青花椒采收機環(huán)切式穗枝分離裝置設計與試驗

邵偉興，王圓明，吳 瑜，宋樹民，龐有倫，李 英

(重慶市農(nóng)業(yè)科學院，重慶 401329)

0 引言

花椒作為一種經(jīng)濟作物，常種植在山坡和丘陵地區(qū)，因樹枝伸展長，具皮刺，果實小，采摘困難。研究人員對花椒種植及采摘現(xiàn)狀已進行了許多研究[1-7]。目前主要有化學藥劑噴灑、負壓采收、手持式采摘機和先剪枝后采摘等采收方法[8-13]。化學藥劑噴灑法是將化學藥劑噴灑于果實上，使果實與樹枝在2 d內(nèi)發(fā)生分離，然后人工撿拾果實。此方法的主要優(yōu)點是高效方便且避免了花椒皮刺扎手等難題，缺點是撿拾工作量過大，遇上雨天未撿果易生霉，化學殘留嚴重影響產(chǎn)品品質(zhì)。負壓虹吸法只適用于較平坦的大型園林，能將產(chǎn)生較強負壓的大型動力機械用農(nóng)用車開進林區(qū)，利用吸管對準成熟果枝，將果實吸入儲果箱。其優(yōu)點是效率高，但同時會將花芽及嫩葉吸掉，影響來年產(chǎn)果量，耗能較大，花椒油包易破損，不適用于大部分丘陵、山坡和河灘地區(qū)。先剪枝后采摘方式是先對花椒樹進行修枝，然后在樹下、場壩進行采摘，相比樹上直接采摘已進步較多，不僅提高效率也降低了成本。但是這種花椒采摘方式依然耗費大量的人力物力，機械化程度低、效率不高，且采摘人員手臂易受傷。因此，青花椒的高效、低損失的機械化采收仍是亟待解決的一個技術難題。國外學者對咖啡豆物理學和生物學特性與其分離力之間的關系進行了研究，對花椒與枝條分離方法有一定參考意義[14]。

本文設計了一種環(huán)切式穗枝分離裝置，用于花椒的采收，通過單因素和二次正交旋轉組合試驗對試驗因素進行分析優(yōu)化，并通過樣機田間試驗驗證其作業(yè)性能。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

青花椒采收機主要由外殼、機架、發(fā)動機、傳動組件、穗枝分離裝置和枝條粉碎裝置組成，整機結構如圖1所示。

外殼為鈑金折彎焊接件，通過螺釘安裝在機架上。傳動組件由蝸輪蝸桿減速器、膠帶傳動、鏈傳動和錐齒輪傳動構成。穗枝分離裝置(圖2)由雙T型帶座軸承、環(huán)形刀和兩組相同的齒輪副和軸承座組成，下齒輪副可通過壓縮彈簧調(diào)節(jié)軸線高度。碎枝組件由兩組旋轉刀盤和定刀組成，由螺栓安裝在機架后方。環(huán)形刀中心線、齒輪副嚙合點和旋轉刀盤切割點安裝在同一水平線上。發(fā)動機通過螺栓安裝在機架底部，其動力通過膠帶傳輸?shù)綔p速器輸入軸、切削組件帶輪和錐齒輪副輸入軸。減速器輸出軸通過鏈傳動將動力輸送到輥壓組件齒輪副傳動軸。錐齒輪副輸出軸通過帶傳動將動力傳輸?shù)剿橹M件的旋轉刀盤軸。

圖1 青花椒采收機結構Fig.1 Structure of green pricklyash harvester

1.環(huán)切刀 2.輥壓齒輪 3.彈簧 4.軸承座圖2 穗枝分離裝置結構Fig.2 Structure of spike branch separation unit

1.2 工作原理

環(huán)切式穗枝分離裝置是青花椒采收機最重要的結構部分，枝條下樁后，由環(huán)切刀口喂入，環(huán)切刀高速旋轉時產(chǎn)生的切削作用，將花椒穗從枝條上切割下來，實現(xiàn)花椒穗和枝條分離，同時輥壓齒輪副將枝條咬住，并向后方輸送。旋轉刀盤高速旋轉產(chǎn)生的慣性砍切作用將枝條進行粉碎。兩組喂入口由兩個不同尺寸的環(huán)形刀組成，以適應不同直徑的枝條。輥壓齒輪副通過鏈傳動實現(xiàn)等速相向旋轉，并都為主動輪，增強了咬合喂入效果；下齒輪軸通過壓縮彈簧調(diào)節(jié)咬合口的大小，以保證不同直徑枝條的順利進入。影響采收機效果的主要結構是環(huán)切式穗枝分離裝置。

1.3 環(huán)切刀參數(shù)設計

根據(jù)青花椒枝條直徑統(tǒng)計分析和采收實際，直徑<5 mm枝條基本為主枝側枝，可以直接進灶烘干，而直徑>20 mm枝條段多為老枝或基本無花椒果。因此，得出可采收枝條直徑分布范圍5～20 mm。基于操作方便性和制造成本考慮，環(huán)切刀設計為兩組，內(nèi)徑分別為14和20 mm。

1.4 輥壓齒輪參數(shù)設計

輥壓齒輪齒形越細、越密集，咬合枝條越平穩(wěn)有力，根據(jù)前期試驗和空間位置要求，取齒數(shù)模數(shù)3，齒數(shù)22，寬度30 mm。

2 試驗與結果分析

2.1 試驗材料

花椒采摘還受到花椒物理特性的影響，如果實成熟度、含水率和抗拉強度等，因此需要選擇合適的時機對花椒進行采收[15]。

本次試驗花椒品種為江津九葉青花椒，下樁時間為江津統(tǒng)一采摘季。隨機選取10棵樹，每棵樹分別隨機下枝10枝，取回后及時完成試驗。

2.2 試驗裝置

穗枝分離試驗裝置為花椒采收機去除枝條粉碎裝置和發(fā)動機。環(huán)切刀和輥壓齒動力分別由三相電機驅動，并配置變頻器調(diào)節(jié)轉速。使用轉速計測定終端轉速。

2.3 試驗因素

環(huán)切式穗枝分離裝置進行花椒采收工作過程中，影響其采收效果和效率的因素很多，主要包括結構參數(shù)、工作參數(shù)和花椒的物理特性。其中，結構特性主要為環(huán)切刀類型(有齒開刃型和無齒開刃型)、環(huán)切刀刃口角度和輥壓齒輪參數(shù)(模數(shù)和齒數(shù))等；工作參數(shù)主要為環(huán)切刀轉速、枝條進給速度；花椒的物理特性主要包括花椒穗柄長度、穗柄抗拉強度、枝條直徑和枝條彎曲程度等。

青花椒采摘時期比較統(tǒng)一和集中，其自身的物理特性相對穩(wěn)定，影響穗枝分離機進行花椒機械化采收效果的主要因素是機器的結構參數(shù)和工作參數(shù)[16]。前期基礎試驗表明，環(huán)切刀為無齒開刃型時，花椒穗擺動較小，對油苞損傷小，切削效果較好；碎枝旋轉刀盤可根據(jù)枝條粉碎程度要求調(diào)節(jié)轉速，不影響花椒采收效率和質(zhì)量。因此，影響花椒采收機工作效果的主要參數(shù)為環(huán)切刀刃口角度、環(huán)切刀轉速和枝條進給速度，其他影響因素可以忽略。

2.4 試驗方法

試驗目的是分析環(huán)切刀刃口角度、環(huán)切刀轉速、枝條進給速度對穗枝分離機花椒采收效果的影響，找出主控因素，進而對花椒穗枝分離機參數(shù)進行優(yōu)化。采用花椒采收效率k1(kg/h)和油苞破損率k2(%)作為評價指標，分別從花椒采收效率和油苞破損程度評價花椒穗枝分離機采收效果。計算公式分別為

(1)

(2)

式中m——花椒穗質(zhì)量，kg

t——花椒采收所用總時間，h

q1——單個花椒穗中油苞破損花椒籽粒數(shù)量

q2——單個花椒穗中總花椒籽粒數(shù)量

2.5 單因素試驗及分析

2.5.1環(huán)切刀刃口角度對采收效果的影響

環(huán)切刀刃口角度直接影響刀的鋒利程度，在環(huán)切刀切割花椒穗柄過程中，不同的刃口角度對切割效率有直接影響。鑒于環(huán)刀壁厚和材質(zhì)，選取刃口角度為10°、15°、30°、45°和60°進行單因素試驗探求其影響規(guī)律，環(huán)切刀旋轉速度和枝條進給速度分別固定在2 500 r/min和0.30 m/s。

試驗結果表明，隨著環(huán)切刀刃口角度增加，采收效率呈先增長后平穩(wěn)下降趨勢，油苞破損率無明顯變化趨勢。這是因為環(huán)切刀刃口角度很小時，刀口極度鋒利，在切割花椒穗柄同時極易切入主枝條，從而切斷主枝條，造成枝條二次喂入，使得整體采收效率低下。隨著環(huán)切刀刃口角度增大，刀口變鈍，使得切削效率下降，從而采收效率下降。

2.5.2環(huán)切刀轉速對采收效果的影響

設定環(huán)切刀刃口角度30°、枝條進給速度0.45 m/s。根據(jù)油機額定轉速(3 600 r/min)和經(jīng)濟性傳動比設計，環(huán)切刀轉速在1 500～4 500 r/min范圍內(nèi)設計，可間隔500 r/min選取7個水平進行單因素試驗。

試驗結果表明，隨著環(huán)切刀轉速增加，采收效率呈先增大后平穩(wěn)變化的趨勢，油苞破損率呈先減小后平穩(wěn)的趨勢。這是因為，環(huán)切刀轉速表征環(huán)切刀對花椒穗柄切割快慢的程度，當環(huán)切刀以較低的轉速切削穗柄時，由于枝條的持續(xù)進給，穗柄來不及被切斷就會通過切割位置，部分花椒穗被帶入環(huán)切刀內(nèi)部而無法與枝條分離，從而影響花椒穗凈采收量。被切割分離的部分花椒穗和花椒果由于相互擠壓碰撞，油苞破損率會增加。隨著環(huán)切刀轉速的增加上述現(xiàn)象會逐漸消失。

2.5.3枝條進給速度對采收效果的影響

設定環(huán)切刀刃口角度30°、環(huán)切刀轉速3 000 r/min，枝條進給速度為0.1～1.0 m/s范圍內(nèi)等間隔選取。

試驗結果表明，花椒采收效率隨著枝條進給速度的增加呈先增大后平穩(wěn)變化趨勢，油苞破損率隨著枝條進給速度的增加，呈先小幅增大后趨于穩(wěn)定，最后急劇增大的趨勢。這是因為，增加枝條進給速度，單位時間內(nèi)切割的花椒穗增多，但枝條進給速度增加到一定程度后，由于環(huán)切刀轉速沒有相應增加，部分穗柄來不及切割，相互碰撞擠壓，造成采收效率的損失和油苞破損現(xiàn)象。兩者因素相抵消，故而造成采收效率先增大后平穩(wěn)變化趨勢。

2.6 多因素試驗

2.6.1多因素試驗設計

為優(yōu)化穗枝分離機的結構和工作參數(shù)，采用Design-Expert軟件中的二次正交旋轉組合試驗設計方法進行試驗。每個因素水平變化范圍，可根據(jù)前期大量的單因素試驗確定，以采收效率和油苞破損率作為評價指標。

試驗設計的因素水平如表1所示，每組試驗重復5次，取平均值作為試驗結果。試驗方案與結果如表2所示。

表1 試驗因素編碼

表2 試驗方案與結果

2.6.2試驗結果分析

通過Design-Expert軟件對表2的數(shù)據(jù)進行多元線性回歸擬合，得到花椒采收效率和油苞破損率的回歸方程，并進行顯著性檢驗。

(1)花椒采收效率回歸模型與響應曲面分析。

對采收效率進行方差分析，試驗模型顯著，說明所得的回歸數(shù)學模型擬合精度較高。通過比較p值判斷模型中各個因素的顯著程度，模型中因素B為極顯著項(p<0.000 1)，各因素對花椒采收效率的影響程度為B>A>C。

將不顯著項剔除，得到各因素對花椒采收效率的回歸方程為

k1=48.21+1.42A+8.92B-0.94C

(3)

分析因素A和B對花椒采收效率的影響程度，如圖3a所示，當環(huán)切刀刃口角度30°時，環(huán)切刀轉速一定的情況下，隨著枝條進給速度的增加，花椒采收效率迅速提高，這是因為隨著枝條進給速度增加，花椒穗喂入量增大，單位時間被切割下的花椒穗增加。在枝條進給速度一定的情況下，隨著環(huán)切刀轉速的增加，花椒采收效率并無明顯增加，這是因為雖然環(huán)切刀轉速的增加，但枝條喂入量并未相應增加，只使得花椒穗瞬時快速切割，平均單位時間內(nèi)花椒穗切割量并未增加。

(2)花椒油苞破損率回歸模型與響應曲面分析。

對油苞破損率進行方差分析，試驗模型顯著(p<0.000 1)，說明所得的回歸數(shù)學模型擬合精度較高，方差分析如表3所示。通過比較p值，判斷模型中各個因素的顯著程度，模型中因素B、AB為極顯著項(p<0.000 1)，各因素對花椒油苞破損率的影響程度為B>A>C。

將不顯著項剔除，得到各因素對花椒油苞破損率的回歸方程為

k2=6.22-1.46A+2.48B+0.69C-2.44AB-0.55AC-0.075BC+2.85A2+1.61B2+0.48C2

(4)

表3 方差分析

因交互項AB對花椒油苞破損率的影響顯著，取交互項AB對花椒油苞破損率進行分析。如圖3b所示，當環(huán)切刀刃口角度30°時，環(huán)切刀轉速為2 500～3 000 r/min時，隨著枝條進給速度的增加，花椒油苞破損率先緩慢增加后急劇增加，這是因為增加枝條進給速度，單位時間內(nèi)切割的花椒穗增多，由于環(huán)切刀沒有達到與之匹配的切割速度，部分花椒穗柄來不及被切割，或切割后來不及下落，從而導致花椒籽粒相互碰撞擠壓，油苞破損增多。在枝條進給速度<0.4 m/s時，花椒油苞破損率隨環(huán)切刀轉速增加先小幅減小后趨于平穩(wěn)最后小幅增加，在枝條進給速度>0.4 m/s時，花椒油苞破損率隨環(huán)切刀轉速增加平穩(wěn)減小。這是因為枝條進給速度較低時，環(huán)切刀切割速度增加過程中，有一個速度區(qū)間與枝條進給速度相匹配，從而油苞破損率有一個小幅減小后趨于平穩(wěn)的過程；當環(huán)切刀切割速度增加到一定值后，花椒穗柄被急速切割，出現(xiàn)甩動現(xiàn)象，從而花椒油苞會出現(xiàn)少量破損現(xiàn)象。

2.7 參數(shù)優(yōu)化與樣機驗證試驗

2.7.1參數(shù)優(yōu)化

為獲得青花椒穗枝分離機各工作參數(shù)較優(yōu)的參數(shù)組合，根據(jù)采收效率和破損率要求和實際作業(yè)條件選定優(yōu)化約束條件，利用Design-Expert軟件的多目標優(yōu)化算法進行參數(shù)優(yōu)化，目標及約束條件為

(5)

優(yōu)化結果：當環(huán)切刀轉速2 880 r/min，枝條進給速度0.48 m/s，環(huán)切刀刃口角度28°時，花椒采收效率50 kg/h，油苞破損率6.0%。

2.7.2樣機采收試驗

考慮到動力源額定轉速、帶輪和減速器傳動比和輥壓齒輪尺寸，實際樣機測得環(huán)切刀轉速2 800 r/min，枝條進給速度0.45 m/s，環(huán)刀根據(jù)材料和加工經(jīng)濟性設計為刃口角度25°。為驗證實驗室試驗的準確性，2020年6月在重慶江津區(qū)刁家進行現(xiàn)場采收試驗。試驗現(xiàn)場及花椒采收效果如圖4所示。取兩臺樣機在同一花椒園進行采收作業(yè)，每隔30 min取樣1次，共計取樣5次，根據(jù)實驗室試驗方案計算樣機的采收效率和油苞破損率，并計算其平均值。試驗結果如表4所示。

表4 試驗結果

由表4可知，青花椒穗枝分離機的采收效率和油苞破損率與優(yōu)化結果基本一致，樣機工作參數(shù)得到了試驗驗證。

3 結論

(1)基于青花椒采收特性，提出一種穗枝分離式采收裝置，該裝置具有較高的采收效率和較低的油苞破損率。

(2)隨著枝條進給速度的增加，花椒采收效率迅速提高，花椒油苞破損率先緩慢增加后急劇增加。隨著環(huán)切刀轉速的增加，花椒采收效率并無明顯增加。在枝條進給速度<0.4 m/s時，花椒油苞破損率隨環(huán)切刀轉速增加先小幅減小后趨于平穩(wěn)最后小幅增加。在枝條進給速度>0.4 m/s時，花椒油苞破損率隨環(huán)切刀轉速增加平穩(wěn)減小。

(3)通過多因素試驗得出各因素對花椒采收效率和油苞破損率的影響程度為枝條進給速>環(huán)切刀轉速>環(huán)切刀刃口角度。

(4)通過優(yōu)化分析和樣機設計，得出最優(yōu)工作參數(shù)組合：環(huán)切刀轉速2 800 r/min，枝條進給速度0.45 m/s、環(huán)切刀刃口角度25°。樣機采收作業(yè)試驗表明，樣機的花椒采收效率和油苞破損率分別為50.7 kg/h和6.7%。樣機采收作業(yè)試驗驗證了樣機設計和臺架試驗的正確性。