便攜式枸杞振動采收裝置參數優化試驗研究

趙 健，陳 云，王亞磊，陳 軍

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

枸杞子含有豐富的胡蘿卜素、葉黃素、甜菜堿等有益物質，具有促進免疫、抗衰老、抗腫瘤、抗疲勞及養肝滋腎等作用，深受喜愛。目前，枸杞在全國種植面積已達上百萬畝，特別是寧夏回族自治區已形成了以中寧為核心、清水河流域和銀川以北為兩翼的最具地方特色的枸杞傳統優勢產業格局。但枸杞屬無限花序植物，采摘周期長，夏枸杞果的采收時間在6-8月，秋枸杞果的采收時間在9-11月。枸杞樹多荊棘、果實小，種類繁多，目前采收主要以人工為主。由于枸杞采摘季節性強，采收期用工極為緊張，成熟的枸杞未及時采收而爛在地里，造成枸杞生產成本大大增加，導致嚴重的經濟損失，因此迫切希望研發一種能滿足采摘要求的機械。

國外對果園采摘機械的研究始于20世紀40年代，以美國、法國、英國為首的西方國家主要針對柑橘、杏子、枸杞、櫻桃等林果收獲機械進行了相關研究[3-6]，以振動式機械采收技術應用最為普遍。2009年，BlancoRoldán G L等人利用樹干振動采收機進行了油橄欖采收試驗，并提出以不同振動參數分批采收的方法提高采收率[2]。目前，寧杞7號是我國枸杞種植的主要品種，根據寧杞7號種植方式和生長特點，研制了基于振動原理的便攜式枸杞振動采收裝置。 振動采收裝置的振動頻率、振動時間、振動桿直徑等結構與工作參數的選取，對枸杞子的綜合采收效果具有重要意義。本文采用Design-Expert Version 8.0.6軟件對便攜式枸杞振動采收裝置的結構與工作參數進行了優化，為二代便攜式枸杞振動采收機的研發提供了設計依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

采用生長狀況良好、果實較多、無病蟲害、無明顯缺陷的寧杞7號為試驗品種，樹齡為4～5年。枸杞樹經人工修剪后高0.6～1.3m，種植行距為3m，株距為1m。本次試驗所用的主要儀器：①西北農林科技大學機械與電子工程學院研制的便攜式枸杞振動采收裝置；②電子游標卡尺；③秒表；④數碼相機；⑤Design-Expert Version 8.0.6軟件；⑥萬能試驗機。

試驗采收裝置為西北農林科技大學機械與電子工程學院研制的便攜式枸杞振動采收裝置，如圖1所示。采用改裝的BOSCH GSA 18 V-LI C Professional充電式馬刀鋸為動力源，利用數顯智能PWM直流電機調速器HY-SXZN-20A控制該裝置，裝置的振動頭自制，其上振動桿材料為尼龍棒PA66，振動桿直徑為6、8、10mm，經由上海衡翼精密儀器有限公司型號為HY-0230的萬能試驗機測試其材料力學性能，如圖2所示。工作時，改裝的BOSCH GSA 18 V-LI C Professional充電式馬刀鋸提供動力，通過連接件在數顯智能PWM直流電機調速器HY-SXZN-20A控制下驅動振動頭做往復直線運動；將枸杞樹枝插入振動頭中，樹枝受到強迫振動后，枸杞果產生慣性力，當慣性力大于枸杞果與樹枝的結合力時，枸杞果與樹枝分離，實現枸杞機械化采收。

1.振動頭 2.連接件 3.機架 4.控制器

(a) 振動桿軸向力學圖

(b) 振動桿徑向力學圖

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗指標

便攜式枸杞振動采收裝置主要用途是將熟果盡快從果梗上脫離，同時保證其盡可能完好。本次枸杞振動采收試驗以考察枸杞子的綜合采收效果為主要目的，采收過程中熟果采收率直接影響采收效果，同時采收過程中對青果的錯采和熟果的損壞會直接影響到枸杞總產量及經濟效益，因此選取熟果采收率y1、青果錯采率y2與熟果破損率y3作為本次枸杞振動采收試驗的3個性能指標，其計算公式為

式中n1—已采枸杞熟果數量(個)；

n2—漏采枸杞熟果數量(個)；

n3—已采青果數量(個)；

n4—未采青果數量(個)；

n5—已采熟果破損數量(個)。

1.2.2 試驗設計

試驗時間為2017年9月26日，試驗地點為寧夏回族自治區中衛市中寧縣(7°32'48.2"N 105°40'25.9"E)。通過查閱文獻資料以及實地考察研究，確定了影響便攜式枸杞振動采收裝置綜合采收效果的主要影響因素有振動頻率、振動時間及振動桿直徑等。由前期單因素試驗所得數據并通過查閱相關的國內外參考文獻，結合多次預實驗并對其實驗數據進行分析處理后，確定各主要影響因素取值范圍為：振動頻率8～12Hz，振動時間5～15s，振動桿直徑6～10mm。振動頻率通過數顯智能PWM直流電機調速器HY-SXZN-20A控制，振動時間通過秒表計時，振動桿直徑通過更換振動頭改變。

試驗采用三因素三水平二次正交旋轉組合試驗，試驗因素的水平編碼表如表1所示，試驗方案及結果如表2所示。共進行17組試驗，每組試驗進行5次，取5次試驗結果的平均值作為該組試驗結果。試驗方案設計及結果分析應用Design-Expert Version 8.0.6軟件完成。

2 結果與分析

2.1 試驗結果回歸分析

2.1.1 熟果采收率回歸分析

經過Design-Expert Version 8.0.6軟件分析，得到以熟果采收率為響應函數、以各影響因素水平編碼值為自變量的回歸數學模型為

y1=91.46+2.95x1+1.66x2-0.18x3+0.77x1x2+

0.053x1x3+0.41x2x3+2.43x12+0.063x22-0.83x32

(1)

其中，x1、x2、x3為各影響因素水平編碼值。

表1 因素水平編碼表

表2 試驗方案及結果

對熟果采收率進行方差分析，如表3所示。結果顯示：熟果采收率回歸模型p=0.008 1<0.05，說明該模型具有統計學意義，因子x1、x2、x12在p<0.05時顯著，其他因子不顯著；失擬項p=0.403 8>0.05，說明方程擬合得好，無失擬因素存在。該方程具有實際意義，可用該回歸方程代替試驗真實點對其進行分析。

表3 熟果采收率方差分析

2.1.2 青果錯采率回歸分析

經過Design-Expert Version 8.0.6軟件分析，得到以青果錯采率為響應函數、以各影響因素水平編碼值為自變量的回歸數學模型為

y2=7.10+1.97x1+1.66x2+0.75x3+0.055x1x2+0.21x1x3+
0.16x2x3+0.34x12-0.37x22-0.059x32

(2)

其中，x1、x2、x3為各影響因素水平編碼值。

對青果錯采率進行方差分析，如表4所示。

表4 青果錯采率方差分析

續表4

結果顯示：青果錯采率回歸模型p=0.011 5<0.05，這說明該模型具有統計學意義，因子x1、x2在p<0.05時顯著，其他因子不顯著。失擬項p=0.396 8>0.05，這說明方程擬合得好，無失擬因素存在。該方程具有實際意義，可用該回歸方程代替試驗真實點對其進行分析。

2.1.3 熟果破損率回歸分析

經過Design-Expert Version 8.0.6軟件分析，得到以熟果破損率為響應函數、以各影響因素水平編碼值為自變量的回歸數學模型為

y3=7.58+1.99x1+0.18x2+0.045x3+0.55x1x2-
0.095x1x3-0.18x2x3+0.16x12-0.66x22-0.11x32

(3)

其中，x1、x2、x3為各影響因素水平編碼值。

對熟果破損率進行方差分析，如表5所示。結果顯示：熟果破損率回歸模型p=0.000 9<0.05，這說明該模型具有統計學意義，因子x1、x22在p<0.05時顯著，其他因子不顯著。失擬項p=0.322 5>0.05，這說明方程擬合得好，無失擬因素存在。該方程具有實際意義，可用該回歸方程代替試驗真實點對其進行分析。

表5 熟果破損率方差分析

續表5

2.2 試驗結果響應曲面分析

2.2.1 各因素對熟果采收率響應曲面分析

應用響應曲面法分析各因素對熟果采收率的影響，作出熟果采收率回歸方程的響應曲面如圖3所示。由式(1)和表3可知：在各因素中，振動頻率x1對熟果采收率影響最大，其次是振動時間x2，最小是振動桿直徑x3，各因素交互作用影響不顯著。如圖3(a)所示：振動頻率對枸杞子采收時的慣性力影響較大，枸杞鮮果的慣性力越大，其采收率越高；但是在較低振動頻率段，隨著振動頻率的增加，熟果采收率卻緩慢減少，說明振動時間太短導致采收裝置未充分發揮作用，當達到中高振動頻率段，隨著振動頻率的增加，熟果采收率顯著增加。

(a) 振動頻率和振動時間對熟果采收率的影響

(b) 振動頻率和振動桿直徑對熟果采收率的影響

(c) 振動時間和振動桿直徑對熟果采收率的影響

如圖3(b)所示：振動桿直徑對熟果采收率影響較小，隨著振動桿直徑的增加，熟果采收率緩慢增加，達到某一值時，振動桿直徑再增加，熟果采收率將會緩慢減小，說明振動桿直徑的過大會導致能量損失較大，振動效果變差。如圖3(c)所示：振動時間對熟果采收率的影響較平穩，隨著振動時間的增加，熟果采收率會平穩增加。

2.2.2 各因素對青果錯采率響應曲面分析

應用響應曲面法分析各因素對青果錯采率的影響，作出青果錯采率回歸方程的響應曲面如圖4所示。由式(2)和表4可知：在各因素中，振動頻率x1對青果錯采率影響最大，其次是振動時間x2，最小是振動桿直徑x3，各因素交互作用影響不顯著。如圖4(a)所示：隨著振動頻率的增加，青果錯采率平穩增加，說明振動頻率的增加導致枸杞青果的慣性力逐步加大，至其超過與果梗的結合力時，青果便會與果梗分離。如圖4(b)所示：隨著振動桿直徑的增加，青果錯采率幾乎不變，說明振動桿直徑對青果的錯采并無較大影響，后期改進二代機時可以忽略振動桿直徑對青果錯采的影響。如圖4(c)所示：隨著振動時間的增加，青果錯采率會從加速增加階段轉為緩慢增加階段，說明當到達某一臨界條件時，作用時間并不是最關鍵因素。

(a) 振動頻率和振動時間對青果錯采率的影響

(b) 振動頻率和振動桿直徑對青果錯采率的影響

(c) 振動時間和振動桿直徑對青果錯采率的影響

2.2.3 各因素對熟果破損率響應曲面分析

應用響應曲面法分析各因素對熟果破損率的影響，作出熟果破損率回歸方程的響應曲面，如圖5所示。

(a) 振動頻率和振動時間對熟果破損率的影響

(b) 振動頻率和振動桿直徑對熟果破損率的影響

(c) 振動時間和振動桿直徑對熟果破損率的影響

由式(3)和表5可知：在各因素中，振動頻率x1對熟果破損率影響最大，其次是振動時間x2，最小是振動桿直徑x3，各因素交互作用影響不顯著。如圖5(a)所示：隨著振動頻率的增加，熟果破損率也逐步增加，說明振動頻率對于熟果破損率的影響是顯著的。如圖5(b)所示：隨著振動桿直徑的增加，熟果破損率幾乎不變，說明振動桿直徑對熟果的損壞并無較大影響，后期改進二代機時可以忽略振動桿直徑對熟果損壞的影響。如圖5(c)所示：隨著振動時間的增加，熟果破損率會從加速增加階段轉為緩慢減少階段，說明采摘剛剛開始時振動作用時間增加會促使振刷的熟果增多，相應的損壞概率也會變大，當達到某一值時，振動作用時間已基本滿足熟果采摘要求，熟果破損率將會緩慢減少。

3 驗證試驗

在滿足熟果采收率大于85%、青果錯采率與熟果破損率小于10%的要求下，采用Design-Expert Version 8.0.6軟件獲得最佳參數組合為振動頻率8Hz、振動時間15s、振動桿直徑8.3mm。驗證試驗在2017年9月29日完成，依然采用上述材料與設備。為消除驗證試驗中的隨機誤差，重復進行15次試驗。試驗中熟果采收率最大值95.13%，最小值為88.55%，平均值為90.13%；青果錯采率最大值為4.85%，最小值為3.38%，平均值為4.11%；熟果破損率最大值為6.72%，最小值為3.89%，平均值為5.33%。通過驗證試驗表明上述3個影響因素的最佳參數組合完全滿足枸杞子的綜合采收效果要求。

4 結論

1)介紹了便攜式枸杞振動采收裝置結構與工作原理，使用萬能試驗機測試振動頭的振動桿材料的力學性能。

2) 采用三因素三水平二次正交旋轉組合試驗，建立熟果采收率、青果錯采率、熟果破損率與振動頻率、振動時間、振動桿直徑三因素之間的數學模型；應用響應曲面法分析了各影響因素對熟果采收率、青果錯采率、熟果破損率的影響，確定了各影響因素的最佳參數組合為振動頻率8Hz、振動時間15s、振動桿直徑8.3mm。試驗表明：此組合完全滿足熟果采收率大于85%、青果錯采率與熟果破損率小于10%的要求。