梳齒-氣吸式花椒采摘機設計與試驗

萬芳新，孫浩博，蒲 軍，李聲元，趙永彪，黃曉鵬

(甘肅農業大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

花椒屬落葉灌木或小喬木，是一種頂生小型林果，為我國廣泛種植的一種特色辛香料和中藥材，其果皮可作為調味料，并能提取芳香油，又可入藥，種子可食用，也可加工制作肥皂。我國花椒種植面積約175萬hm2，年產花椒25～45萬t，年產值32億元，且種植面積每年以20%～30%的速度增加。甘肅武都、隴南地區是花椒的主要產區，近年來，隨著農業結構調整，花椒產業有較大的發展[1-2]。由于花椒樹枝伸展長、帶刺以及果實小而致使人工采摘困難，同時花椒采摘要求既要不傷葉、芽、枝，又要適時收獲，因此導致花椒機械采收十分困難，目前花椒仍然以人工采收為主[3]。

目前對頂生小果實的采摘以梳刷采收、振動采收和氣吸采收為主[4-12]。張文強等[13]設計并優化了一種變間距梳刷式枸杞采收裝置，實現了枸杞與枝條的脫離以及枸杞與梳刷指分離，但采凈率低，對果實損傷大。王海濱等[14]設計了一種基于槽型凸輪傳動的藍莓采摘機，改進了傳統振動采摘機械的傳動機構，實現了預定運動軌跡改善采摘系統工作性能，在一定程度上提高了采摘機的采摘效率。姬長英等[15]設計了一種梳割氣吸一體式貢菊采摘機實現了花朵分期采摘、及時采摘、完整采摘的要求。曹衛彬等[16]通過對梳夾式紅花采收機高限位裝置進行參數優化，提高了采凈率，同時降低了花球損傷率。郭艷玲等[17]設計了一種藍莓采摘實驗臺，對藍莓植株振動響應進行了研究，得出了藍莓振動采摘最佳拍打頻率和采摘機最佳行進速度。高自成等[18]設計了一種具有可避讓式采摘頭、多自由度采摘臂的齒梳式油茶果采摘機，驗證了齒梳式油茶果采摘機的可行性，但在實驗中存在果實損傷率高的問題。楊萍等[19]采用K-means、Otsu與K-means算法對花椒果實目標進行提取并識別花椒的結果母枝，利用結果母枝的深度數據確定采摘點在圖像中的坐標，最終通過坐標轉換得到結果母枝上花椒采摘點的三維坐標，為花椒采摘機器人提供技術支持。張永梅等[20]利用HSV和 RGB兩種顏色空間模型對成熟期花椒圖像閾值分割，識別出花椒果實區域，利用合慣性主軸并結合形心偏差法對采摘點進行定位，確定了機械采摘點，為開發剪刀式采摘機器人提供支持。Ferreira等[21]研究了不同外力作用的草莓機械損傷程度與其在收獲時期冷卻手段及果實溫度的關系，發現隨果實溫度的降低，比起靜重載荷作用，草莓更易受到沖擊載荷作用而產生損傷。Everett等[22]研究了采后梨皮細胞的損傷，認為機械損傷是主要原因之一。Van Zeebroeck等[23-24]通過對水果收獲中的沖擊損傷進行了仿真，得出水果損傷與受力的關系，并且認為蘋果的硬度與其機械損傷正相關，而曲率半徑對其損傷程度的影響視碰撞強度而定。目前國內外對花椒的機械化采摘研究較少，如何通過理論研究，確定一種適宜于花椒的低損傷采收方法，仍是一個亟待解決的難題。

梳刷-氣息式花椒采摘機通過梳齒作用實現花椒果實和枝桿的分離，利用軸流式風機產生的流場運輸和清選花椒果實。本文通過對采摘頭的理論分析并結合實驗，完成采收裝置的參數優化，獲得了較高的果實采凈率、采收凈度，同時降低了損傷率，為花椒采摘機的研制和設計提供理論基礎。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

整機結構如圖1、2所示，主要由行走裝置、汽油發電機、收集裝置、采摘裝置、軸流式風機及與軸流式風機相連接的篩網等組成。其中收集裝置由輸送管、導向板、收集盒、支架組成。采摘裝置由采摘盒、軸承座、齒梳式采摘頭、聯軸器、微型電機、伸縮桿組成。

1.2 工作原理

工作時，啟動軸流式風機，使得收集裝置形成負壓，為花椒顆粒的輸送做好準備，同時起到輔助采收的作用。微型電機帶動梳齒式刀片旋轉，將采摘裝置移至花椒果實串處，對花椒果梗部位進行牽拉、剪切采收，掉落的花椒進入采摘盒里，經輸送管通過軸流式風機產生的負壓作用，經弧形篩板的作用掉落到收集箱里，連續作業一段時間后可將收集箱(有活動抽斗)中收集到的花椒粒取出裝入收集袋中(圖1、2)。

1.行走裝置;2.汽油發電機;3.收集裝置;4.采摘裝置;5.軸流式風機;6.變頻器;7.電瓶1. Walking device; 2. Gasoline generator; 3. Collection device;4. Picking device; 5. Axial flow fan; 6. Inverter; 7. Battery圖1 氣吸式花椒采收機整機結構Fig.1 The overall structure of air-suction pepper extractor

1.篩選盒;2.收集盒a;3.收集盒b;4.弧形篩網1. Screening box; 2. Collection box a;3. Collection box b; 4. Arc screen圖2 氣吸式花椒采收機內部結構Fig.2 Internal structure of air-suction pepper extractor

根據采摘的花椒品種與花椒粒果梗連接力的不同，可以通過變頻器來進行調節采摘頭轉速，來控制刀片對果梗的作用力。

2 關鍵機構設計

2.1 梳齒式采摘裝置的設計

針對花椒頂生成串這一特性，采摘頭采用疏齒式，由滾筒軸和垂直于軸圓周面的4個梳齒型刀片組成，梳齒形刀片的整體寬度為150 mm，梳齒形刀片的板材厚度為1 mm，分別固定在與微型電機相連接的軸上，為在采摘過程中刀片可以更好地接觸花椒串，根據花椒串、花椒粒以及花椒果梗的尺寸對梳齒的各項參數進行設計。

經試驗測量花椒串的尺寸一般為30～40 mm。確定梳齒折彎角為120°，齒數初步定為9個，齒形板單個齒形的夾角為30°～35°(花椒粒的直徑為3.5～5.0 mm)；為了防止剪切過程中花椒串不被全部喂入梳齒形刀片的開口內，梳齒開口深度為20 mm(花椒串的尺寸為30～40 mm)；并在齒縫折彎角的內側開出了刃角為45°平行刀刃，避免了采摘過程花椒粒與果梗連接位置的斷裂，刃口上端面采用倒圓角設計，減少采摘過程中尖銳刃口對花椒粒碰撞產生的破損，梳齒刀片局部放大圖如圖3、圖4。

圖3 采摘頭結構示意圖Fig.3 Structure of the picking head

圖4 梳齒刀片放大圖Fig.4 Enlarged view of comb blade

采摘作業時，梳齒型刀片向花椒串旋轉，連接花椒串的枝條和長有花椒果實的果梗進入相鄰的梳齒之間，梳齒刀片將2 mm(常見花椒果梗的直徑為0.7～1.2 mm)以內的花椒枝條和長有花椒果實的果梗引導至梳齒縫內，當采摘頭轉動到一定位置時，將帶有花椒粒的果梗在齒刃剪切、梳刷、牽拉的作用下與花椒粒分離，而齒縫內的枝條自動滑離出去。通過以上設計經采摘頭梳刷掉落的花椒粒上還留有花椒梗，能夠滿足花椒采摘的農藝要求。

梳齒采摘頭整體結構如圖5所示。

1.手柄;2.微型電機;3.聯軸器;4.梳齒1. handle; 2. micro motor; 3. coupling; 4. comb teeth圖5 梳齒式采摘裝置結構Fig.5 Comb-type picking device structure

2.2 軸流式風機的選定

風機流量用公式(1)計算：

(1)

式中，qv為風機流量(L·min-1),vg為軸流式風機每轉的排量(cm3)，n為風機轉速(r·min-1)，v為容積效率(%)。

(2)

式中，T為扭矩(N·m),p為壓差(Pa),mh為機械容積效率(%)。

(3)

式中，P為風機功率(kW),t為總效率(%)。

為了使軸流式風機產生的氣流能夠充分地將在輸送管中的花椒粒輸送，則必須使花椒串所受氣力大于花椒串重力，簡化計算滿足式(4)。

(4)

式中，r1為輸送管直徑(mm),ρ為花椒粒密度(g·mm-3),p為花椒粒所受的壓差(Pa)。

查閱資料可得花椒的輸送氣流速度可選定為v1=30 m·s-1[25]，結合輸送管直徑，可確定輸送管中氣流流量為：

(5)

式中，v1為輸送氣流速度(m·s-1)；qp為輸送管中氣流流量(L·min-1)。

由式(4)可得p=1920 Pa，由式(5)可得軸流式風機的流量為6.17 m3·min-1(理想狀態)；由式(3)可得軸流式風機的功率為1.44 kW。

為滿足使用要求，軸流式風機所用電機選用Y2-90S-2[26]，其額定轉速選定為2 840 rmp，額定功率為1.5 kW。

為了降低生產成本與保證質量，選用市場已有的軸流式風機，其具體型號是：SFG4-2R,功率為1.5 kW,轉速為2 800 r·min-1時，全壓可達380 Pa，其額定值均大于上述計算得出的軸流式風機的流量，為36.17 m3·min-1。考慮到實際生產中對流量有不同的要求，因此風機流速初步確定為20～40 m·s-1。

3 采摘裝置的流場分析

采摘頭在旋轉過程中梳齒形刀片帶動周圍的空氣繞其軸作環流運動，采摘頭不同部位的流場分布也不相同，現對不同區域的流場具體分析。

3.1 梳齒形刀片三角形區域內的流場變化

由圖4可知，采摘頭梳齒形刀片的頂部形狀為三角形，其梳齒內區的氣流場主要是因為梳齒邊緣的高速運動產生的。由于流體的附著作用，梳齒高速旋轉時與梳齒口側面直接接觸的薄層流體與梳齒口具有相同的表面速度，這層流體在空氣粘性力的作用下帶動相鄰層空氣，同時由于慣性作用，遠離物體接觸面側空氣的速度低于靠近物體接觸面側，其氣流速度出現速度梯度，如圖6所示。利用微分理論，可將三角形的環流場內沿徑向氣流速度的分布，分成高度為dR的微量梯形面積，則可得出此微量梯形面積內的氣流運動方程：

(6)

式中，L為梳齒形刀片刃口開口幅寬總和(m)，v為梳齒邊緣速度(m·s-1)，T為齒形板單個齒形的夾角的半角(°)，R為刃口底部距離刀片旋轉中心的距離(mm)，ω為梳齒角速度(rad·s-1)。

微量梯形面積：

(7)

式中，A為齒形區的微量梯形面積(mm2)，h為刃口底部距離坐標原點的距離(m)。

由氣體的體積流量與氣流的速度之間的關系式：

(8)

式中，Q為氣體的體積流量(L·min-1)，W為氣流速度(m·s-1)。

Q∝L×v

(9)

則可得出某一半徑的氣流速度的關系式：

(10)

圖6 刀片三角形空間的齒間氣流速度分析Fig.6 Analysis of inter-tooth air velocityin blade triangular space

由圖3可知，當dR→0時，可得出ee線上的速度分布，式可化簡為：

(11)

在本次設計中(11)式中ω、h、T為定量參數，由此可得出，某一半徑的氣流速度僅與距離刀片旋轉中心的半徑呈反比，采摘頭處環流的速度從齒尖開始往軸心移動時速度逐漸增大，且距離刀片旋轉中心越小加速越快，氣流對花椒粒作用力的變化越大，花椒粒距離刀片越近時發生碰撞后破裂越嚴重，刀片的旋轉軸直徑不應過小，從而可有效降低花椒的破損率。

3.2 采摘頭旋轉時無采摘盒齒間外區域的流場分析

根據已有的研究可知[27]，當采摘頭旋轉時，在齒間外區采摘頭帶動周圍的氣體做旋流運動，形成以采摘頭軸心為中心的環形流場，采摘頭周圍氣體流動方向與極半徑相垂直，氣流速度基本上按雙曲線規律隨半徑(r)的增大而減小，此旋流運動為無旋運動，其勢函數和流函數分別為[28]：

(12)

式中，H為等勢高，T為極角，r為氣體旋流半徑，Γ為氣流環量。

(13)

式中，j為氣流函數。

其旋流運動的流線是以原點為中心的同心圓(如圖7)，等勢線是以原點為起點的輻射線，符合伯努利方程的使用條件[29]，其求得的壓力為：

(14)

圖7 旋流運動Fig.7 Swirl movement

(15)

由(15)式可知，壓力(p)是關于流場半徑(r)的增函數，可見流場壓力沿流場半徑方向遞增，花椒果實在梳齒作用下從結果枝脫落，脫落的花椒果實位于梳齒邊緣流場壓力較大處，由于齒梳中心壓力小于邊緣處，花椒果實在壓差力作用下向梳齒里側運動，即采摘頭在旋轉時產生負壓對花椒有吸附導向作用。

4 試驗研究

4.1 材料與方法

4.1.1 材料 所選材料采自甘肅省臨夏州積石山縣大河架鄉農戶種植的花椒，品種為大紅袍和刺椒。根據試驗需要，分別選出無損傷、直徑為4.9～5.8 mm的大紅袍果實100個，直徑為4.0～4.8 mm的刺椒果實100粒，在采后第2天和購買當日進行試驗。試驗于2016年8月進行。

4.1.2 試驗方法 采用三因素五水平二次回歸正交旋轉中心組合優化試驗方法。以采摘頭轉速(x1)，氣流速度(x2)，梳齒式刀片刃口角(x3)為影響因素，以采凈率(y1)，損傷率(y2)以及采收凈度(y3)為目標函數，共實施20組試驗。應用Design-Expert 8.0.6進行數據處理分析。根據前期試驗確定各個水平因素，因素水平編碼如表1所示，分別以3次重復的均值為測試結果。

圖8 實驗室試驗圖Fig.8 Laboratory test diagram

編碼Coding因素 Factor采摘頭轉速Picking head speedx1/(r·min-1)氣流速度Air velocityx2/(m·s-1)梳齒式刀片刃口角Comb blade cuttingedge angle x3/(°)1.68245040501400354503503040-13002535-1.6822502030

4.1.3 試驗指標

(1)采凈率：花椒采收試驗中，采收的花椒果實質量占總花椒果實質量的比率。

(11)

式中,y1為采凈率(%)，n1為采收的花椒果實質量(g)，n2為未采收凈的花椒果實質量(g)。

(2)損傷率：在花椒采收試驗中，采收的花椒果實中破損的質量與采收的花椒總質量的比值。

(12)

式中，y2為損傷率(%)，n3為采收的花椒果實中完好果實的質量(g)，n4為采收的花椒果實中破損果實的質量(g)。

(3)采收凈度(為后續參數優化分析方便，含雜率用采收凈度間接表示，即采收凈度=1-含雜率)：在花椒采收試驗中，采收的花椒果實質量與采收混合物(包括雜質)質量的比值。

(13)

式中，y3為采收凈度(%)，n5為采收的花椒果實質量(g),n6為采收雜物的質量(g)。

4.2 結果與分析

4.2.1 試驗結果與回歸模型 結果如表2所示，通過 Design-Expert 6.0.10 軟件進行方差分析，得到分別以采凈率(y1)，損傷率(y2)以及采收凈度(y3)為響應函數，以各影響因素為自變量的編碼回歸數學模型。

y1=92.33+1.89x1+0.60x2+0.93x3

-0.44x1x2+0.86x1x+0.89x2x3

(14)

y2=1.58-0.24x1-0.12x2-0.11x3

-0.047x1x2+0.088x1x3

(15)

表2 試驗方案與試驗結果

y3=92.49+1.90x1+1.55x2+0.95x3

-0.92x1x2-0.1x1x3

(16)

方差分析結果表明模型處于顯著水平，沒有不可控制的因子干擾試驗，該模型可以用來確定各因素對采收效果各性能指標影響規律。

4.2.2 采凈率響應曲面分析 圖9為不同因素對采凈率的響應曲面。由圖9(a)知，隨著采摘頭轉速增加，采凈率先略微升高，隨后急劇降低，而隨著氣流速度的增加，采凈率先是升高，達到一定值后變化不大。是由于采摘頭隨著轉速增加，梳齒式刀片的剪切和牽拉作用增強，可以提高采凈率，但是過快的速度會降低有效的作用時間，反而影響到采凈率；而氣流速度升高，可以更好地保證花椒果實在穩定的狀態下被采摘頭采摘，采凈率隨之升高，但當升高到一定值后，此作用影響不會繼續起大的作用。當采摘頭轉速達到300 r·min-1、氣流速度達到30 m·s-1左右時，采凈率可達到最大值。

由圖9(b)可知，隨著采摘頭轉速增加，采凈率先升高后降低，隨著梳齒式刃口角的增加，采凈率也是先升高后降低。這是由于刃口角增加，其對花椒果實的滑切作用逐漸增大，可使采摘頭有效采收果實，但當刃口角過高時，果實不能有效牽引切割果實，將果實直接推出刀片，使采凈率下降；當采摘頭轉速達到400 r·min-1、梳齒式刀片刃口角達到35°左右時，采凈率可達到最大值。

圖9 各因素對采凈率的響應曲面Fig.9 Response surface of each factor to recovery ratio

由圖9(c)可知，隨著氣流速度增加，采凈率先基本呈線性增加，但變化幅度很小。可見在采摘頭轉速固定于較好的水平時，氣流速度及其與梳齒式刀片刃口角的交互作用對采凈率的影響不大。梳齒式刀片刃口角對采凈率的影響與9(b)趨勢相同，只是變化幅度略小。

4.2.3 花椒果實損傷率響應曲面分析 圖10為不同因素對損傷率的響應曲面。由圖10(a)可知，隨著采摘頭轉速的升高，損傷率先減小后增大，且變化較為明顯。這主要是因為轉速較低時，花椒枝條與采摘頭的接觸時間較長，同時枝條的反作用力也起到支撐作用，加大了采摘頭對果實的剪切損傷，而速度過高時，沖擊損傷、碰撞損傷將直接升高損傷率。氣流速度對損傷率的影響也是先減小，后增大。可能是因為氣流速度小時，不能有效引導牽拉果實，導致受到采摘頭反復力，使損傷率上升，而過高氣流速度會加大采摘頭與果實間的相對作用力，雖然在一定程度上可能會提高采凈率，但同時也會使損傷率升高。

由圖10(b)可知，在適宜的氣流速度下，隨著采摘頭轉速的增加，損傷率基本呈線性增加，而梳齒式刀片刃口角對損傷率的影響在采摘頭轉速不同時變化較大，在采摘頭轉速較低時，隨著刃口角增大，損傷率先減小后增大，而在采摘頭轉速較大時，隨著刃口角增大，損傷率變化不大，但總體高于采摘頭轉速較低時的水平。

由圖10(c)可知，隨著梳齒式刀片刃口角和氣流速度增加，損傷率先減小后增大，但總體變化不是非常明顯。在氣流速度達到35 m·s-1、梳齒式刀片刃口角達到35°附近時，損傷率率可獲最小值。

圖10 各因素對損傷率影響的響應曲面Fig.10 Response surface of various factors on damage rate

4.2.4 采收凈度響應曲面分析 圖11為不同因素對采收凈度的響應曲面。由圖11(a)可知，當采摘頭轉速大于350 r·min-1，采收凈度急劇下降，主要是因為花椒樹葉的連接力小于果實的連接力，過高的速度產生的慣性力可將大量的樹葉摘下，從而導致采收凈度下降。氣流速度的影響趨勢與此相同，氣流速度的增加產生氣流作用力，雖然不足以將果實摘下，但對于連接力較小的樹葉的作用比較明顯。

由圖11(b)可知，隨著梳齒式刀片刃口角的增加，采收凈度略有下降，但變化幅度較小，只有在采摘頭轉速較高時刃口角變化對采收凈度的影響才較為突出。這主要是因為刃口角較小時，果實與枝葉容易穿過刃口間的空隙，出現無效切割，而刃口角大時，刀片與果實的接觸面積增大，在采摘頭轉速較高時對枝葉的作用很容易使其脫離。

由圖11(c)可知，在氣流速度較高時，隨著梳齒式刀片刃口角的增大，采收凈度呈線性規律下降，主要是因為過高的氣流速度對花椒枝條起了有效的引導固定作用，從而增加了采摘頭的有效作用時間，而較大的刃口角不一定能在此條件下脫下花椒果實，但通過沖擊作用則有更大的幾率將樹葉摘下，導致采收凈度下降。

圖11 各因素對采收凈度影響的響應曲面Fig.11 Response surface of each factor to the influence of recovery net

5 參數優化

為得到最佳的試驗因素水平，對試驗因素進行參數優化，建立參數優化數學模型。結合試驗因素的邊界條件，對得出的采凈率、損傷率以及采收凈度的回歸方程進行分析，得到非線性規劃的數學模型：

maxy1或miny2或maxy3

y1=92.33+1.89x1+0.60x2+0.93x3-0.44x1x2

y2=1.58-0.24x1-0.12x2-0.11x3-0.047x1x2

y3=92.49+1.90x1+1.55x2+0.95x3-0.92x1x2

250≤x1≤450

20≤x2≤40

30≤x3≤50

0≤[y1(x1，x2，x3)或y2(x1，x2，x3)或y3(x1，x2，x3)]≤1

利用Matlab對上述模型編程計算，得到采凈率、損傷率以及采收凈度的優化結果：采摘頭轉速367.5 r·min-1，氣流速度32.7 m·s-1，梳齒式刀片刃口角31.5°。在此參數組合下，獲得最優的采收效果為：采凈率95.2%，損傷率1.2%，采收凈度96.5%(即含雜率3.5%)。

6 驗證實驗

結合加工工藝及成本等因素，根據上述優化結果加工齒梳刃口角為32°，調整風機流速30 m·s-1，采摘頭轉速為350 r·min-1。2019年8月課題組在甘肅農業大學花椒種植園進行采摘實驗(圖12)，采摘后統計采凈率、損傷率、采收凈度，結果如表3所示。

圖12 花椒采摘機作業圖Fig.12 Operation diagram of pepper harvester

表3 驗證實驗結果

驗證實驗得采凈率91.8%，相對誤差5.3%；采收凈度92.5%，相對誤差4.1%；損傷率1.3%，相對誤差8.3%，達到良好的采收效果，優化結果符合設計要求。

7 結 論

1)設計梳齒-氣吸式花椒采收機并對采摘頭附近流場進行理論分析，得出采摘頭附近壓力(P)是關于流場半徑(r)的增函數，采摘頭流場對脫落花椒起到吸附導向作用。

2)針對自行研制的梳齒-氣吸式花椒采收機，以采凈率、損傷率、清選凈度(1-含雜率)為試驗指標，基于Box-Behnken試驗設計原理，通過三因素五水平響應曲面分析，建立了各試驗指標與采摘頭轉速、氣流速度、梳齒式刀片刃口角變化關系的數學模型。該模型可以用來確定各因素對采收效果各性能指標影響規律。

3)對各試驗指標回歸方程進行分析，得到非線性數學模型，進行參數優化，獲得了最優參數組合：采摘頭轉速367.5 r·min-1，氣流速度32.7 m·s-1，梳齒式刀片刃口角31.5°。在此參數組合下，獲得最優的采收效果為：采凈率95.2%，損傷率1.2%，采收凈度94.7%。加工齒梳刃口角為32°，調整風機流速30 m·s-1，采摘頭轉速為350 r·min-1，進行驗證實驗，得到采凈率91.8%，相對誤差5.3%，采收凈度92.5%，相對誤差4.1%，損傷率1.3%，相對誤差8.3%，符合設計需求。