梳排振動式荔枝采摘機的設計與試驗

李 斌，李 君，陸華忠，呂恩利，楊益彬

(華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州 510642)

0 引言

荔枝是我國南方的特色水果，主要分布于廣東、廣西、福建和海南等省份，少量分布在四川和云南[1]。當前，荔枝采摘仍以人工采摘為主，勞動強度大、作業(yè)成本高，采摘成本約占整個荔枝生產(chǎn)成本的50%～70%，采摘所用勞動力占全部所用勞動力的33%～50%[2-4]。

隨著荔枝采摘與用工成本上升的矛盾日益凸顯，荔枝機械化采收技術(shù)已成為產(chǎn)業(yè)研究的熱點方向之一。趙磊等[5]根據(jù)荔枝果實尺寸和枝條物理特性，研制了一種滾筒疏剪式荔枝采摘機。在此基礎上，姜焰鳴等[6]試驗獲得了滾筒疏剪式采摘機的最佳水平組合。孔慶軍等[7]設計了一種旋轉(zhuǎn)剪刀式荔枝采摘機，并對切割刀片結(jié)構(gòu)設計進行了可靠性分析。陳燕等設計了一種具有1個移動關(guān)節(jié)和4個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的5自由度荔枝采摘機械手。

國內(nèi)外對林果振動采摘方式的研究已有較長時間，在結(jié)構(gòu)設計與參數(shù)優(yōu)化方面取得了一定的進展。東北林業(yè)大學耿雷等[8]設計了一種“龍門”式藍莓采摘機，利用雙側(cè)梳妝指排拍打藍莓樹枝，形成穩(wěn)態(tài)受迫振動擊落樹上成熟藍莓果實。郭艷玲等[9]對藍莓采摘機收獲機理進行分析，采摘試驗結(jié)果表明：單臺采摘量為12kg/h，果實損壞率為10%，采凈率為86%。楊蘭濤等[10]設計了一種自走式釀酒葡萄收獲機，可一次性實現(xiàn)對釀酒葡萄的分離、輸送、除雜及集果等功能。周兵等[11]設計了一種模擬手枸杞采摘機，利用左右旋轉(zhuǎn)體和表面上的柔性膠環(huán)排模擬人手，柔性膠管捋下結(jié)合力較低的果實，完成果實的采摘。張最等[12]運用MatLab對振動式枸杞采摘機工作參數(shù)進行優(yōu)化和仿真試驗，優(yōu)化得到合理的迫振載荷和驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速組合。目前，機械振動在荔枝生產(chǎn)中的應用報道僅限于初加工環(huán)節(jié)。王慰祖等[13]設計了一種機械式荔枝去梗機，研究發(fā)現(xiàn)機械去梗效果在振動頻率為20Hz時最好，去梗效率約為人工去梗的3倍，破損率低于6%。

為研究荔枝機械式振動采摘的可行性，針對國內(nèi)矮化密植模式的荔枝果園，基于樹冠仿形和柔性采摘的作業(yè)要求，設計了一種梳排振動式荔枝采摘機。同時，利用EDEM軟件進行仿真試驗確定梳擺頻率取值范圍，通過田間試驗分析采摘機的最佳作業(yè)參數(shù)組合，并進一步對比分析機械采摘和手工采摘的采后品質(zhì)，以期為荔枝機械化收獲技術(shù)的研究提供參考。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

梳排振動式荔枝采摘機由梳擺采摘機構(gòu)、曲柄雙搖桿機構(gòu)、液壓馬達組、液壓工作站、操縱控制面板、動力源及電磁閥組等組成，如圖1所示。

1.柔性梳棒組 2.基板 3.采摘液壓馬達 4.油箱

梳擺采摘機構(gòu)主要由柔性梳棒組、左右軸、基板、軸承及軸承座組成。其中，左右軸直徑25mm、長1 800mm，左右軸軸心距為320mm，700mm，梳棒間距、重合度可根據(jù)實際生產(chǎn)需要進行調(diào)整。曲柄雙搖桿機構(gòu)的主要作用是將傳動機構(gòu)圓周運動轉(zhuǎn)化為梳擺采摘機構(gòu)中左右軸的往復式運動。

1.2 工作原理

采摘作業(yè)時，啟動柴油機向液壓工作站提供驅(qū)動力；液壓泵泵油經(jīng)過輸油管帶動底盤驅(qū)動液壓馬達工作，操控采摘機靠近目標果樹；根據(jù)果樹冠層的輪廓形狀以及果實分布的空間位置，控制角度調(diào)節(jié)機構(gòu)的仿形液壓馬達使梳擺采摘機構(gòu)傾斜相應角度；調(diào)節(jié)采摘液壓馬達轉(zhuǎn)速，使搖桿做往復式擺動，從而帶動安裝于左軸、右軸上的柔性梳棒組振動式梳擺掛果枝條使果梗分離，實現(xiàn)荔枝的機械化采摘。

2 建模仿真分析

2.1 創(chuàng)建仿真模型

梳擺頻率是影響采摘機采摘效果的主要因素之一，合理的梳擺頻率能夠提高生產(chǎn)效率，降低果實破損率。荔枝果實的機械損傷程度與應變能顯著相關(guān)，隨著應變能增加，荔枝的機械損傷程度越大[14]，即隨著梳擺頻率增大，荔枝果實的內(nèi)能造成的機械損傷逐漸變大。為了探究采摘機適宜的梳擺頻率，將梳擺頻率設定為10、20、30Hz，利用EDEM軟件進行仿真試驗研究。

以“桂味”荔枝果實為例，在EDEM軟件中的Particles模塊創(chuàng)建荔枝果實顆粒模型，將模型的尺寸設置為直徑30mm的球體，如圖2(a)所示。

(a) 荔枝果實顆粒模型

(b) 采摘機幾何模型

2.2 仿真參數(shù)設定

荔枝球度系數(shù)達0.96以上，近似于球體，可將果實模型設置為整個表面硬度和橫縱向彈性模量相同的球體。仿真參數(shù)條件：果實硬度為1.63×106Pa，果實彈性模量設置為3.0×105Pa[14-15]，果實密度、泊松比、剪切模量分別為1.0×103kg/m3、0.35、0.11MPa[16]，果實間恢復系數(shù)、摩擦因數(shù)分別為0.4、1。梳棒組的運動設置為正弦平移運動，擺幅0.78rad，采摘機的運動設置為沿y軸正向以0.5m/s的速度勻速前進。

將EDEM顆粒工廠設置為BOX型式，用于模擬等效荔枝果實在果樹上的分布。如圖2(b)所示：將果樹分割成平行于地面若干個長方形，根據(jù)荔枝果實在果樹上的分布狀況確定長方形的尺寸和離地高度。每個長方形所包含的顆粒(即果實)數(shù)量參照果樹實際生長狀況設定。

根據(jù)荔枝果實的物理特性要求，果實之間的接觸模型定義為linear spring[17]。由于荔枝果實近似球形，果實顆粒與采摘機構(gòu)沒有粘附力，所以將采收機的接觸模型定義為hertz-mindlin(no-slip)無滑動接觸模型。由于采摘過程中的果樹是假想的若干個平行面，并非實體，因此將果樹等效模型設定為虛擬。為使創(chuàng)建的果樹模型盡可能接近真實情況，將果實在每一個虛擬平面產(chǎn)生的位置和速度設定為隨機。果樹模型置于采摘機前方，按照采摘機的設計尺寸和果樹等效模型距離地面的高度設定果樹距離地面的高度以及與采摘機的相對位置。

2.3 仿真結(jié)果與分析

在仿真時長為5s的模擬采摘過程中，果實的壓縮力變化如圖3(a)所示。在0～2s時段，壓縮力出現(xiàn)多處波峰，原因是果實從掛果枝條分離后出現(xiàn)二次以上的跌落碰撞；隨著沖擊能的不斷衰減，2s后，果實進行滾動-靜止狀態(tài)，壓縮力趨于穩(wěn)定。當f=10Hz時，果實的壓縮力值變化較小；當f=20Hz時，果實受到的壓縮力最大為26N；當f=30Hz時，果實平均壓縮力峰值達到了89.62N。荔枝果實的水平受壓的破裂力為81.25N[18]，因此采摘機的適宜梳擺頻率應小于30Hz，以減少對果實的物理傷害。果實所受合力的變化如圖3(b)所示。

(a) 果實壓縮力

(b) 果實合力

果實所受的合力主要由重力和壓縮力組成，由于重力不變，即只有壓縮力發(fā)生變化，因此果實的合力變化與壓縮力變化基本一致；2s后，果實的重力和壓縮力大小相等，方向相反，合力大小趨于0。

果實的平均動能變化如圖4(a)所示。果實與果樹分離后主要做自由落體運動，第1次跌落碰撞時的動能最大，此后多次跌落反彈，直至動能衰減到某一數(shù)值恒定不變。動能定理計算公式為

(1)

式中M—果實質(zhì)量(kg)；

V—果實速度(m/s)；

K—果實動能(J)。

果實內(nèi)能即果實在跌落過程中發(fā)生接觸碰撞被壓縮產(chǎn)生的內(nèi)能。果實的平均總能量為果實內(nèi)能和果實動能的總和平均，其變化如圖4(b)所示。初始時，果實受外界激勵，總能量急劇增加；0.2s后，果實的總能量逐漸降低，其中一部分動能轉(zhuǎn)化為果實的內(nèi)能，另一部分動能被樹枝吸收，最終果實總能量維持恒定。當f=10、20、30Hz時，果實的內(nèi)能計算值分別為0.376 25、0.506 25、1.271 25J。

(a) 果實的平均動能

(b) 果實的平均總能量

3 采摘試驗

3.1 材料與設備

試驗于廣東省廣州市從化區(qū)鳳凰雙鳳山果園進行，試驗果園東經(jīng)113.9°，北緯23.8°，海拔31m，年平均氣溫19.5～21.4℃，年平均降雨量1 800～2 200mm，株行距為4m×3m。供試品種為桂味荔枝，樹齡20～25年。

試驗采用梳排振動式荔枝采摘機(華南農(nóng)業(yè)大學國家荔枝龍眼產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系果園機械化研究室試制)，華儀MS6208B光電轉(zhuǎn)速表(測量精度0.3%)，卷尺，編織收集網(wǎng)，計時器及電子天平等。

3.2 試驗方法

1) 試驗因素與指標。試驗指標為采摘效率和破損率。

采摘效率為

(2)

破損率為

(3)

其中，E為采摘效率(kg/s)；m為采摘果實質(zhì)量(kg)；T為采摘作業(yè)時間(s)；W為破損率(%)；N1為采摘果實數(shù)量(個)；N2為采摘果實破損數(shù)量(個)。

在統(tǒng)計采摘果實破損數(shù)量時，目測果皮破裂或損傷的果實均被視為破損果實，破損原因主要為采摘過程中被振動梳棒打傷破裂，或脫落過程中果皮被扯裂。

試驗步驟：每次試驗選取坐果數(shù)量相近的掛果區(qū)域作為試驗目標，調(diào)節(jié)采摘機參數(shù)為試驗所需水平，人工鋪設編織收集網(wǎng)于作業(yè)區(qū)域下方0.5m處；從采摘機梳排接觸荔枝掛果枝條開始計時，目標果實全部脫落停止計時，采摘后將收集網(wǎng)內(nèi)果實取出，記錄破損果實數(shù)。

為全面分析各因素的影響，選用正交試驗來減少試驗次數(shù)。基于三因素三水平組合方法，選用L9(34)正交表進行試驗，試驗因素與水平如表1所示。試驗共9處理，每個處理重復3次，取平均值，采用SPSS Version 21.0軟件進行統(tǒng)計分析。

3.3 結(jié)果與分析

采用SPSS Version 21.0軟件對表2的試驗數(shù)據(jù)進行方差和極差分析，分析結(jié)果如表3和表4所示。

表1 正交試驗因素和水平表

表2 正交試驗結(jié)果

表3 方差分析結(jié)果

F0.01(2，20)=5.85，F(xiàn)0.05(2，20)=3.49，F(xiàn)0.1(2，20)=2.59,影響顯著用*表示，影響極顯著用**表示。

表4 極差分析結(jié)果

由表3可知：梳排振動式采摘機梳打頻率、梳棒間距、梳棒重合度對采摘效率和破損率影響程度不同，在顯著性水平α=0.05的條件下，3個因素對采摘效率和破損率均有顯著性影響(P<0.05)。其中，梳打頻率、梳棒間距對采摘效率和破損率影響極顯著。

由表4可知：梳排振動式采摘機梳打頻率為19Hz、梳棒間距為100mm、梳棒重合度為60%時，采摘效率最優(yōu)；采摘機梳打頻率為11Hz、梳棒間距為100mm、梳棒重合度為60%時，破損率最低。

為平衡采摘效率和破損率的得失，采用綜合加權(quán)評分法進行分析，以得出使采摘效率和破損率都盡可能達到最優(yōu)的組合。根據(jù)3個因素對衡量指標的重要程度，以100分作為總權(quán)，采摘效率為60，破損率為40[19-20]，每處理的綜合評分值為

(4)

其中，yi為第i號試驗所得計算值(加權(quán)評分指標)；Wj為第j個指標的權(quán)值；yij為第i號試驗中第j個指標；ymj為第j個指標中的極小值；Rj為第j個指標的極差；λj為第j個指標的計算系數(shù)，其既考慮權(quán)又考慮指標變動程度。

分析可知：影響綜合指標的主次因素排列為A>B>C，最佳水平組合為A2B3C2，即梳棒間距為100mm，梳棒重合度為60%。將采摘機構(gòu)的工作參數(shù)分別調(diào)整為采摘效率最高的工況下，進行采摘試驗。此工況下，采摘效率為1.94kg/min，破損率為3.14%。

4 品質(zhì)對比試驗

4.1 材料與設備

為對比機械采摘和人工采摘兩種采摘方式的采后品質(zhì)差異，將采摘機和手工采摘的成熟桂味荔枝貯藏在果蔬保鮮試驗平臺[21-22]內(nèi)10天，采用PR-32α 型數(shù)字式折射計(可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)測量范圍0～32%，最小刻度0.1%，日本愛拓中國分公司)及DC-P型全自動測色色差計(北京市興光測色儀器公司)等儀器對荔枝品質(zhì)進行測定。

4.2 試驗方法

按照隨機抽取試驗區(qū)域的方法，采用機械采摘和人工采摘兩種方式各獲取300顆無破損荔枝果實，并于2h內(nèi)運到華南農(nóng)業(yè)大學，在5℃左右的冰水中預冷15min后于空調(diào)房(溫度25℃，空氣濕度60%)內(nèi)晾干。將采摘后目測果皮組織完好的荔枝分別裝在聚乙烯薄膜袋中，每袋15顆。按照振動采摘和手工采摘進行分組，每組20袋，置于同一果蔬保鮮試驗平臺中保存，保存溫度約為6℃，氧氣體積分數(shù)3%～6%，相對濕度90%～95%[23]。貯藏試驗共進行10天，每隔48h從每組各取兩袋，對荔枝色差(L、a*、b*值)、可溶性固型物(Total Soluble Solid，簡稱TSS)及可滴定酸(Titratable Acid，簡稱TA)含量5個指標進行測試[24]。為方便對試驗結(jié)果進行分析和比較，定義機械采摘和手工采摘處理分別為L1和L2。

4.3 結(jié)果與分析

由圖5可知：兩組荔枝的TSS含量都隨著時間的增加而減少。初始樣本L2組果實的TSS含量為19.42°Brix，L1組為19.27°Brix，兩組荔枝初始TSS含量不同可能是由于個體差異。2天后，兩組荔枝果肉TSS含量均略有上升，可能由于果肉內(nèi)淀粉等物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性糖所致。前4天內(nèi)TSS含量下降速率沒有顯著性差異，4天后，L1兩組荔枝的TSS含量下降速度比L2組下降速度快。10天時，L1組的TSS含量為17.27，L2組的TSS含量為17.92。經(jīng)雙尾顯著性檢驗分析可知，兩組荔枝的TSS含量顯著性水平Sig=0.459>0.05，表明兩組荔枝果肉TSS含量變化無顯著差異。

如圖5所示：兩組荔枝的TA含量呈現(xiàn)出下降趨勢。初始樣本L1組與L2組荔枝果實的TA含量均為0.24%。2天后，L1組荔枝果肉TA含量下降到0.22%，L2組荔枝果肉TA含量下降到0.21%，兩者下降速率差異較小。4天后，L1組荔枝果肉TA含量略微上升到0.22%后持續(xù)下降；L2組荔枝果肉TA含量一直下降到0.19%， 6天時略微上升到0.20%， 6天后一直處于下降狀態(tài)，且下降速率較L1組快。10天時，L1組和L2組的TA含量都下降到最低，L1組TA值為0.08%，L2組TA值為0.15%。經(jīng)顯著性檢驗分析可知，兩組荔枝TA含量的顯著性水平Sig=0.138>0.05，即兩組荔枝果肉TA含量變化無顯著差異。

圖 5 荔枝果實TSS和TA含量變化圖

如圖6所示：荔枝的色差L*值隨著保鮮時間的增加而降低，兩組樣本荔枝果實色差L*的初始值均為46.185，下降速度基本一致，無顯著差別(Sig=0.666>0.05)；10天后，L1組荔枝色差L*值下降到40.185，L2組荔枝色差L*值下降到39.28。色差a*初始值為29.56，隨著保鮮時間的推移，兩組樣本荔枝果實的色差a*總體呈現(xiàn)下降趨勢；10天時，L1組荔枝色差a*值下降到25.63，L2組荔枝色差a*值下降到26.84。經(jīng)差異顯著性檢驗分析可知Sig=0.681>0.05，即兩組荔枝色差a*值變化無顯著差異。色差b*值的初始值均為27.465，兩組荔枝樣本果實的b*值總體上呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。

圖6 荔枝果實色差L*、a*、b*變化圖

前4天，色差b*值均呈上升趨勢，L2組荔枝色差b*上升幅度比L1組上升幅度大； 4天時，兩組樣本的色差b*都出現(xiàn)峰值,其中L2組色差b*為29.5，L1組色差b*為29.34；4天后，兩組樣本荔枝的色差b*均呈下降趨勢， 10天時達到最低值，L1組色差b*為27.28，L2組色差b*值為28.54。L1組與L2荔枝色差b*兩尾檢驗差異顯著性水平Sig=0.573>0.05，表明兩組荔枝色差b*值無顯著差異。

品質(zhì)試驗結(jié)果表明：在10天貯藏試驗條件下，與人工采摘方式對比，梳擺振動式采摘機采收的荔枝果實品質(zhì)無顯著性差異，可以用于鮮食或加工。

5 結(jié)論

1)基于離散元法和顆粒接觸理論，運用EDEM軟件，對采摘機的采收過程進行了數(shù)值模擬。試驗結(jié)果表明，梳擺頻率f=30Hz時的果實所受平均壓縮力已超過荔枝破裂所需的最大力，因此適宜梳擺頻率應小于30Hz。

2)正交試驗結(jié)果表明：梳排振動式采摘機的最佳作業(yè)參數(shù)條件為梳打頻率19Hz，梳棒間距為100mm，梳棒重合度為60%；測定的生產(chǎn)率為1.94kg/min，破損率為3.14%。

3)由機械采摘與手工采摘兩種方式的品質(zhì)對比試驗結(jié)果可知，在10天貯藏試驗中兩者的色差a*、b*、L*，以及果實果肉TSS、TA未見顯著性差異，說明梳排振動式采摘方式未對荔枝品質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。