矮化密植紅棗振動式采收機作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗

關(guān)鍵詞： 農(nóng)業(yè)機械； 振動采收； 作業(yè)參數(shù)； 優(yōu)化； 試驗

中圖法分類號： S225.93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1000-2324（2024）01-0084-09

迄今為止，紅棗在我國已有4 000 年的栽培歷史[1]，因其優(yōu)秀的抗旱性被人們種植在沙漠邊緣保護(hù)生態(tài)的一種果樹，既能防風(fēng)固沙又有經(jīng)濟效益，被農(nóng)民所喜愛[2]。新疆，特別是新疆天山以南（以下簡稱南疆）有其獨特的自然條件，在退耕還林政策的引導(dǎo)下，紅棗被大面積種植在沙漠邊緣，即給農(nóng)民增加了收入，也保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，其主要種植模式為矮化密植（株行距1-2 m×3 m）。近年來，隨著紅棗市場價格低迷，加之用工成本的增加，出現(xiàn)紅棗滯銷，甚者棗農(nóng)砍挖棗樹改種其它經(jīng)濟作物，給原本南疆脆弱的生態(tài)屏障造成了影響[3-5]。紅棗采收是生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有季節(jié)性強，用工多，勞動強度大的特點，其人工成本占比達(dá)35-60%[6]，已成為制約南疆發(fā)展發(fā)展的瓶頸。

國外林果振動采收研究較早，技術(shù)相對成熟，并在扁桃、核桃、開心果等尖果和制醬用蘋果、杏等廣泛應(yīng)用，采凈率達(dá)90%以上[7-13]，所使用的振動采收機振動強度大，機具體型大，要求作業(yè)空間大，適用于大空間的果園，而南疆矮化密植棗園棗樹體、株行距小，國外的振動采收機不適用于采收南疆矮化密植種植模式的紅棗。近年來，振動采收機械方面的研究不斷深入，由孟祥金等[14]研制了由液壓馬達(dá)驅(qū)動偏心塊振動的4YS-24 型紅棗收獲機，該機生產(chǎn)效率高，是人工采收的4-11 倍，全樹85%-98%的果實都能被搖落，由梅松等[15]研制了履帶底盤行駛拍振機—傘形接果式的紅棗冠型拍振復(fù)合小型采收機，張志棟等[16]設(shè)計了曲柄連桿機構(gòu)激振式大棗采摘收集一體機，可適應(yīng)陜西等丘陵山區(qū)密植大棗的采摘作業(yè)條件，王大鵬等[17]研制了曲柄滑塊機構(gòu)振動式棗類采摘系統(tǒng)，工作時可以通過調(diào)節(jié)有刷電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)振動頻率，實現(xiàn)對不同品種的棗樹進(jìn)行收獲的功能，但上述機具體積較大，激振強度大，不適合南疆矮化密植樹冠徑小，樹干較小的紅棗采收。

針對南疆矮化密植棗園行距、株距和樹體小的特點，項目組設(shè)計并設(shè)計研制了一種基于三輪電動車為載體，48 V永磁直流電機為激振動力源，單偏心塊為激振器的小型紅棗振動采收機，對紅棗激振落果的條件進(jìn)行了分析，建立了棗樹三維模型，分析了其固有頻率，并進(jìn)行了棗園采收試驗。

1 采收機的結(jié)構(gòu)與工作原理

單偏心塊式紅棗振動采收機主要由單偏心激振裝置、夾持裝置、移動小車和控制裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，激振裝置控制由安裝在小車手把下方的旋鈕開關(guān)控制其轉(zhuǎn)速，激振裝置可隨棗樹一起自由振動，激振電機選用了與三輪電動小車驅(qū)動電機同型號的HRD 48 V650 W無刷永磁直流電機，實現(xiàn)了2個旋鈕開關(guān)共用1 個電瓶，2 個旋鈕開關(guān)可單獨控制小車的驅(qū)動和振動電機的旋轉(zhuǎn)。在采收機時，由人工將夾持裝置推向棗樹樹干，與棗樹干相接觸，通過搖動螺紋絲杠帶動活動支臂，使2 個半圓夾持頭閉合，夾緊棗樹干，如圖2，圖3 所示，旋動激振電機控制開關(guān)，電機工作時帶動偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生激振，激振力通過樹干，傳遞于棗枝、棗吊和紅棗，在激振力的作用下將掛于棗吊上的紅棗振落，達(dá)到采收的目的。為滿足機具能在矮化密植的棗園樹體間和樹冠下穿行作業(yè)，移動小車的長寬高整體尺寸為1 500 mm×650 mm×1200 mm，手把可360°旋轉(zhuǎn)，座椅為雙向插孔安裝，可實現(xiàn)正向和反向駕駛小車，便于采收作業(yè)，夾持裝置高度可通過搖動高度調(diào)節(jié)的螺紋絲杠，帶動采收機主臂和振動裝置升高或降低，主臂為2 段，可根據(jù)樹冠大小自由調(diào)整主臂的采收范圍，機具采收的振動頻率由電機轉(zhuǎn)速決定，即控制旋鈕開關(guān)大小可改變電機轉(zhuǎn)速，從而改變振動頻率，可適應(yīng)不同棗樹樹干直徑的紅棗采收要求。

2 振動落果條件分析

機具直流電機帶動單偏心塊激振樹干，激振力通過樹干傳遞給棗樹的枝-柄-果，紅棗果實隨樹體做擺動，可近似看作一個連續(xù)動態(tài)單擺振動模型[18-19]。此時，紅棗受到了自身重力G、果柄的連接拉力N 以及振動時紅棗產(chǎn)生的慣性力F 共同作用，紅棗果實生產(chǎn)的擺動，擺動角為ψ，其擺角的大小與偏心塊的重量，即振幅成正比，也與樹體的振動頻率和機電轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)兩者頻率一致時，產(chǎn)生共振。

紅棗果實在不受外力作用時，紅棗的重力G與果柄的拉力N，相互平衡，在受到激振外力作用下時，果實受慣性力的作用擺動，此時受力情況如圖4 所示，在受力圖中，對振動時紅棗果實生產(chǎn)的慣性力進(jìn)行分解，其中法向慣性力Fn，切向慣性力Ft，此時法向慣性力Fn產(chǎn)生與果柄反向的拉力，切向慣性力Ft產(chǎn)生擺動的力矩，在法向慣性力和切向慣性力共同作用下產(chǎn)生的拉扭的作用，當(dāng)大于紅棗果實棗吊與果柄或紅棗果實與果柄的連接力時，紅棗果實被振動落果。

從上式可知，ω 激振頻率，即電機的轉(zhuǎn)速是關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)激振頻率升高時，慣性力也增加，激振效果好，易造成紅棗果實脫落；當(dāng)A₁振幅加大時，激振效果好，但當(dāng)振幅增加后，棗樹扭轉(zhuǎn)變加劇，紅棗樹干變形嚴(yán)重，造成棗樹損傷。因此，在計算確定電機轉(zhuǎn)速，即激振頻率時，調(diào)整單偏心塊的重量，防止振幅過大而損傷棗樹。

為獲得機具振動時所產(chǎn)生激振力的大小，課題組對不同采收時期紅棗果實與棗枝之間的連接力進(jìn)行了測量，見表1，并繪制了隨采收時間的后移，紅棗果實與棗枝連接力的變化趨勢圖，見圖5。

從表1 和圖5 中可知，紅棗果實在采收期內(nèi)，隨著采收時間后移，紅棗、果柄、果枝的水分散失，紅棗與果枝的連接力呈下降趨勢，此時的連接力較小，易受外力的影響造成自然落果。

3 棗樹固有頻率的仿真計算

為使棗樹的固有頻率與電機激振頻率一致，產(chǎn)生共振效應(yīng)，提高機具的采收效果。課題組選擇了15 年生棗樹，樹干直徑為75 mm，冠徑2 536 mm，主干分叉高度380 mm的棗樹，利用Solid works 對樹體進(jìn)行了建模。為便于模型的建立和后期的振動仿真模擬，將棗樹簡化，只建模到三級枝，忽略了棗吊，在棗樹高度和冠徑不變的前提下進(jìn)行1∶1 建模，如圖6 所示。通過查閱文獻(xiàn)得知，棗樹模型的密度定義為478 kg/m³，彈性模量6.658E+09 Pa，泊松比為0.3。

運用Solid works Simulation插件對棗樹的固有頻率分析，經(jīng)模擬，當(dāng)頻率數(shù)為190 時，模型的質(zhì)量參與符合要求，如表2所示，經(jīng)仿真計算得棗樹在不同頻率數(shù)下的固有頻率如表3所示。

將表3固有頻率參數(shù)計算結(jié)果賦予三維模型樹體，并對樹體模型上同一點進(jìn)行應(yīng)力變化過程的探測。通過前期試驗可知，振動發(fā)生11 s內(nèi)，棗果實已振落完畢，故對所得圖像前11 s 的各峰值數(shù)據(jù)進(jìn)行提取與分析，所得結(jié)果如圖7所示。

由圖7 可得，各階應(yīng)力峰值到達(dá)的時間相差無幾，將各階應(yīng)力峰值提取繪制了趨勢圖，如圖8 所示，第六階響應(yīng)效果最好，此時的振動頻率為15.963 Hz，這就要求，振動電機的工作頻率在此頻率附近，從而產(chǎn)生共振效應(yīng)。

4 紅棗振動采收試驗

4.1 振動采收參數(shù)的確定

機具振動采收的效果與電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的振動頻率、偏心塊質(zhì)量、振動機構(gòu)的夾持位置和振動采收時長有密切的關(guān)系，根據(jù)計算，棗樹體的固有頻率為15.963Hz，因此試驗振動頻率范圍選取為10Hz-22 Hz，所對應(yīng)激振直流無刷電機的轉(zhuǎn)速為600-1320 r/min，經(jīng)預(yù)試驗可知，當(dāng)偏心塊的重量大于800 g 時，機具振動加劇，當(dāng)夾持棗樹干高度小100 mm時，振動采收的效果不佳，僅有很少量紅棗被振落，在電動機啟動后11s內(nèi)，能通過振動掉落的紅棗均已振落，因此，經(jīng)預(yù)試驗確定電機轉(zhuǎn)速（r/min）分別為600/780/960/1140/1 320，所對的振動頻率（Hz）為分別為10/13/16/19/22，單偏心塊的重量（g）分別為500/550/600/650/700，夾持棗樹干的高度（mm）分別是100/150/200/250/300，電動振動轉(zhuǎn)動時長（s）分別是3/5/7/9/11。

4.2 試驗條件

機具采收試驗于2022年11月13日—11月14日，在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第一師阿拉爾市十團進(jìn)行，試驗棗園為矮化密植模式，棗樹種植年限大于15年的棗園，紅棗品種為灰棗，試驗期間已霜降，為紅棗收獲末期，試驗隨機選取了75 棵棗樹，采收試驗如圖9所示。

4.4 單因素采收試驗

為獲得各單一因素對采收率的影響，以電機轉(zhuǎn)速、夾持高度、偏心塊重量和激振時長4 個因素分別進(jìn)行了單一參數(shù)變化試驗，因素水平編碼表如表4，試驗結(jié)果如表5～7所示，由試驗結(jié)果可知，夾持高度對采收率影響較大。

4.5 正交采收試驗

為得到激振電機轉(zhuǎn)速、偏心塊重量、夾持高度和激振時長4個參數(shù)間的最優(yōu)組合，設(shè)計了四因素五水平正交試驗，正交試驗表及結(jié)果如表8。

4.6 試驗結(jié)果與分析

為得到各因素間的優(yōu)勢，因素間具體水平的優(yōu)劣，利用極差分析求得各因素的極差如表9。

由表9可知，各因素間最優(yōu)組合為A₄B₄C₁D₃，即當(dāng)電機轉(zhuǎn)速1140 r/min，偏心塊質(zhì)量為650 g，夾持高度為300 mm，振動時間9 s。

對正交試驗結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析主體間效應(yīng)檢驗，結(jié)果如表10所示，由結(jié)果可知，電機轉(zhuǎn)速、偏心塊質(zhì)量和振動時間這三個因素對采收率影響顯著，且影響強弱順序依次為夾持高度、振動電機轉(zhuǎn)速、偏心塊重量、振動時長。

4.7 結(jié)果驗證試驗為檢驗

正交試驗結(jié)果所得的最優(yōu)組合下效果，在所有試驗條件不變的情況下，在最優(yōu)組合下進(jìn)行了結(jié)果驗證試驗，結(jié)果如表11 所示，可知在最優(yōu)組合下，采收率平均為90.32%。

4.8 未振落果實試驗與分析

在采收試驗時，約有10%的紅棗未被振落，對未被振落紅棗的位置進(jìn)行觀察，如圖10 所示，未振落的紅棗在棗樹枝的枝頭和枝干中間均存在，無任何規(guī)律。用測力計對紅棗果實與棗吊二者之間的連接力和含水率進(jìn)行了測量，如圖11-12 所示，從圖中可看出未振落紅棗的含水率大多在33%-48%之間，平均值為39.21%，未振落紅棗的連接力在1 N-5.5 N之間，平均值為2.51 N，與前述紅棗連接力比較，均大于試驗采收期時的連接力。

分析未振落的原因，棗樹的開花期一般為2-3 d，但花期會受到氣溫、水分等影響，花期可達(dá)1-2 個月，后期開花的，結(jié)果也較晚，在采收時，紅棗還未成熟，紅棗果實含水率高，與棗吊的連接力強，因此無法通過振動落果，采摘后觀察，未振落的紅棗可食用干物質(zhì)少，重量輕，為殘次紅棗。

5 結(jié)論與展望

（1）設(shè)計研制的由三輪電動車為載體的小型單偏心塊式紅棗振動采收機，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速1 140 r/min，偏心塊質(zhì)量為650 g，夾持高度為300 mm，振動時間9 s，為最優(yōu)組合，各因素對采收率影響顯著強弱順序依次為夾持高度、振動轉(zhuǎn)速、偏心塊重量和振動時長，最優(yōu)組合試驗采收率平均為90.32%；

（2）未振落紅棗在樹體的分布無規(guī)律可尋，紅棗果實平均含水率為39.21%，高于被振落紅棗含水率和連接力在；

（3）試驗證明小型單偏心塊式紅棗振動采收機對南疆矮化密植紅棗采收是可行的，有助于推動林果業(yè)采收機械化的進(jìn)程，但采收后，紅棗落于地表，還需要大量人工撿拾，下一步，課題組將進(jìn)一步完善機具的設(shè)計，增加U型傘盛接裝置，將振落的紅棗盛接于倒傘中，提高采收的機械化率。