弹齿滚筒式辣椒采摘装置性能的试验研究

雷明举，王 飞，王 梦，薛 风，贺 艳，陈永成

(1.新疆工程学院 机械工程系，乌鲁木齐 830000；2.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

0 引言

辣椒营养丰富，用途广泛，可食用，也可用于工业深加工，已成为一种世界性的、仅次于番茄和豆类的第三大蔬菜作物；而在中国，辣椒是除白菜之外的第二大蔬菜作物[1]。我国辣椒种植面积居于世界首位，辣椒产品也深受国人喜爱，随着市场需求的变化和农业产业结构的调整，辣椒种植面积在逐年扩大[2-3]，形成了多个区域性种植集散地。到2015年，我国辣椒年种植面积已达150万hm2[4]。

我国辣椒产业的发展潜力巨大，但收获方式的落后却成为影响其快速发展的主要障碍。目前，我国大部分地区的辣椒通过人工方式采摘，收获效率低下。国外，以美国为主的国家早在20世纪60年代就进行了辣椒的机械化收获研究[5-8]，技术较为成熟；而我国这一研究尚处于起步阶段。近几年，经过农业院校和相关科研机构的努力，研发出能初步实现机械化收获的辣椒收获机；但与国外先进的辣椒收获机相比还有较大差距，机械化程度较低，尤其是决定辣椒收获机采摘性能的核心部件—采摘装置，存在含杂率高、采净率低及损失严重的问题。为了提高辣椒采摘装置的性能，必须对辣椒收获过程中影响破损率、采净率、含杂率等指标的主要因素：齿间距离、运行速度、滚筒转速进行研究。本文针对国内广泛采用的弹齿滚筒式辣椒采摘装置的采摘性能进行了试验研究，为辣椒收获机采摘机理研究和分析提供必要的参数依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与设备

试验所需材料和设备：新疆兵团广泛种植的红安6号线辣椒，弹齿滚筒式辣椒采摘装置试验台，控制电动机转速的HDI-M系列通用变频器2台，Y90L-2型三相异步电动机2台，卷尺，计重电子秤1台、精度0.01kg。

试验台以石河子大学自主研发的4LS-1.6型弹齿滚筒式辣椒收获样机为基础，根据该收获机采摘装置的结构和采摘原理，在石河子沃斯特机械厂设计制造。试验台主要由采摘装置、运行轨道机构、动力装置和电气控制系统等部件组成。采摘装置结构示意图如图1所示。

采摘装置的主要采摘部件是弹齿和滚筒，滚筒采用目前国内通用的400mm直径规格[9]，弹齿零件采用4LS-1.6样机的弹齿，以进给小车模拟辣椒收获机在大田中进给运动，小车上安装辣椒夹持器，模拟辣椒根部土壤固定力，小车上辣椒间距及行距设置按照兵团辣椒种植模式。试验时，通过HDI-M系变频器控制主电机和运行电机的转速，弹齿滚筒由主电机带动做自转运动，运行小车在运行电机带动下沿运行轨道向前运行，辣椒在两相对运动作用下与辣椒植株脱落，由收集装置对脱落的辣椒进行收集。

1.2 试验指标

本试验的目的是研究采摘装置运动参数和结构参数对装置收获性能的影响。在辣椒收获机采摘工作中，要保证采摘性能，首先要求大部分辣椒被采摘干净；其次，要保证收获的辣椒具有良好的外观品质，减少采摘带来的机械损伤；同时，要求采摘工作中，降低遗落在地的损失。试验损失率反映了采摘过程中的浪费程度，破损率决定了辣椒的品质，采净率影响了辣椒的采净程度，它们是反映辣椒采摘装置性能的优劣的重要指标。故确定采净率C、破损率P、损失率S作为试验的指标，各指标的计算公式为

式中C—采净率；

P—破损率；

S—损失率；

Ms—收集箱中辣椒总质量；

Md—掉落在地的辣椒总质量；

My—遗留在辣椒植株上的辣椒总质量；

Mp—破损辣椒总质量。

1.3 试验因素及方法

通过分析弹齿滚筒式辣椒采摘装置的采摘机理，结合大田试验情况并通过经验总结，可知收获机采摘装置性能的好坏主要受弹齿滚筒装置的齿间距离、收获机运行的速度及滚筒转速的影响。齿间距离过大，辣椒不容易被脱落，采净率指标可能会较低；反之，齿间距离过小，会使破损率升高。运行速度较小，采净率指标会提高，但采摘效率降低。滚筒转速越高，越有利于提高采净率，但破损率会随之升高。因此，试验在以提高装置的性能指标和工作效率要求为前提下，确定试验因素分别为齿间距离、运行速度和滚筒转速。同时，试验在忽略各因素有相互影响的前提下，采用三因素三水平的正交表L9(34)来安排试验。根据辣椒种植模式，结合国内同类型采摘装置参数设置，确定各试验因素的水平，试验因素及水平如表1所示。

表1 因素水平表

试验因素确定后进行采摘试验，从大田采取已成熟、喷洒落叶剂两天后的红安6线辣椒植株，每25株为1组编号。用卷尺分别测量株距和行距，安装在装置的夹持器上。试验前通过抽签随机进行选择试验顺序，且保证试验过程中每次试验条件尽可能相同。试验时，用变频器调节主电机和运行电机的转速，将弹齿滚筒装置的转速和小车运行速度分别调至设置的因素水平，通过采摘装置弹齿距离调节机构调节齿间距离。试验结束后，用计重电子台秤称取线辣椒质量，进行数据采集。试验设计方案及结果如表2所示。

表 2 试验方案及结果

2 试验结果与分析[10-11]

2.1 极差分析

极差分析反应试验因素对各指标的影响显著程度，通过极差分析找出各因素的优水平，得到试验指标随因素的变化规律及趋势。对上述各试验结果进行极差运算分析，其结果如表3所示。

表3 试验结果极差运算分析表

由表3试验结果极差运算分析知：针对采净率指标，影响最大的因素是A齿间距离，因素C滚筒转速对其影响最小，因素B运行速度对其影响介于二者之间。采净率数值越大，说明采摘性能越好，故在试验范围内，影响采净率指标的因素优水平组合为A1B2C1，相同因素不同水平对采净率指标的影响关系为：A1>A2>A3，B1>B2>B3，C1>C2>C3。

针对破损率指标，影响最大的因素是B运行速度，因素A齿间距离对其影响最小，因素C滚筒转速对其影响介于二者之间。破损率数值越小，说明采摘性能越好，故在试验范围内，影响破损率指标的因素优水平组合为B1C1A3，相同因素不同水平对破损率指标的影响关系为：A3>A2>A1，B1>B3>B2，C1>C2>C3。

针对损失率指标，影响最大的因素是B行进速度，因素C滚筒转速对其影响最小，因素A齿间距离对其影响介于二者之间。损失率数值越小，说明采摘性能越好，故在试验范围内，影响损失率指标的因素优水平组合为B1A3C2，相同因素不同水平对采净率指标的影响关系为：A3>A2>A1，B1>B2>B3，C2>C1>C3。

2.2 方差分析

对试验结果进行方差分析，得到各因素对指标的影响显著程度，其结果如表4所示。

表4 实验结果方差运算分析表

表4方差分析结果表明：针对采净率指标，因素A齿间距离和因素B运行速度对其均为是高度显著因素，其F检验值分别为149和24.6，均大于临界值Fα，此时检验水平达到α=0.01，可信度达到99%；而因素C滚筒转速对采净率指标的影响为不显著因素。针对破损率指标，因素B运行速度对其影响为高度显著因素，其F检验值为19.2，大于临界值Fα，其检验水平达到α=0.01，可信度达到99%；因素C滚筒转速对其影响为显著因素，其F检验值为15.2，可信度为95%；因素A齿间距离对其影响为不显著因素。针对损失率指标，因素B运行速度对其影响为高度显著因素，其F检验值达到37.2，大于临界值Fα，其检验水平达到α=0.01，可信度达到99%；因素A齿间距离对其影响为显著因素，其F检验值为17.4，可信度为95%；只有因素C滚筒转速对其影响为不显著因素[12]。

结合极差分析结果和方差分析结果可知，影响弹齿滚筒式辣椒采摘装置性能因素顺序为：B运行速度、A齿间距离、C滚筒转速。当运行速度为3m/s、齿间距离为45mm、滚筒转速为150r/min时，采摘装置可获得较优的性能，此时采摘装置的采净率可达到95.39%，破损率降低为2.89%，损失率减少到6.47%。

2.3 回归模型建立及检验[13]

针对体现采摘装置主要性能的采净率指标，利用逐步回归分析方法，研究各因素与采净率指标之间的线性统计规律，建立回归方程，其逐步回归分析结果如表5所示。

表5 逐步回归分析统计表

表5表明：逐步回归分析共进行了3次拟合过程，因素X1齿间距离、X2运行速度、X3滚筒转速先后进入回归方程，显著性数目逐渐增多，各因素与指标Y之间的相关系数由0.79逐渐增大到0.96，回归拟合与试验结果相符度逐渐增大，最终得到各因素与指标之间的一元线性回归方程为

Y=117.5-0.38X1-0.99X2-0.01X3

为了检验该方程的可信程度，对回归方程进行方差分析，并检查各因素相关系数的显著程度，其方差分析结果如表6所示。

由表6方差分析结果知：根据方差数值的大小，可判断因素X1、X2均为高度显著因素，且“回归”项为高度显著，相关系数达到0.983 3，说明回归分析的效果较好。根据F检验值的大小可以判断，因素X1、X2与指标Y之间有较强的线性相关性，且因素X1齿间距离对指标Y的影响程度大于因素X2运行速度，而因素X3滚筒转速对Y的影响不显著， 线性相关性较差。影响Y的3个因素主次顺序为：X1、X2、X3。回归分析结果与方差分析结果相符。

表6 回归方程方差分析

3 结论

1)结合试验设计原理，采用三因素三水平正交试验方法，对影响弹齿滚筒式辣椒采摘装置性能的因素进行分析，得到影响采净率指标的因素主次顺序为齿间距离、运行速度、滚筒转速。其中，齿间距离、运行速度对采净率的影响显著；影响破损率指标的因素主次顺序为运行速度、滚筒转速、齿间距离，且运行速度、滚筒转速对破损率影响显著；影响损失率指标的因素主次顺序为运行速度、齿间距离、滚筒转速，且运行速度、齿间距离对损失率的影响显著。

2)试验结果表明：当运行速度为3m/s，齿间距离为45mm，滚筒转速为150r/min时，采摘装置的采净率可达到95.39%，破损率降低为2.89%，损失率减少到6.47%。

3)建立了采净率指标与弹齿间距、进给速度、滚筒转速的一元回归方程，分析了方程的可靠程度，为弹齿滚筒式辣椒采摘装置采摘机理研究提供了必要的参数依据。

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AbstractID:1003-188X(2018)05-0142-EA