冬棗輔助采摘車振動輸送道的設計與試驗

王淑君,劉廣新,趙玉剛 ,蔡善儒

(山東理工大學 a.農業工程與食品科學學院;b.機械工程學院,山東 淄博 255049)

0 引言

沾化冬棗具有味道甘甜、皮薄肉脆、營養價值高等特點,近年來很受人們歡迎[1-3]。2018年,沾化冬棗種植面積已達3.3萬hm2,年產量近3億kg[4]。沾化冬棗的采摘過程一般分為前期的篩選采摘和后期的集中采摘,采摘過程費時費力,屬于典型季節性強和勞動密集型的工作[5]。冬棗輔助采摘車在解決當地勞動力短缺問題的同時還能使得冬棗種植面積的增加。冬棗輸送道作為輔助采摘車的核心部件,在采摘作業過程中會有棗樹葉和棗果果柄帶入,增加了冬棗通過輸送道進入周轉箱的時間,甚至會發生擁堵,降低采摘效率。為此,輸送道必須能夠適應較大的喂入量,同時具有較大通過率,以免冬棗在輸送道中發生擁堵,對冬棗造成損傷,影響其保鮮時間。

近年來,學者們對振動式采摘研究較多。李斌[6]等人通過仿真試驗研究了梳排振動式荔枝采摘機;趙健[7]等人通過三因素三水平二次正交旋轉組合試驗優化了便攜式枸杞振動采收裝置的結構與工作參數;王立軍[8]采用MatLab數值模擬與試驗相結合的辦法研制了用于為玉米除雜的三移動兩轉動振動篩驅動機構;彭俊[9]基于振動理論研究了冬棗振動收獲機理;傅隆生[10]等人利用高速相機記錄了不同振動頻率下棗果下落的軌跡,以用來研究振動采摘果實的運動規律和落下規律。然而,對于冬棗振動式輸送道的研究,少之又少。為解決冬棗輸送道通過率低的問題,課題組設計了一種振動輸送道。該冬棗振動式輸送道的總體思路:對位于冬棗輸送道內的冬棗和雜質施加一定的外力,使被雜質阻止的棗果獲得一定的速度,從而通過輸送道,到達周轉箱。為此,設計了一種振動輸送道,通過旋轉正交試驗,分析了主要參數對通過率的影響,建立了數學模型并優化求解,獲取了最優參數,為冬棗輸送道的設計提供了參考。該裝置能夠適應沾化冬棗的種植和采摘特點,具有通過率高、成本低、維護簡單、棗果損傷小等優點。

1 振動輸送道結構與工作原理

振動輸送道是冬棗輔助采摘車的核心部件,其功能是將采摘作業者采摘的棗果輸送到周轉箱。輸送道需要適應較大的喂入量,同時具有較大通過率,以免冬棗在輸送道中發生擁堵,對冬棗造成損傷,影響其保鮮時間。該裝置輸送道位于站立筒的外側,螺旋結構,上部位于站立筒外緣,下部連通至周轉箱上側,整體結構如圖1所示。振動輸送道的工作原理是:棗果受到來自棗樹葉雜質和棗果果柄的阻力而停止,振動輸送道通過內層的振動給棗果和雜質一個力,它們之間的相對位置發生變化使得雜質不再影響棗果的通過,從而繼續運動,到達周轉箱。振動輸送道的工作原理如圖2所示。冬棗的采摘過程中一般分為前期的挑選采摘和后期的集中采摘。其中,集中采摘過程中,采摘作業者將大量的棗果放入輸送道中,經過軟質材料的內層可以減少與輸送道內壁的碰撞,加之輸送道振動的振動使得棗果之間的擁擠情況減少,從而減少棗果損傷,利于運輸與存儲。此原理對于前期的挑選采摘過程也同樣適用。

1.冬棗振動輸送道 2.站立筒 3.站立筒門 4.周轉箱支架

1.棗樹葉雜質 2.棗果果柄 3.冬棗棗果

2 初步設計

振動輸送道是冬棗輔助采摘車的核心部件,其結構的參數、型式直接影響著棗果損傷率、采摘效率和采摘作業者的生命安全。冬棗振動輸送道橫截面結構簡圖如圖3所示。

2.1 內外層輸送道結構設計

為了減少棗果與輸送道內壁碰撞和解決振動輸送問題,采用了內外層結構設計,如圖3所示。內外層均采用一體式U型設計,避免工作過程中對冬棗造成損傷。其中,內層由硬內層和軟質材料組成,硬層緊緊固定于軟層下面,當電動機帶動偏心組件轉動時,偏心組件每轉1圈到達指定位置后都會頂一下硬內層凸臺,使硬內層凸臺連同振動輸送道內層運動。內層定位塊的材質是橡膠,其主要作用是限制內層只做上下方向的運動,避免內層左右運動,影響輸送道的輸送效果和穩定工作,同時減少內層上下運動對外層碰撞以減少噪聲。

1.振動輸送道外層 2.振動輸送道軟內層 3. 振動輸送道硬內層

2.2 振動系統結構的設計

為了延長保鮮時間,在采摘過程中通常會保留冬棗的梗。當這些帶有梗的冬棗進入輸送道后,由于梗的作用,對冬棗產生一個沿斜面向上的阻力,致使大量的冬棗發生擁堵。棗果處于輸送道內還會因為棗樹葉雜質使其發生擁堵。棗果受力分析如圖4所示。其平衡方程為

(1)

f=uN

式中G—冬棗所受的重力(N);

f—冬棗所受的阻力(N);

N—冬棗受到的支持力(N);

α—輸送道的傾斜角度(°),取α=10°;

u—冬棗與輸送道之間的摩擦因數。

為了適應較大的送入量和達到較大的通過率,必須要破壞棗果在輸送道內的受力平衡。由于棗果與雜質的質量不同,受到外力作用時的加速度也不同,使得雜質與棗果、棗果果柄的相對位置發生變化,使棗果繼續向下運動,大量的冬棗順利通過輸送道。為達到此效果,設計了振動系統,主要組成部分為電動機、偏心組件、硬內層凸臺,如圖3所示。其主要工作原理是:通過電動機的轉動帶動偏心組件撥動內層凸臺達到振動的效果,每轉1圈,偏心組件撥動凸臺1次,最終使內層振動1次。

1.冬棗 2.棗果果柄 3. 輸送道

2.3 輸送道內層U型卷邊固定設計

由于輸送道內層為軟質材料,當其在電動機的作用下高出外層時,會與外層硬質材料發生刮蹭,影響振動效果。考慮到輸送道的振動效果和使用壽命對外層與內層結合處采用卷邊固定設計,如圖5所示。卷邊固定設計不僅能保證在工作中內層是保持振動的狀態,也能保證采摘作業者用手向輸送道內送入冬棗的過程中的安全。

1.U型卷邊 2.振動輸送道外層 3.緊固螺釘

3 試驗優化

3.1 試驗設計

冬棗輔助采摘車振動輸送道試驗在沾化冬棗研究所進行,試驗冬棗品種為冬棗一號。試驗所用到的儀器與設備有:電子稱、秒表、鋼尺及接觸式轉速表等。為了直接反映振動輸送道的工作效果將通過率表示為

(2)

式中η—通過率(%);

ma—1min內周轉箱內冬棗的質量(kg);

mb—1min內送入輸送道冬棗的質量(kg)。

3.2 試驗方案與結果

因素水平編碼如表1所示。

表1 因素水平編碼

為了便于達到試驗中送入量的要求,直接選用采摘好的冬棗。用電子稱稱量指定的質量mb放入周轉箱,通過調節偏心組件螺栓的伸出長度調節振幅。將振動輸送道電源打開,調節PWM調速器旋鈕使轉振動頻率到指定值并平穩運行后,采摘作業者開始送入冬棗,1min內均勻地將稱量好的冬棗送完;當第一個冬棗進入周轉箱時開始倒計時1min,1min過后換成空的周轉箱并關閉輸送道電源,稱量周轉箱內冬棗質量ma。整個過程重復4次,采用式(1)計算通過率。

依據冬棗振動輸送道的初步設計,以最大通過率為優化目標,振動頻率、振動幅度、送入量為試驗因素,進行回歸正交旋轉組合試驗。試驗水平編碼如表1所示。試驗結果如表2所示。其中,振動頻率、振動幅度、送入量的編碼值分別是A、B、C。

表2 試驗設計與結果

續表2

3.3 建立數學模型

將表2中的數據通過數據分析軟件Design-Expert進行回歸分析,得出通過率η(%)的回歸數學模型。

編碼方程為

η=96.71-0.79A-0.40B+0.52C+0.26AB+0.24AC+ 0.10BC-0.78A2-0.69B2-0.57C2

(3)

實際值方程為

η= +96.71043-0.79390A-0.40353B+0.51968C+

0.25750AB+0.24000AC+0.10500BC-0.78007A2-

0.68638B2-0.56970C2

(4)

對式(3)做方差分析用以檢查回歸方程的顯著性[11-12],結果如表3所示。由表3可知:回歸模型的F值為5.46,其p值僅為0.017 9遠小于0.05,表明回歸模型顯著;p<0.05水平上A、C、A2、B2、C2的系數顯著;失擬p值0.211 6,失擬不顯著,回歸模型有效[13-14];振動頻率、 振動幅度、送入量對通過率都有顯著性影響,且影響由大到小為振動頻率、送入量、振動幅度。剔除不顯著項后得到通過率η的回歸方程。

編碼方程為

η=96.71-0.79A+0.52C+0.78A2-0.69B2-0.57C2

(5)

實際值方程為

η=96.71043-0.79390A+0.51968C-0.78007A2-0.68638B2-0.56970C2

(6)

表3 方差分析

3.4 試驗因素對通過率的影響

采用Design-expert軟件繪制3個試驗因素對通過率η的響應曲面圖,如圖6所示。3個因素對通過率的總體影響:振動頻率在10～20Hz之間通過率較高,振動幅度在5～10mm之間通過率較高,送入量在1.25～2.00kg/min之間通過率較高。

(b)

(c)

3.5 參數優化與試驗驗證

振動輸送道作為冬棗輔助采摘車的關鍵部件,起到重要作用。通過率作為其衡量指標,在試驗參數范圍之內,應越大越好。應用Design-expert的Optimization功能進行優化,得到各參數如表4所示。試驗驗證將表4中的參數進行圓整,振動頻率為18Hz,振動幅度為9mm,送入量為1.6kg/min,將5次試驗過程得到的通過率取平均值,結果表明:在同樣參數下通過率為96.93%,是非振動輸送道的通過率的112.7%;試驗值與理論值誤差很小,所建立的回歸模型準確。

表4 試驗因素參數優化結果

4 結論

1)針對原有非振動輸送道在冬棗采摘過程中存在的通過率低、可靠性差問題,設計了一種振動輸送道,并通過試驗驗證了其高效性和可靠性。

2)建立了以振動頻率、振動幅度、送入量為試驗因素,通過率為響應函數的回歸模型。通過進行方差分析和響應曲面分析,得到了通過率與振動頻率、振動幅度、送入量之間的影響規律。各因素對通過率影響最大的是振動頻率,最小的是振動幅度。

3)采用所建立的數學模型對通過率做優化求解,得到最佳組合參數:振動頻率18Hz,振動幅度9mm,送入量1.6kg/min,通過率在此參數組合下試驗結果為96.93%,是非振動輸送道的通過率的112.7%。