梳齒往復式杭白菊采摘裝置設計與試驗

王榮炎 鄭志安 鹿秀風 崔寶聰 高 磊

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.中國農業大學中國農業機械化發展研究中心， 北京 100083；3.山東理工職業學院， 濟寧 272000)

0 引言

杭白菊種植模式分為條栽和叢栽，采摘期為10月下旬至11月下旬。杭白菊頂層花與底層花的距離較大，花朵呈自上而下立體式排列，導致采摘條件復雜，杭白菊采摘時要求采后花朵上不帶花柄，所以目前為人工分期采摘。杭白菊原產自浙江省桐鄉市，2017年，桐鄉市杭白菊種植面積達3 200 hm2，約占全國杭白菊總量的25%。隨著杭白菊種植面積逐漸增大，勞動力供不應求，采摘成為制約杭白菊產業持續發展的瓶頸[1-2]。

近年來，一些科研機構對菊花采摘機械進行了研究。德國萊布尼茲研究所研制的洋甘菊采摘機[3]，利用梳齒與刀具相結合的采摘部件，將花朵采摘后，通過氣吸裝置輸送至收集箱，利用液壓系統調節采摘部件工作高度并完成菊花的裝卸，其采摘效率高，但采摘的花朵上帶有過長花柄，需進一步加工處理；WILLOUGHBY等[4]設計的菊花采摘機，利用曲柄連桿連接兩個不同直徑的偏心輪，其中設置在外輪上的梳刀組合進行菊花的采摘，輥刷將菊花掃落到傳送帶上，運送至盛花容器內，該采摘形式較為新穎，但花朵采摘率偏低，僅為75%，梳刀組合缺少控制系統，導致切斷位置不統一，所帶花柄過多；SEYED等[5]研制了一種梳脫菊花的試驗臺，當沿花柄方向梳脫菊花，梳齒滾軸轉速為500 r/min、對輥軸距為5 mm時，可梳落92%以上的花朵，該試驗臺驗證了梳齒式梳脫菊花的可行性，為菊花采摘方式提供了參考，由于試驗臺是在理想狀態下進行試驗，與采摘機實際采收作業存在較大差異；姬長英等[1]設計的手推式杭白菊梳齒采花機，利用安裝在鏈條上的多排梳齒完成杭白菊的采摘和運輸，達到了良好的采摘效果，但是機器的通過性較差；成崗等[6]發明了一種菊花采摘裝置，通過轉動的采摘板將菊花摘下，利用輸送帶將菊花送至后方的收集箱，結構簡單、成本低、采摘效率高；姬長英等[7]設計的梳割氣吸一體式貢菊采摘試驗樣機，采用梳割單元將菊花脫落，通過背負式氣吸裝置進行菊花收集，但采摘單元的工作范圍較小，不能實現整株大部分菊花的采摘，機器通過性有待改善。

綜上可知，國外菊花收獲機械作業完成后，采后花朵上帶有過長花柄，需將含莖、葉和花等收獲后的物料進行清選分離[8-10]，不適用于我國杭白菊的采摘要求和加工方式。我國杭白菊機械化采摘的研究成果大多停留在專利技術和樣機試制階段。因此，需增大對杭白菊采收機械的研究力度。

本文設計一種梳齒往復式杭白菊采摘裝置，通過梳齒將菊花花朵梳落，利用曲柄搖桿機構的急回特性將梳落的花朵送至后方收集盒，輥刷將殘留在梳齒間的花朵掃落，采摘單元連續運轉完成杭白菊的采收作業，通過大量田間試驗，獲得采摘裝置的最優工作參數，為杭白菊采摘機械化發展提供參考。

1 采摘裝置結構與工作原理

1.1 設計要求

采摘裝置主要是以合適的速度和采摘軌跡實現杭白菊的采摘，其設計要求如下：①所設計的采摘裝置能夠保證在合適作業速度下采摘時運行穩定；降低外界環境、機器振動等因素對采摘的影響。②采摘裝置的采摘軌跡包絡杭白菊花朵的高度差，能夠適用于不同植株高度的采摘作業。③所設計的采摘裝置具有較好的通過性，不會對杭白菊植株造成碾壓傷害。

1.2 采摘裝置結構

梳齒往復式杭白菊采摘裝置由支架、機架側板、直流減速電機、鏈傳動機構、主動軸、從動軸、行走單元、收集盒和采摘單元組成(圖1)。其中，采用了電壓為24 V，功率為300 W，RV40系列的直流減速電機，減速比為30，輸出轉速范圍為0～70 r/min，輸出力矩為26.2 N·m。采用型號為JS-30AB 24V PWM的無級調速控制器調節電機轉速。采摘單元主要由輥刷和一組偏置曲柄連桿機構組成，曲柄連桿機構是采摘單元的關鍵工作部件，主要由曲柄、連桿、滑塊、滑軌、梳齒安裝架和采摘梳齒組成。其中，滑軌為圓柱光軸直線軸承全套滑軌，采用SBR鋁托，導軌直徑16 mm，長500 mm。主動件曲柄作等速轉動，從動件滑塊作變速往復運動，連桿作平面復合運動，曲柄連桿機構帶動采摘梳齒往復運動，利用曲柄連桿具有的急回特性[11]，實現杭白菊的采摘與收集。曲柄安裝在主動軸上，連桿兩端分別采用軸承與曲柄和滑塊鉸接，滑塊與滑軌配合，沿滑軌做往復直線運動，采用螺栓將滑軌固定在機架兩側板上，滑軌安裝高度可調，用于改變曲柄連桿的行程；梳齒安裝架與左右兩連桿采用螺栓固定，連桿上有多個通孔，可調整梳齒安裝架的固定角度；采摘梳齒與梳齒安裝板同樣采用螺栓固定，方便更換不同齒距的采摘梳齒；機架右側安裝有功率為300 W的直流減速電機，通過無級調速控制器，調節梳齒采摘速度和輥刷轉速，可根據實際采摘需要更換輥刷處的鏈輪，調節傳動比；行走單元由4個萬向輪組成；收集盒采用螺栓固定在機架內側。

圖1 裝置結構圖Fig.1 Device structure diagram1.行走輪 2.支架 3.扶手 4.收集盒 5.機架側板 6.滑軌 7.輥刷 8.采摘梳齒 9.鏈傳動機構 10.300 W直流減速電機 11.滑塊 12.連桿 13.從動軸 14.曲柄 15.主動軸 16.梳齒安裝架

1.3 工作原理

采摘梳齒是直接與杭白菊植株接觸的部件，梳齒的長度和形狀等參數對于實際采摘效果有著較大影響[1,12]，梳齒長度過長，梳齒易彎曲變形，長度過小，容易漏摘底部花朵，為提高杭白菊采摘率，在保證剛度的前提下，采摘梳齒長度取260 mm，方條形梳齒容易拉斷杭白菊枝條，采摘下的杭白菊花朵破損較多，且容易產生堵塞，圓形采花梳齒更容易插入植株枝條縫隙，采摘效果較好，并且端部為圓弧形的梳齒相較于直形梳齒，更易于將花朵向后方收集盒拋送[12-13]。工作時，手推機器勻速前進，電機開啟，通過鏈傳動將動力傳遞給主動軸，曲柄做勻速旋轉，滑塊做變速往復直線運動，連桿帶動采摘梳齒做平面復合運動。采摘梳齒運動到最低點插入杭白菊植株，并向斜上方運動采下菊花，當運動到行程的最高點時，采摘梳齒呈后傾姿態，利用曲柄連桿機構的急回特性，給采摘梳齒一個回程力，杭白菊掉落至機器后方的收集盒，同時，輥刷將梳齒上殘留的杭白菊掃入收集盒，實現菊花的連續采摘[14-16]。機架側板防止采摘下的杭白菊飛濺，根據菊花植株的生長狀況，控制手推機器的速度和采摘梳齒往復頻率。

圖2 杭白菊各部位名稱Fig.2 Names of parts of Chrysanthemum morifolium1.花朵 2.花柄 3.花托 4.主枝 5.一級分枝 6.二級分枝

2 力學參數測試

杭白菊植株各部位名稱如圖2所示。

隨機選取20株杭白菊盛開期植株，對其物理特性參數進行測量[8,14,17-18]，采用游標卡尺測量各部位直徑，采用TA.XTPlus質構儀對各部位進行拉斷測試(圖3)，每組重復5次，試驗結果如表1和表2所示。

圖3 杭白菊物理力學參數測試Fig.3 Measurement of physical and mechanical parameters of Chrysanthemum morifolium

表1 杭白菊各部位直徑Tab.1 Diameters of different parts of Chrysanthemum morifoliummm

表2 杭白菊植株拉斷力Tab.2 Breaking force of Chrysanthemum morifolium N

采摘梳齒的間距應大于花柄以及各分枝直徑，小于花托直徑[1,12]，根據表1測試結果，確定采摘梳齒間距的范圍為4.32～9.00 mm，根據表2測試結果，得出了杭白菊植株各部位的拉斷力范圍，拉斷力由大到小為主枝、一級分枝、二級分枝、花柄，且花柄處的拉斷力為2.61～5.59 N，明顯小于其它部位拉斷力，理論上采摘作業時，最先于花柄處拉斷。

3 田間試驗

3.1 試驗條件與方法

試驗地點為河南省新鄉市原陽縣現代農業研究開發基地，試驗時間為2018年12月，試驗對象為杭白菊。試驗設備包括：梳齒往復式杭白菊采摘裝置、測速器、電子秤、花朵收集袋、便攜式計算機、秒表、卡尺、扳手等。收獲裝置外形尺寸(長×寬)為1.2 m×0.6 m，采摘單元升降范圍為0.5～1 m，采摘梳齒長度為0.26 m，一排采摘梳齒寬度為0.5 m。該地杭白菊種植模式取決于采摘裝置工作幅寬，即杭白菊一壟寬度為0.5 m，杭白菊株高在0.6～0.9 m，分枝高 0.3～0.4 m，根據植株高度，調整采摘單元的高度。在裝置制作過程中，將前面兩個萬向輪改為高地隙行走輪，使機器工作時具有較好的通過性，減小了手推機器行進的難度，同時降低了對杭白菊植株造成碾壓傷害，樣機試驗如圖4所示。

圖4 收獲裝置田間試驗Fig.4 Field test of harvester

試驗時隨機選取杭白菊植株，依據試驗設計的因素水平組合進行試驗。手動勻速推動機器前進，水平移動速度為0.2 m/s。每個因素水平組合下的采摘距離為2 m，以2 m內采摘的杭白菊質量為一組數據。每進行一組試驗時，預先清理試驗區內自然落在地面上的花朵和殘葉，并調整各試驗因素水平，穩定后進行杭白菊采摘，行走2 m后關閉直流減速電機。收集采摘下的花朵、枝葉以及采下掉落地面和未進入收集盒的花朵，用電子秤分別稱量并記錄。

將采摘行程每2 m作為一組采摘數據，測得100朵杭白菊的質量為165 g，將2 m內未采摘的杭白菊數量換算成質量，杭白菊花朵總質量為已采與未采花朵的質量之和。本次試驗以采摘率、含雜率、破損率、落地率為評價指標，各指標定義[4-5]為：采摘率為已采花朵與花朵總質量的百分比；含雜率為采摘的枝葉等雜質與包括花朵在內的所有采摘的質量百分比；破損率為破損的花朵質量與已采的花朵的百分比；落地率為采摘過程中未進入收集盒的花朵質量與已采花朵質量的百分比。

3.2 單因素試驗與分析

根據梳齒往復式杭白菊采摘裝置的采摘原理和結構特點，確定有4個因素可能影響實際采摘效果，分別是梳齒往復頻率(往復頻率)、梳齒間距、梳齒工作深度以及梳齒工作角度。每個因素取4水平(表3)，以15 s內杭白菊脫落的數量為評價指標，分別進行單因素試驗，從而分析各因素對采摘效果的影響程度。試驗結果如圖5所示。

表3 單因素試驗因素水平Tab.3 Factors and levels of simulation tests

圖5 單因素試驗結果Fig.5 Single factor test results

由圖5分析可得，在所選水平范圍內，隨著往復頻率和梳齒間距的增大，杭白菊脫落數量均呈先上升后下降的趨勢；其中，當往復頻率為30 r/min時，花朵采摘率為77.7%，當往復頻率為60 r/min時，采摘率為72.8%；采花梳齒間距為4 mm時，杭白菊花朵采摘率為72.64%，采花梳齒間距為9.5 mm時，杭白菊花朵采摘率為77.07%，過小會導致堵塞，梳齒間距過大會導致漏摘；梳齒工作深度小于100 mm時，杭白菊花朵采摘率較小，僅為73.08%，采摘率隨著梳齒工作深度的增加而增加，但梳齒過長，強度不夠；梳齒工作角度的改變對采摘效果無明顯影響。最終確定往復頻率、梳齒間距和工作深度為影響杭白菊采摘效果的主要因素。

3.3 試驗因素和水平

往復頻率、梳齒間距和梳齒工作深度分別取3個水平，因素水平如表4所示。

表4 田間試驗因素水平Tab.4 Factors and levels of field tests

3.4 正交試驗

試驗考慮了任意2個因素之間的交互作用[19]，選用L27(313)表進行正交試驗，試驗組數N=27，每組試驗重復3次，取3次的平均值作為該組的試驗結果，得出每組的采摘率ηc、含雜率ηz、破損率ηp、落地損失率ηl等指標。試驗方案與結果如表5所示，試驗結果的直觀分析如表6所示，各指標的因素交互作用如表7所示，利用軟件Design-Expert 8.0.6 對試驗結果進行方差分析，結果如表8所示。

表5 試驗方案與結果Tab.5 Plan and result of test

3.5 試驗結果分析與討論

3.5.1結果分析

對試驗方案中4個評價指標進行逐一分析，對于杭白菊采摘率這一指標，由表8可知，往復頻率A、梳齒工作深度C為顯著性因素，往復頻率與梳齒工作深度的交互作用AC、梳齒間距與梳齒工作深度的交互作用BC為顯著性交互作用。顯著性大小為A、C、AC、BC。顯著性因素的最優水平可通過比較3個水平下的數據均值獲得，對于顯著的交互作用的最優組合，先計算兩因素所有水平組合的均值，再通過比較獲得最優的水平組合，根據顯著性大小來依次確定各因素的水平。由表6的直觀分析可知，因素A的最優水平為2，因素C的最優水平為2。根據表7可知，當C取2，B取1時，均值最大。綜上可知，最佳因素水平組合為A2B1C2，此時采摘率為92.47%，但含雜率較高，為11.07%。

對于含雜率這一指標，由表8可知，梳齒工作深度C為唯一的顯著性因素。由表6的直觀分析可知，因素C的最優水平為1，在因素C為1的前提下，根據表7、8得最佳因素組合為A1B3C1，此時含雜率為7.69%，但采摘率僅為78.82%，落地損失率達到最高值14.49%。

對于破損率這一指標，由表8可知，梳齒工作深度C、往復頻率A為顯著性因素。顯著性大小為C、A。由表6的直觀分析可知，因素C和因素A的最優水平均為2，在此前提下，根據表7、8得最佳因素組合為A2B1C2，此時杭白菊破損率為0，達到該指標的理想狀態，但杭白菊采摘率較低，為85.83%，含雜率較高，為11.14%。

表6 各指標直觀分析Tab.6 Intuitive analysis of each index %

對于落地損失率這一指標，由表8可知，往復頻率與梳齒工作深度的交互作用AC為顯著性交互作用，往復頻率A、梳齒間距B和梳齒工作深度C均為顯著性因素。顯著性大小為AC、C、A、B。由表6的直觀分析可知，因素A和因素C的最優水平均為3，因素B的最優水平為1。綜上可知，最佳因素水平組合為A3B1C3，此時落地損失率為1.50%，但采摘率較低，為84.42%，含雜率達到最高值，為19.05%，破損率為6.06%。

結合杭白菊的實際采摘要求，需要綜合考慮杭白菊采摘各項指標：優先保證高采摘率的前提下，使杭白菊含雜率、破損率以及落地損失率盡可能低，由此確定3個因素的最優水平組合為A2B1C2。在此因素水平組合下，杭白菊的采摘率為92.47%，含雜率為11.07%，破損率為1.48%，落地損失率為1.41%。

3.5.2討論

通過實地試驗，驗證了梳齒往復式杭白菊采摘裝置能夠達到良好的采摘效果，獲得了該裝置的最佳工作參數，但是采摘裝置需要人工手推前進，不僅費力而且前進速度易受人為因素的影響，統計試驗數據時，只記錄了位于采摘單元運動范圍內的花朵采摘情況，試驗誤差不可避免，所以需要對采摘裝置添加自動控制機器行進的模塊，對杭白菊合理密植，使花朵分布位置盡量一致，便于機械采摘，并且保證采摘裝置的工作幅寬與杭白菊種植畦寬一致，做到農機農藝相互融合，以實現杭白菊機械化采摘，提高整體經濟效益。

表7 各指標的因素交互作用Tab.7 Interaction of indicators of factors %

表8 各指標方差分析Tab.8 Variance analysis for each index

注：顯著性水平α=0.05。

4 結論

(1)設計了一種梳齒往復式杭白菊采摘裝置，采摘單元由輥刷和一組偏置曲柄連桿機構組成，利用梳齒的梳脫、輥刷的清掃和曲柄搖桿機構的急回特性，實現杭白菊的采收作業，搭建了采摘裝置樣機，機器運行穩定，適用于不同植株高度的采摘作業，機器通過性良好，基本滿足設計要求。

(2)為得到該裝置的最佳工作參數，在田間分別進行了單因素和正交試驗，試驗結果表明：在往復頻率40 r/min、梳齒間距6.5 mm和梳齒工作深度200 mm的參數組合下，杭白菊的采摘率為92.47%，含雜率為11.07%，破損率為1.48%，落地損失率為1.41%，采摘效果最佳。