盤刷式矮密栽培落地紅棗集條裝置研制*

丁龍朋，李楓楠，王成霄，李景彬，葛建兵

(1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子，832000；2.現代農業機械兵團重點實驗室，新疆石河子，832000)

0 引言

棗樹原產于中國，已有千余年的栽培歷史，紅棗富含多種人類所需的微量元素，一直被視為滋補佳品，也是食品工業的常見原料[1-3]。根據《新疆統計年鑒2019》統計，新疆紅棗產量3 727.6 kt，占全國總產量的49.9%[4]，“十二五”以來，隨著國家對林果業的大力扶持，新疆紅棗種植規模與產量逐年擴大[5-6]。成熟期的新疆紅棗因其生物學特性會自然脫落，采收落地紅棗已成為新疆紅棗收獲的主要方式。落地紅棗收獲需要先進行人工集條，以便于后續撿拾作業，但集條過程存在作業效率低、成本高、環境差等問題[7]，因此有必要提升落地紅棗集條作業的機械化水平[8]。

針對落地林果的集條裝置[9]，Summer等[10]研發了一款回轉式的柑橘集條裝置，通過回轉的刮板進行集條，集條效率可達到95%，破損率在4%以下，僅適用于行株距較寬的果園作業，不適合新疆矮密栽培模式。Whitney等[11]利用螺旋集條裝置對地面的核桃進行集條，集條率97%以上，但對果實的破損率較高，不適合對紅棗進行作業。馬利云等[12]設計了一種耙齒式落地紅棗撿拾裝置，通過改變聚攏刷的傾角，擴大集條的范圍，但對于棗行間、樹根處的紅棗難以集條撿拾。

本文結合新疆矮密栽培模式和紅棗果實物料特性[13-14]，研制了一種盤刷式落地紅棗集條裝置，對試驗結果進行分析，得到影響因素的主次順序，通過多元回歸分析對數據進行優化，獲得集條裝置作業高集條率、低破損率的因素組合，為后續矮密栽培落地紅棗集條裝置的改進優化提供參考。

1 集條裝置結構及工作原理

1.1 集條裝置結構

落地紅棗集條裝置的作用是將散落于地表的紅棗進行集條，便于后續撿拾作業。裝置結構如圖1所示，主要由連接板、角度調節裝置、仿形機構、盤刷、機架等部件組成。連接板與機架焊接，角度調節裝置位于盤刷的上面，盤刷托盤位于盤刷的下面，仿形機構與機架連接，液壓馬達與盤刷通過鍵連接傳動。

圖1 盤刷式落地紅棗集條裝置結構示意圖Fig.1 Structure diagram of disc brush type ground jujube collecting device1.盤刷托盤 2.液壓馬達 3.角度調節裝置 4.連接板 5.機架 6.盤刷 7.輪子 8.液壓缸 9.仿形機構

1.2 工作原理

集條裝置掛接在落地紅棗撿拾機上，并由撿拾機上的液壓泵提供液壓動力。液壓馬達位于盤刷上方，馬達自重將盤刷刷毛向四周散開，增大盤刷清掃面積，能夠覆蓋棗樹周圍區域。當撿拾機前進工作時，液壓馬達驅動盤刷旋轉，可以將株間落地紅棗集條至棗行中間。當遇到少數偏差大的棗樹時，通過按動液壓電磁換向閥，此時液壓缸收縮，盤刷水平朝棗行中間移動完成避障；當繞過棗樹時，再次按動液壓電磁換向閥，此時油路反向，液壓缸伸長，盤刷再次伸至株間。通過調整角度調節裝置控制盤刷的前傾角大小，實現對凹坑內紅棗的集條。仿形機構為垂直于地面的四桿機構，連桿上固定有液壓馬達和盤刷，盤刷托盤支撐液壓馬達和盤刷的自重，與地面緊密貼合，隨著地面起伏情況上下移動，實現仿形功能。

落地紅棗集條裝置主要技術參數如表1所示。

表1 落地紅棗集條裝置主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of ground jujube collecting device

2 關鍵部件設計

2.1 避障系統設計

2.1.1 盤刷設計

盤刷是集條裝置的主要執行部件，可通過刷毛實現對紅棗的集條和對棗樹的避障。在液壓馬達的重力作用下刷毛彎曲變形，通過計算得出刷毛的彎曲延伸長度以達到繞過棗樹的目的，同時盤刷下面需設計盤刷托盤以支撐盤刷和液壓馬達的重量，否則刷毛彎曲變形程度太大會造成磨損增加，還會增加紅棗的破損率。盤刷受力刷毛彎曲延伸情況如圖2所示，為了研究方便，取一束刷毛進行理論分析，a(a′)點為刷毛的末端，b為刷毛的始端，c為刷毛與地面接觸受力時的彎曲端，d為盤刷托盤的中心位置，e為d點垂直方向和a點水平方向的交點，h為刷毛彎曲延伸長度。

圖2 刷毛受力延伸示意圖Fig.2 Schematic diagram of force extension of bristles

由前期對棗樹株間水平偏差距離的測量可知，刷毛延伸長度需達到225 mm以上，才能實現對大部分株間紅棗的集條。刷毛彎曲延伸長度h的計算方法如式(1)所示。

(1)

式中：lab——刷毛的長度，mm；

lde——盤刷托盤底部到刷毛端點c水平面的距離，mm；

θ——刷毛在垂直方向上的夾角，(°)。

由式(1)可知，刷毛彎曲延伸長度是由lab、lde和θ共同決定的，經過計算刷毛的長度取350 mm，盤刷托盤底部到刷毛端點c水平面的距離取150 mm，刷毛在垂直方向上的夾角取25°，將以上數據代入式(1)中，可得刷毛彎曲延伸長度為243.5 mm，大于刷毛延伸長度設計值225 mm，滿足設計要求。在實際工作過程中，刷毛在垂直方向上的夾角θ一般會增大，當θ增大時，h會比理論計算值大，能夠更有效地達到株間集條和繞過樹干的目的，所以盤刷的設計符合要求。

2.1.2 避障機構設計

避障機構主要是針對少部分位置偏差較大的棗樹，樹干位于刷盤的前方時，收縮液壓缸帶動盤刷向棗行中間平移，實現避障功能。避障機構示意圖如圖3所示，A(A′)點為盤刷的中心點，DF(D′F)為液壓油缸，BC、EG、BE、CG為平行四桿機構，液壓油缸伸縮前后，盤刷中心點A、A′水平偏移量為h1。通過對棗樹株間水平偏差距離的測量，棗樹株間的最大偏差為325 mm，由于刷毛可以清掃225 mm距離以內的紅棗，因此避障機構伸縮后水平偏移量h1需大于100 mm。

圖3 避障機構示意圖Fig.3 Schematic diagram of obstacle avoidance mechanism

平行四桿機構BCGE為矩形，液壓缸收縮時，桿B′E與桿EF之間的夾角為θ1，通過幾何關系可知盤刷中心點A的水平偏移量和桿AC上C點的水平偏移量相同，h1=LC′M，則

(2)

液壓缸的行程

(3)

式中：LC′G——桿CG的長度，mm；

LDE、LD′E、LEF——鉸接點E分別到鉸接點D、鉸接點D′和鉸接點F的距離，mm；

LD′F、LDF——液壓缸收縮、伸展時的長度，mm。

結合矮化密植棗樹種植模式和集條裝置作業范圍，LC′G取300 mm，LD′E取150 mm，LEF取150 mm，通過查閱資料液壓缸壓縮時的長度LD′F取160 mm，將上述數據代入式(2)中，可得液壓缸避障水平偏移量h1為132 mm，大于100 mm，符合液壓缸避障設計要求。同時將數據代入式(3)中，可得液壓缸的理論行程為52 mm；由于短程液壓缸為標準件，其常見行程為50 mm 或者100 mm，所以行程選擇50 mm的短程液壓缸。

2.2 仿形機構設計

為了保證集條裝置的穩定性，仿形機構采用平行四桿機構，且桿件在同一水平面[15]。仿形機構示意圖如圖4所示，圖4中H、N、O、P是桿件上的鉸接點，桿NP固定在機架上，桿HO安裝液壓馬達和盤刷。在行進過程中，盤刷托盤支撐盤刷和液壓馬達的自重，并緊貼地面隨著地表起伏上下移動，從而實現仿形的功能。通過前期對地表平整度的測量，地表起伏程度以水平面為基準上下移動距離小于50 mm。

圖4 仿形機構示意圖Fig.4 Schematic diagram of profiling device

在滿足仿形距離前提下，仿形機構桿件在轉動過程中要避免其端點與相鉸接的桿件碰撞產生干涉。如圖5所示，桿HN以N點做圓周運動過程中可能會與桿HO碰撞產生干涉。當桿HN旋轉至垂直地面方向時上升的仿形高度最大，桿HN端點到桿HO內表面的水平距離l應該滿足關系式

l>h2-h3

(4)

式中：l——仿形桿HN端點到HO桿內表面的水平距離，mm；

h2——仿形桿HN寬度的一半，mm；

h3——鉸接點H到與鉸接點H、N連線垂直的最近端面的距離，mm。

通過式(4)可知，l由h2、h3決定。h2取20 mm，h3取10 mm，則仿形桿HN的端點到HO桿內表面的水平間距l為10 mm，考慮到樣機試制過程中的制作誤差和仿形機構的工作穩定性，兩鉸接桿安裝水平間距取15 mm。當鉸接點H上升到最高處時仿形距離最大，仿形桿HN與地面垂直且等于最大仿形距離60 mm，大于地表凸起最高距離50 mm，滿足仿形高度要求。

2.3 液壓系統設計

2.3.1 液壓系統原理設計

液壓系統主要提供動力驅動盤刷旋轉和避障裝置液壓缸伸縮，實現落地紅棗集條和避障功能。集條裝置液壓系統原理圖如圖5所示，由液壓油箱、液壓泵、直動溢流閥、電磁換向閥、調速閥、液壓馬達、液壓缸等組成。其中4個液壓馬達串聯，2個液壓缸并聯。

圖5 集條裝置液壓系統原理圖Fig.5 Schematic diagram of hydraulic system of strip collecting device1.液壓油箱 2.過濾器 3.液壓泵 4.直動溢流閥 5.單向閥 6.M型三位四通電磁換向閥 7、8.O型三位四通電磁換向閥 9.調速閥 10.液壓馬達 11、12.液壓缸

液壓系統通過液壓泵提供動力源，由盤刷馬達液壓回路和液壓缸避障回路組成。M型三位四通電磁換向閥控制液壓馬達轉動，當換向閥位于左位時，油路通過調速閥和馬達，并通過調速閥控制馬達的轉速；當換向閥位于中位時，油路被隔斷馬達不工作；當換向閥位于右位時，此時油路被單向閥阻斷，馬達不工作。O型三位四通電磁換向閥實現油路的反向，達到液壓缸伸縮避障的目的。

2.3.2 液壓元件選型

1)液壓缸選型。集條裝置設計有2個液壓缸，實現對機具兩側棗樹的避障。液壓缸伸縮過程中阻力主要是盤刷和馬達的自重在地表左右平移時的摩擦阻力，考慮到摩擦阻力相對于液壓缸推力較小，所以選擇常見缸筒內徑為40 mm的短徑液壓缸。查詢液壓缸系統設計資料，活塞桿直徑為28 mm，結合2.2.1避障機構設計中液壓缸行程為50 mm，選擇液壓缸型號為YHG1-16 40/28*50LJ-HOt2。

2)液壓馬達選型。液壓馬達的作用是驅動盤刷旋轉對落地紅棗集條作業[16]。盤刷在旋轉過程中的阻力主要來自盤刷與地表的摩擦阻力，馬達、盤刷和角度調節裝置總質量為15 kg，摩擦系數為0.7，可得摩擦阻力103 N。刷毛受力向外彎曲延伸后的盤刷半徑取0.3 m，可得盤刷在旋轉過程中所產生的扭矩為30.9 N·m。液壓系統的工作壓力取10 MPa，馬達的容積效率取0.9，則馬達的排量為21.57 mL/min。結合盤刷工作轉速范圍0～300 r/min，選取馬達的最大轉速為330 r/min，則馬達的最大流量為8.39 L/min。根據扭矩、排量、最大流量和轉速等數據，選擇擺線液壓馬達，型號為BMM40。

3)液壓泵選型。液壓泵為整個液壓系統提供動力。為了保證液壓泵的使用安全，液壓泵的額定壓力要高于系統壓力的10%～30%，則液壓泵的額定壓力為13 MPa。活塞桿運動速度取0.025 m/s，則液壓缸的最大流量為3.14 L/min。由于左右兩側的液壓缸型號一樣，系統流量泄露系數取1.2，則系統內最大流量為17.6 L/min。液壓泵轉速為1 500 r/min，容積效率取0.9，則液壓泵排量為13.04 mL/r。根據液壓泵壓力、轉速和排量等數據，選擇CB型外嚙合齒輪泵，型號為CB-B16。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

2020年11月，在新疆生產建設兵團第一師十三團棗園試驗田進行了集條裝置的性能試驗。試驗田為矮密栽培模式，品種為灰棗，株距為0.8 m、行距為3 m，樹齡8年。

3.2 試驗方案

隨機在棗樹行間選取長度為15 m的試驗區，按試驗要求調整裝置至所需參數后開展集條試驗，圖6為試驗過程。試驗結束后收集位于盤刷集條方向一側的紅棗質量稱重計為W1，位于盤刷清掃范圍內未被集條的紅棗稱重計為W2，同時依據國家標準GB/T 5835—2009作為評判紅棗機械損傷的標準[17]，挑選集條區域內破損的紅棗稱重記為W3。

圖6 集條裝置田間試驗Fig.6 Field experiment of strip collecting device

前期預試驗發現，改變盤刷前傾角大小會影響集條效果，當前傾角大于20°時，刷絲磨損嚴重，所以前傾角設置為5°、10°、15°三個水平；由于地間漫灌儲水存在土埂，車速不宜過快，行進速度應在1 m/s以內[18]；當盤刷轉速低于185 r/min時，會出現大量紅棗在盤刷前方堆積的情況，所以應大于185 r/min，當超過250 r/min塵土較大且紅棗的破損率較高，所以應控制在250 r/min以內。前進速度與盤刷轉速的配合將會影響到紅棗的運動軌跡，存在交互作用。因此選取試驗因素為前進速度A、盤刷轉速B和盤刷前傾角C，試驗因素水平如表2所示。

表2 因素水平表Tab.2 Factors and levels

紅棗集條率的計算公式為

y1=W1/(W1+W2)

(5)

紅棗破損率的計算公式為

y2=W3/(W1+W2)

(6)

3.3 試驗結果及分析

采用三因素三水平組合正交方法進行試驗，共分9組，每組試驗重復4次，通過數據處理得到每次試驗的集條率、破損率，取4次平均值，如表3所示。

表3 正交試驗方案及結果Tab.3 Orthogonal test scheme and results

3.3.1 集條率影響分析

由集條率方差分析表4可知，盤刷前傾角C對集條率影響極顯著，前進速度A、盤刷轉速B對集條率影響顯著，A×B對集條率影響不顯著，顯著順序為C>A>B>A×B。當盤刷保持一定的前傾角，可以清掃出坑洼里的紅棗，對集條效果影響顯著；盤刷轉速和前進速度決定紅棗運動軌跡方向，影響集條效果，但影響較弱。

表4 集條率方差分析表Tab.4 Analysis of variance of strip rate

3.3.2 破損率影響分析

由破損率方差分析表5可知，盤刷轉速B對破損率影響極顯著，前進速度A對破損率影響顯著，A×B、盤刷前傾角C對破損影響不顯著，順序為B>A>C>A×B。當盤刷轉速增加時，對紅棗的碰撞力也會增加，從而導致破損率顯著增加；前進速度相比盤刷轉速要小很多，對紅棗的沖擊相對較小，所以對破損率有影響但沒有盤刷轉速影響大。

表5 破損率方差分析表Tab.5 Analysis of variance of damage rate

3.3.3 多目標尋優

由于本次為多指標正交試驗，需要綜合考慮試驗因素對集條率和破損率的綜合影響，本文采用多元回歸分析的方法對多指標進行分析，確定最優水平，保證預測模型的精度。

通過表4可知，y1的極差為

Ry1=y1max-y1min

(7)

y2的極差為

Ry2=y2max-y2min

(8)

通過式(7)可得y1的極差為11.63，通過式(8)可得y2的極差為2.43，由于集條率和破損率兩項試驗指標同等重要，結合實際工況集條率越高越好，而破損率越小越好，綜合考慮兩個指標的共同影響，采用總極差相近的原理[19]，即y1的極差與權重系數之積的絕對值與y2的極差與權重系數之積的絕對值相近，由于y2越小越好，所以權重系數取負數，則y1的權重系數為1，y2的權重系數為-4.8，即集條效果y=y1-4.8y2。

通過Minitab軟件對表4中的試驗結果進行多元回歸分析，得到各試驗因素對紅棗集條率和破損率的多元回歸模型方程。

y1=38.9+63.0A+0.190B-0.254AB+

0.725C

(9)

y2=-8.52+1.6A+0.043 6B-0.003 6AB+

0.013 9C

(10)

將式(9)與式(10)進行整合，得到紅棗的集條效果模型。

y=y1-4.8y2=79.80+55.32A-0.02B-

0.24AB+0.66C

(11)

由于A∈[0.4，0.8]，B∈[200，250]，C∈[5，15]，通過對A、B、C分別求偏導數的方法得到集條效果y的極大值，則此時A、B、C對應的值為最優值，通過計算取A=0.8、B=200、C=15時，y最大為91.55，將A、B、C的值代入式(9)中，得紅棗集條率y1為97.54%，代入式(10)中，得紅棗破損率y2為1.11%。在因素取值范圍內，前進速度A取值越大、盤刷轉速B取值越小，有利于降低破損率，盤刷前傾角C取值越大，有利于提高集條率。綜上經多元回歸分析的優化，確定最優因素水平，前進速度為0.8 m/s、盤刷轉速為200 r/min、盤刷前傾角為15°時，紅棗集條率y1為97.54%，破損率y2為1.11%。

3.4 田間試驗驗證

在最優參數組合下，即前進速度為0.8 m/s、盤刷轉速為200 r/min、盤刷前傾角為15°時，開展田間驗證試驗，驗證優化參數的準確性。試驗重復3次，試驗結果如表6所示。

表6 驗證試驗結果Tab.6 Results of verification experiment

通過驗證試驗結果可知，紅棗集條率和破損率的田間試驗值與理論預測值相對誤差均小于2%，表明參數優化模型合理，可用于集條作業性能預測。

4 結論

1)本文設計研發了一種與落地紅棗撿拾機配套的盤刷式集條裝置，可實現收獲期矮密栽培模式棗園內散落于地表的紅棗集條，便于后續撿拾作業。

2)以盤刷轉速、盤刷前傾角和前進速度為影響因素，紅棗集條率和破損率為評價指標，通過三因素三水平正交組合試驗得出影響集條率的主次順序為盤刷前傾角、前進速度、盤刷轉速；影響破損率的主次順序為盤刷轉速、前進速度、盤刷前傾角。采用多元回歸分析的方法，得出最優水平為前進速度為0.8 m/s，盤刷轉速為200 r/min，盤刷前傾角為15°，此條件下紅棗集條率為97.54%，破損率為1.11%。

3)在最佳參數組合下進行田間驗證試驗，結果表明紅棗集條率為96.64%，破損率為1.13%，試驗值與理論預測值相對誤差分別為0.93%、1.77%，各項指標符合設計要求。