3]研制了一種梳刷式枸杞收獲機，通過梳齒的轉動將果實聚攏至收集區域并夾持住，使枸杞果實在梳齒的作用力下與果柄脫離。現有的梳刷采收方式易造成枸杞果實和枝葉的損傷，且常造成未成熟果實和花朵的誤采，影響采收的效率和凈度。振動式枸杞采收方法是一種基于果實果柄結合力差異原理的非接觸枸杞采收方法,具有采收效率高的特點[4]。SO[5]針對韓國枸杞研制了一種能夠帶動枝條振蕩的振動收獲裝置，采收效率是人工采收的4.2倍，但是由于枸杞生物學特性差異，該裝置不適于寧夏枸杞的機械化采收。曹有龍[6]設計了一種手持式枸杞采摘器，基本原理是通過偏心機構對枝條產生振動，使枸杞果實做多次瞬時變向運動，當果實與果柄之間慣性力大于結合力時果實脫落從而實現采收，但該裝置在工作過程中會對操作人員手臂產生強烈振動感，容易造成肌肉疲勞。在大型枸杞自動化采收裝備研究方面，肖宏儒和徐麗明等[7-9]研究發現，現有的枸杞種植模式，由于枸杞枝條生長雜亂、長短不一、果實脆弱、行距窄，導致大型機具通過性低、作業效率低且枸杞的損傷率較高，只有推廣農機農藝結合的枸杞種植新模式，大型枸杞采收機才有可能推廣應用。

為解決現有種植模式下的枸杞采收問題，結合枸杞機械化采摘發展趨勢[1]，本文設計一種振搖枸杞采收機，并建立枸杞采摘動力學模型，分析影響枸杞分離的主要參數。利用ADAMS對簡化后的動力學模型進行仿真分析，得出各個參數的取值范圍，并以這些參數為因素進行正交試驗，得出最優參數組合。在此基礎上，開展田間試驗，驗證其采摘效率。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

振搖枸杞采收機主要由手柄(內含直流電動機)、收集盒、齒輪傳動箱、偏心軸、連桿、平移板和振搖指排組成，整機結構如圖1所示。

圖1 振搖枸杞采收機結構圖Fig.1 Structure diagram of vibrating wolfberry harvester1.手柄(內含直流電動機) 2.收集盒 3.齒輪傳動箱 4.偏心軸 5.連桿 6.振搖指排 7.平移板

振搖枸杞采收機由直流電動機驅動，通過齒輪傳動箱改變傳動方向，驅動偏心軸旋轉，連桿連接偏心軸和平移板，平移板可沿滑動軌道直線滑動，偏心軸、連桿和平移板形成一曲柄滑塊機構，將枝條放入振搖指排間，可振搖枝條。

振搖枸杞采收機主要技術參數見表1。

1.2 工作原理與過程

振搖枸杞采收機的采收原理如圖2所示。采收過程中，手持電動機外殼手柄，將長有成熟枸杞的掛果枝條置于平移板上的振搖指排間，然后啟動采收裝置，枝條便在振搖指排的帶動下做一定頻率和振幅的晃動，枸杞果實在枝條的晃動過程中產生慣性力，當慣性力大于枸杞果實與果柄之間的結合力時，果實便會脫落掉入收集筐內，將振搖枸杞采收機沿枝條緩慢移動，便可對枝條其余部分采摘，最后對收集筐內的枸杞果實集中處理。

表1 振搖枸杞采收機主要技術參數Tab.1 Specifications of vibrating wolfberry harvester

圖2 振搖枸杞采收機采收原理圖Fig.2 Working principle diagram of vibrating wolfberry harvester

2 采收裝置動力學模型

以偏心輪圓心為原點O，水平方向為x軸，豎直方向為y軸，建立如圖3所示坐標系，根據曲柄滑塊運動規律可知，滑塊的運動方程為

(1)

對式(1)求導得其速度和加速度方程為

(2)

(3)

式中r1——偏心輪半徑, mm

r2——連桿長度，mm

ω——偏心輪角速度，rad/s

t——時間，s

s——滑塊與原點的距離，mm

v——滑塊運動速度，mm/s

a——滑塊運動加速度，mm/s2

圖3 動力學模型Fig.3 Dynamic model

由式(2)、(3)可知，連桿長度r2對滑塊速度和加速度影響較小[10]，結合振搖枸杞采收機外部尺寸，將連桿長度定為r2=80 mm。由牛頓第二定律F=ma可知，影響枸杞分離的主要因素為偏心輪角速度ω、偏心輪半徑r1和時間t，分別對應振搖枸杞枝條的頻率、振幅和時間。

在4～15 Hz范圍內，大部分果枝存在一個共振頻率[11]，為了確定振幅和頻率的范圍，利用ADAMS對簡化后的動力學模型進行動力學仿真[12]。為了使仿真結果更接近實際，應先測量枸杞果實及果柄的相關物理特性和力學參數。測量品種為寧杞1號，樹齡為5 a。采用游標卡尺測量成熟枸杞的縱橫徑、果柄長度及直徑，用高精度電子秤(廣東長協電子科技有限公司，型號：20G，量程：0～20 g，精度：0.001 g)測量成熟枸杞果實及果柄的質量并間接計算出果柄的密度[13]，利用微型控制電子萬能試驗機(深圳市瑞格爾儀器有限公司，型號:RGT-0.2)測量果柄的彈性模量[12]，用推拉力計(樂清市艾德堡儀器有限公司，型號：HP-5，量程：0～5 N，精度：0.001 N)測量成熟果實與果柄之間的結合力[14]。測量前選取10株枸杞樹作為測量對象，每株枸杞樹作為一個測量樣本，利用上述方法得到20組試驗數據，測量結果如表2所示。

表2 成熟枸杞果實和果柄參數Tab.2 Data of Lycium batbarum fruits and stems

在ADAMS動力學分析軟件中，將曲柄、連桿、滑塊、枸杞果實視為剛體，將果柄視為柔性體。然后創建運動副，曲柄和大地之間為旋轉副，連桿和曲柄之間為旋轉副，曲柄和滑塊之間為旋轉副，滑塊和果柄之間為球鉸副，果柄和果實之間為固連副。設置材料參數并添加曲柄和大地之間的旋轉驅動，將頻率轉換成對應的轉速，振幅為曲柄半徑的2倍，運行ADAMS仿真軟件，檢測果柄與果實之間的慣性力變化[15]。結果如圖4所示。

圖4 仿真試驗結果Fig.4 Simulation curves of binding force changing

由圖4仿真結果可知，當振搖頻率在8～14 Hz時，振幅在25～40 mm時，枸杞果實和果柄之間最大慣性力達到0.5～2 N，超過成熟枸杞果實果柄的結合力，此時能實現枸杞果實和果柄的有效分離[16]。但由圖4可知，不同頻率和振幅組合，果實與果柄之間慣性力超過結合力所需的時間不同。在工作過程中，振搖指排需沿著枝條移動，將枸杞果實通過指排的時間視為果實果柄慣性力變化的時間，可知指排間距越大，枝條受振動時間越長，果實與果柄之間慣性力超過結合力的可能性越大，且實際工作過程中振搖指排間距也會通過影響電動機轉矩傳遞和果實與指排之間的碰撞間接影響采收效果，因此振搖指排的間距也是影響采收效果的結構參數之一。已知人握持振搖枸杞采收機沿枝條的移動速度一般為50～200 mm/s，為了不影響采收效率，應盡可能使通過指排間的枸杞果實在1 s內被采收[17]，結合收集盒的外形尺寸，平移板上可布置3個振搖指排，因此指排間距應在25～100 mm范圍內。

3 試驗與結果分析

針對設計的振搖枸杞采收機，以采收機振搖頻率、振幅和指排間距為試驗因素，以采收后的采凈率、采青率、損傷率為考察指標[18]，按照正交試驗的方法，開展田間試驗，研究各因素對采收效果影響的主次關系，確定最佳參數組合。

3.1 試驗條件和試驗裝置

試驗時間：2017年7月15—20日；試驗地點：寧夏農林科學院枸杞研究所枸杞試驗基地；試驗采用的振搖枸杞采收機樣機零部件加工和裝配過程中，受加工條件的影響，對樣機結構做了適當調整，最終樣機如圖5所示。試驗選取平均樹齡為5 a的寧杞1號樹種。該樹種為小灌木，株高1.4～1.6 m，株冠直徑1.5～1.7 m，結果枝160～285條，枝形弧垂或斜生，枝長36～54 cm，節間長1.6 cm，著果距4.2～6.8 cm，每節花果數1～2個。枸杞鮮果縱徑1.7～2.3 cm，橫徑0.88～1.06 cm，鮮果千粒質量505～908 g。

圖5 振搖枸杞采收機實物圖Fig.5 Photo of vibrating wolfberry harvester

試驗中選擇枸杞采凈率、采青率和損傷率為試驗指標。采凈率為

式中N——采收下的成熟果實總數，個

M——未采收下的成熟果實總數，個

S——采收下的青果總數，個

K——采收的成熟果實中損傷個數，個

3.2 試驗方法

為了驗證所設計的振搖枸杞采收機的實際工作效果，尋求最佳參數組合，對所選3個試驗因素進行了三因素四水平正交試驗，即選用正交表L16(43)進行試驗設計與分析，其因素與水平表如表3所示。其中振搖頻率可利用激光光源轉速表(深圳市驛生勝利科技有限公司，型號：DM6234，精度：0.1 r/min)測定偏心輪轉速，再轉換為振搖頻率,振幅可通過調節偏心軸偏心距離得到[19]。根據前述分析可知，振搖頻率范圍為8～14 Hz，振幅范圍為25～40 mm，指排間距范圍為25～100 mm[20]。試驗結果如表4所示。A、B、C為因素水平值。

表3 試驗因素水平Tab.3 Experimental factors and levels

表4 試驗結果Tab.4 Test design scheme and results

3.3 試驗結果分析

采收前后的枸杞枝條如圖6所示，采收的枸杞果實實物如圖7所示。振搖頻率、振幅和指排間距各水平對采收效果指標的影響如表4和表5所示。由表5可知，各考察因子的極差越大，說明該因子對試驗指標的影響越大。這樣確定了采凈率、采青率和損傷率影響因素的主次關系。其中，振搖枸杞采收機的振幅和頻率對采凈率、采青率和損傷率均有顯著影響。當頻率和振幅增大時，枝條在振動過程中枸杞果實與果柄之間的慣性力也逐漸增大，從而可以使得枸杞果實更容易脫落，但是不可避免地也更容易造成未成熟果的脫落，且脫落后的枸杞果實運動速度也會相應的增大，增加了果實因碰撞造成機械損傷的幾率。指排間距對采凈率和采青率無顯著影響，但對損傷率有較顯著影響。當指排間距由25 mm增大到100 mm時，損傷率從2.29%減小至1.63%。分析可知，采收過程中振搖指排會沿著枝條移動，增大指排間隙可以減小枸杞果實與指排接觸的幾率，從而降低果實因與指排碰撞而造成的機械損傷。但從總體來看，損傷率維持在1.97%左右，滿足對枸杞的采收要求，由此可以看出振搖枸杞采收機解決了振動式采收帶來的損傷率高的問題。

圖6 枸杞枝條采收前后對比Fig.6 Photo of before and after harvesting

圖7 收獲的枸杞果實實物Fig.7 Photo of harvested wolfberry

綜合各因素對采收效果的影響及其優化組合，按照采凈率高、采青率低和損傷率低的原則，確定A4B4C4的較優組合，即振搖頻率14 Hz、振幅40 mm、指排間距100 mm。但由表4可知，當頻率增至12 Hz時，已達到較高的采凈率，如果再增大頻率，采凈率提升幅度不大，且會造成較高的采青率，同時頻率過高，會造成振搖枸杞采收機整體的劇烈振動，容易引起操作人員的肌肉疲勞，因此可以在頻率為12 Hz的基礎上通過增大振幅來提升采凈率。因此，最終確定較優組合為A3B4C4，經試驗，在此條件下振搖枸杞采收機的采凈率為93.52%，采青率為5.72%，損傷率為2.54%，滿足農戶對枸杞采收的質量要求。

表5 正交試驗結果極差分析Tab.5 Range analysis of orthogonal experiment results

3.4 采摘效率試驗

為了驗證在該組合下振搖枸杞采收機的實際工作效果，并檢驗其相對于人工采收的優越性，開展了采摘效率對比試驗。采摘效率是指單位時間內采摘成熟果實的質量[21]。為對比分析機采和人采效率比值，首先進行人工采摘試驗，由3位技術嫻熟的工人隨機選擇田間枸杞植株進行采摘，采摘時間為5 min，人工采摘試驗完畢后，進行機器采摘試驗，將振搖枸杞采收機工作參數調為振搖頻率12 Hz，振幅40 mm，指排間距100 mm，在枸杞種植園隨機選擇若干棵樹齡5 a以上的枸杞植株進行采摘試驗，共計3次試驗，每次試驗持續時間為5 min，試驗后整理的試驗數據見表6。結果表明在參數組合為頻率12 Hz、振幅40 mm、指排間距100 mm時，振搖枸杞采收裝置采收效率是人工采摘效率的5.5倍。

表6 采摘效率試驗數據Tab.6 Test data of picking efficiency

4 結論

(1)為了解決振動式采收機器損傷率高的問題，設計了一種針對枸杞枝條的振搖枸杞采收機，主要由直流電動機、收集盒、齒輪傳動箱、偏心軸、連桿、平移板和振搖指排組成。

(2)根據枸杞振動分離采摘原理，建立了枸杞采摘動力學模型，得出振搖頻率、振幅和指排間距是影響采收效果的主要影響因素，并通過ADAMS對簡化后的模型進行仿真分析，確定了這些參數的取值范圍。

(3)以采收后的枸杞采凈率、采青率和損壞率為試驗指標，以振搖頻率、振幅和指排間距為試驗因素對振搖枸杞采收機進行了三因素四水平正交試驗，結果表明，振搖枸杞采收機能有效降低果實損傷率，振幅和頻率是影響采凈率、采青率和損傷率的顯著因素，指排間距是影響損傷率的顯著因素。3個參數的最佳組合為：頻率12 Hz、振幅40 mm和指排間距100 mm，在該組合條件下的采凈率為93.52%，采青率為5.72%，損傷率為2.54%，滿足對枸杞采收的質量要求。并以該組合條件為基礎，通過與人工采摘對比試驗表明，振搖枸杞采收機采摘效率為485 g/min，是人工采摘效率的5.5倍。