梳脫式鈣果采收試驗臺設計與優化

劉少華，賀俊林，吳 楠，何永強，易 猛，杜俊杰

(1.山西農業大學工學院，山西 太谷030801； 2.山西農業大學園藝學院，山西 太谷030801)

0 引言

鈣果，又被稱為歐李，屬薔薇科灌木果樹[1]。鈣果雖然樹體矮小，但是其營養含量非常高，而因其鈣元素的含量為60 mg100 g，跟其他果實相比尤為突出，由此而得名[2]。

鈣果植株本身矮小，果實成熟后倒伏嚴重，且果實成熟后質軟、易破損，導致其收獲方面還是采用最原始的人力收獲，勞動量大，效率低。同時鈣果是我國新型產品，國外并沒有相關研究。目前國內學者劉海峰等[2-3]運用三維設計軟件對鈣果采摘裝置進行了三維設計；張偉等[4]設計了間歇性梳齒部件采收機構；孫志濱等[5-6]設計了摘果輥采摘的鈣果枝條喂入裝置；亢石磊等[7]通過仿真分析研究了不同梳齒形狀在采摘時對鈣果的受力情況；何永強等[8-9]以仰角、偏角、扶禾速比和撥指間距為影響因素，采凈率、破損率為評價指標進行試驗，研究設計了撥指式鈣果扶禾試驗臺和連續性梳齒式采摘試驗臺。

研究發現，鈣果在被梳脫之后具有不定向掉落的現象，這不利于鈣果的田間收集。為了解決這一問題，以電機轉速、梳齒彎曲角度、梳齒排布弧度直徑和梳齒材質為影響因素，以采收率為評價指標進行試驗研究。

1 試驗臺設計

1.1梳脫采收鈣果原理

試驗對象為農大4號鈣果，果實直徑12～20 mm，鈣果枝條直徑3～8 mm，梳齒間距為12 mm。工作時枝條可以穿過梳齒間隙，而果實無法穿過梳齒間隙，當梳齒與果實之間的碰撞力大于果實與果柄之間的連接力時，果實就會被梳脫下來。鈣果梳脫原理如圖1所示。

1.2結構設計

參考現有研究，再結合鈣果物料特性和田間生長環境，設計了如圖2所示的梳脫式鈣果采收試驗臺[10-15]。試驗臺主要由機架、轉動圓盤、傳動軸、梳齒、梳齒載體板、擋板和集果箱組成。梳脫試驗臺為連續性工作試驗臺，梳齒部件可拆卸更換，試驗臺由三相可調速電機YCT160-4A為傳動軸提供周轉動力，傳動軸再帶動梳齒部件做周轉運動。在梳脫作業時，枝條可以穿過梳齒間隙，而果實被梳齒阻擋，隨著梳齒部件不斷周轉運動，果實最終被梳脫下來，梳脫下來的果實在慣性、梳齒的回撥及擋板的共同作用下，最后落入試驗臺后方的集果箱中，從而完成采收過程。

1.3鈣果掉落軌跡與梳齒參數優化

鈣果梳脫過程中梳齒與果實發生碰撞，脫落后的鈣果會在碰撞力F給予的初速度v以及重力G的作用下向地面掉落，鈣果脫落軌跡如圖3所示。當鈣果的位置低于梳脫式試驗臺的旋轉中心高度時，鈣果最終掉落到試驗臺前方；當鈣果的位置高于梳脫式試驗臺的旋轉中心高度時，鈣果最終掉落到試驗臺后方。理論上試驗臺的中心距越小越好，但實際中鈣果枝條長度為650～1 000 mm，為了保證在梳脫時枝條不被纏繞，梳齒的長度應大于枝條長度的50%。從現有梳齒式采摘試驗臺的試驗結果可知，直形梳齒沿直線排布時，梳脫下來的果子主要向前后掉落，一小部分果子會向左右彈落，因此為了提高采收率，除了增加左右擋板之外，還需要對梳齒部件進行優化，加大鈣果向試驗臺后方掉落的比例。

由圖3可以看出，鈣果在收獲時會有一部分脫落到試驗臺前方，若將梳齒進行彎曲，當鈣果位置低于梳脫式試驗臺的旋轉中心高度時，在轉過一定角度后，一部分果子會直接和彎曲部分發生碰撞最終落到梳齒上，一部分掉落的果子在掉落時會碰撞到彎曲的梳齒反彈到梳齒上，隨著梳齒不斷周轉運動，最終將鈣果撥落在試驗臺后方的集果箱中。

理論上梳齒的彎曲角度越大越好，但當梳齒彎曲角度>90°后，可能會不利于枝條的喂入，影響采收效果。為了探究不同的梳齒彎曲角度對采收效果的影響，分別設計了60°、90°和120°彎曲角度的梳齒，進行對比試驗。其次結合試驗臺兩邊的擋板設計，將梳齒在排布的時候按一定的弧度進行排布，定向給鈣果一個向左或向右的力，使其向左右脫落，這樣脫落下來的果子將會被擋板擋住掉落到梳齒上，最后落到集果箱中，分別設計了直徑為600、750和900 mm的弧度進行梳齒排布。試驗臺技術參數如表1所示。

表1 試驗臺主要技術參數

2 試驗臺性能試驗

2.1試驗設備與材料

試驗所需設備和材料為梳脫式試驗臺、農大4號鈣果掛果枝條及其他輔助材料。自制梳脫式試驗臺如圖4所示。農大4號鈣果掛果枝條為巨鑫現代農業基地采得，試驗日期為2019年9月2日。

2.2單因素試驗

以采收率為評價指標，分別以電機轉速、梳齒彎曲角度、梳齒排布弧度的直徑以及是否帶橡膠套為影響因素進行單一變量試驗，探究電機轉速、梳齒彎曲角度、梳齒排布弧度的直徑以及梳齒材料等因素對收集效果的影響。采收率的計算如式(1)所示。

(1)

式中N——采收率， %

G——鈣果枝條上總掛果數

G1——集果箱中果實數

為減小隨機誤差，以上4組單一變量試驗中的各個變量分別重復試驗3次，取平均值，試驗結果如圖5所示。

表3 方差分析

注：P<0.01(極顯著)，P<0.05(顯著)。

由圖5試驗結果可知，鈣果采收率受電機轉速、梳齒彎曲角度、梳齒排布弧度及是否套橡膠套等因素的影響。由圖5a可以看出，電機轉速為20～35 rmin時，以梳齒彎曲角度60°、梳齒排布弧度直徑900 mm和無橡膠套的條件進行試驗時，試驗臺的采收率隨電機轉速增大而降低。由圖5b可以看出，電機轉速27 rmin、梳齒排布弧度直徑900 mm和無橡膠套條件下，試驗臺采收率隨梳齒彎曲角度增大而逐漸升高。由圖5c可以看出，電機轉速27 rmin、梳齒彎曲角度60°和無橡膠套條件下，試驗臺采收率隨梳齒排布弧度直徑的增大而逐漸升高。由圖5d可以看出，電機轉速27 rmin、梳齒彎曲角度60°和梳齒排布弧度直徑900 mm的條件下，給梳齒套上橡膠套之后，試驗臺的采收率會降低，主要原因是橡膠套的彈性系數和摩擦系數比梳齒本身大，導致鈣果脫落時初速度變大，脫落范圍變大；其次部分鈣果會夾在梳齒之間，導致果實破損嚴重且無法掉落到集果箱中。

2.3正交試驗

由單因子試驗結果可知，鈣果的采收率會受到電機轉速、梳齒彎曲角度、梳齒排布弧度和是否套橡膠套等因素的影響，其中套橡膠皮套變量因素單一，因此不考慮這個因素。為了探究電機轉速、梳齒彎曲角度和梳齒排布弧度3因子對采收率影響的最優組合，進行3因素3水平的正交試驗，試驗因素指標如表2所示。試驗利用SAS軟件進行3因素3水平正交試驗設計和方差分析，方差分析結果如表3所示。由表3可知，電機轉速、彎曲角度和排布弧度對果實采收率影響極顯著，兩因素交互試驗數據表明3因素對采收率影響的優先級依次為彎曲角度>排布弧度>電機轉速。

2.4最佳梳脫參數選擇

根據單因素試驗和正交試驗結果，綜合考慮實際采摘效率，選擇最優梳脫參數：轉速25 rmin、梳齒彎曲角度120°和梳齒按直徑為900 mm的弧度進行排

表2 試驗因子指標

布。在最優梳脫參數下進行試驗，試驗重復3次取平均值，最終得到試驗臺采收率為95.03%。

3 結論

(1)單因素試驗結果表明，梳脫式鈣果采收試驗臺采收率隨電機轉速的增大和梳齒材質本身彈性系數和摩擦系數的增大而逐漸降低，隨梳齒彎曲角度和梳齒排布弧度直徑的增大而逐漸升高。

(2)正交試驗結果表明，電機轉速、彎曲角度和排布弧度對果實采收率影響極顯著，兩因素交互試驗數據表明3因素對采收率影響的優先級依次為梳齒彎曲角度、梳齒排布弧度和電機轉速。

(3)根據試驗結果，綜合考慮實際采摘效率，選擇最優梳脫參數：轉速25 rmin、梳齒彎曲角度120°和梳齒按直徑為900 mm弧度進行排布，在最優梳脫參數下開展試驗，得試驗臺采收率為95.03%。試驗所得數據可為實現鈣果機械化采收相關研究提供參考。