梳齿式钙果采摘试验台的设计与试验

房大伟，贺俊林，何永强，杜晓斌，易猛，荆谊，杜俊杰

(1.山西农业大学工学院，山西 太谷 030801； 2.山西农业大学园艺学院，山西 太谷 030801)

钙果，学名欧李(Cerasushumilis)，是我国特有的新型果树资源[1]，其果实内富含果酸钙，有良好的经济价值，开发利用前景广阔[2-3].但当前钙果基本靠人工采摘，机械化采收还处于探索阶段[4-6],使得钙果产业发展停滞.因此，关于钙果的机械化采收亟需开展.

目前，国内外学者对梳齿机械进行了大量研究，姬长英等[7]设计了1种手推式杭白菊梳齿摘花机构，梳齿摘花机能够实现对杭白菊花的采摘；曹卫彬等[8]对梳夹式红花采摘头性能进行了试验并对参数进行了优化；高自成等[9]发现当梳齿采摘上升速度、回转速度发生改变时，对油茶果的采摘效率有较大的影响.徐丽明等[10]研究了梳齿振动装置在枸杞采摘上的应用；Detlef等[11-12]在收获洋甘菊中发现，利用双刀梳齿收获方案对花朵的采摘有较大影响,还证实了不同参数的梳齿刀片对采摘特性的影响存在差异；Filippo[13]探寻了不同弯曲形状、不同涂层材料的波状梳齿在收获食用橄榄中的不同；Branislav等[14]利用旋转梳齿型收割机实现了对万寿菊的机械采摘.然而关于钙果多集中于基因[15]、栽培[16]、质构[17]及深加工上[3]，对梳齿式钙果采摘方面的研究鲜有报道.

本文针对成熟期的钙果机械采摘程度低的问题，结合成熟期钙果植株和果实的基本生长特性，设计了梳齿式钙果采摘试验台，并进行了台架试验研究，以期得到了较优的工作参数组合，旨在为钙果机械化收获、作业参数优化提供理论参考依据.

1 试验台结构及工作原理

钙果机械化采收是一项技术性、季节性比较强的工作，采收条件困难，并且在采收的过程中不能损坏钙果，采收期较短，一般仅为20 d左右.

1.1 钙果植株及果实的基本生长特性

以山西省太谷县巨鑫园区钙果基地主种品种“农大6号”成熟期钙果植株及果实进行研究.植株高L1为600～800 mm，挂果区位差L2为550 mm，根部直径d1为4.88～8.28 mm，顶端直径d2为3.84～6.31 mm[5]，如图1-A所示.钙果单果粒重为13.10～15.32 g，钙果的三轴尺寸，如图1-B所示，果实长为29.20～31.26 mm，宽为27.53～29.71 mm，高为23.33～25.41mm[17].

A：成熟期钙果植株生长特性；B：钙果三轴尺寸.A：Physical parameters of mature fruit plants；B：Triaxial size of fruit.图1 钙果植株及果实的基本生长特性Figure 1 Physical parameters of mature fruit and plants

1.2 试验台整体结构

梳齿式钙果采摘试验台是钙果采摘关键部件，具体结构、名称如图 2所示.采摘试验台包括输送装置(导轨、输送平台、枝条夹具)，机械装置(梳齿采摘机构、机架)，动力驱动装置(电磁调速电动机)，调速控制装置(调速器)等.采摘试验台参数如表1所示.

表1 梳齿式钙果采摘试验台参数Table 1 Parameters of comb-type picking test bench for Cerasus humilis

1：导轨；2：输入平台；3：枝条夹具；4：钙果植株；5：梳齿采摘机构；6：机架；7：电磁调速电机；8：调速器.1：Slideway；2：Input platform；3：Branch fixture；4：Plant of Cerasus humilis；5：Structural figure of comb-type；6：Chassis.7.Electromagnetic speed regulating motor 8.Speed governor.图2 梳齿式钙果采摘试验台结构示意图Figure 2 Structural figure of comb-type picking test bench for Cerasus humilis

1.3 工作原理

工作时电磁调速电机通过带传动(传动比为1∶1)控制从动轴的转速，梳齿采摘机构固定在从动轴上，由从动轴带动整个梳齿采摘机构旋转.采摘机构旋转，梳齿由下往上对钙果植株进行梳刷，当梳齿间隙介于钙果植株直径与钙果果实最大处直径时，植株有效喂入梳齿，梳齿运动触碰到钙果果实最大处时，利用冲击力将钙果从植株上摘下，从而实现钙果采摘.

2 关键部件设计及工作原理

2.1 梳齿采摘机构

梳齿采摘机构是梳齿式钙果采摘试验台重要工作单元，由辐盘、从动带轮、轴承座、传动轴、梳齿安装座、滚筒、梳齿等组成，如图3所示.滚筒上均匀分布4排梳齿安装座，通过螺栓固定在滚筒上，每个梳齿安装座上均匀分布着47 对螺栓孔，相邻孔的中心距为10 mm.梳齿的截面宽度10 mm，通过双螺栓连接紧固安装在梳齿安装座内，可拆卸实现不同梳齿间隙、不同梳齿形状的调节.滚筒两端设有辐盘，辐盘与传动轴相连.

1：辐盘；2：传动带轮；3：轴承座；4：传动轴；5：梳齿安装座；6：滚筒；7：梳齿；8：螺栓孔.1：Spoke plate；2：Belt pulley；3：Bearing seat；4：Transmission shaft；5：Comb mounting seat；6：Roller；7：Comb；8：Bolt hole.图3 梳齿采摘机构结构示意图Figure 3 Structural figure of Cerasus humilis comb-type picking test bench

2.2 梳齿采摘机构回转外径

梳齿采摘机构是通过冲击碰撞将钙果摘落，其回转外径影响钙果从植株上摘下.工作时，梳齿运动为梳齿绕传动轴的圆周运动与机器前进运动的合成[18].设机器由右向左进行采摘，梳齿水平向上开始梳刷，采摘工作时梳齿上任意1点的运动轨迹如图4所示.

O为坐标原点，前进方向为x轴，垂直方向为y轴，梳齿旋转角速度为ω.经过一段时间后，梳齿上的任意1点的运动轨迹方程为：

(1)

式中，v为机器前进速度(m/s)；H为传动轴安装高度(mm)；r为梳齿上某1点到传动轴的距离(mm)；ω为滚筒转动角速度(rad/s)；t为时间间隔；s、O1为梳齿传动轴的位置.

图4 梳齿运动轨迹Figure 4 Trajectory of comb

为满足将钙果果实能够全部被摘下，梳齿机构回转外径R为：

(2)

当梳齿运动到y轴方向最高点时，(y-H)应大于等于钙果挂果区位差(mm).经调查测得挂果区位差为550 mm，设计时取梳齿回转外径为650 mm.

2.3 梳齿间隙

梳齿间隙大小直接影响钙果果实与植株的分离效果.钙果从植株被采摘下需要满足：

2Fy≥T

(3)

式中，Fy为梳齿对钙果冲击力F在竖直方向力(N)；T为植株对钙果的拉力，即果实脱落的力(N).

(4)

式中，F为梳齿对钙果的冲击力(N)；α为F与水平方向的夹角(°)；d为梳齿间隙(mm)；s为钙果植株的重心到梳齿上端面的距离(mm).

1：钙果植株；2：梳齿.1：The plant of Cerasus humilis fruit；2：Comb.图5 采摘过程中钙果受力示意图Figure 5 Schematic diagram of Cerasus humilis force during picking process

由式(3)、(4)得出：

(5)

由式(5)可知，F与d同趋向变化，梳齿间隙d变大，使梳摘下钙果冲击力变大，果实更易破损，但过小易造成阻塞、缠绕等.因此，梳齿间隙d小于钙果果实最大处直径，大于钙果植株直径.因此，d理论范围取值为10～30 mm，最佳采摘间隙通过采摘试验确定.

2.4 梳齿转速

梳齿转速的大小影响钙果果实的采摘质量，经前期试验[6]，其转速大于30 r/min 时，可将钙果梳脱，当大于70 r/min时，梳脱下的钙果破损严重，因此选择梳齿转速在30～70 r/min之间.

2.5 梳齿形状

梳齿是直接将钙果果实梳脱的部件，其形状与钙果摘落质量相关.参考玉米梳齿摘穗[18]、钙果收获[19]，选取圆弧形、圆角形、六角形3种不同形状梳齿，探寻钙果采摘的最佳梳齿形状.不同形状梳齿如图6所示.

1：圆弧形；2：圆角形；3：六角形.1：Arc；2：Fillet；3：Hexagon.图6 不同形状的梳齿Figure 6 Different shapes of comb

3 台架试验

3.1 试验材料与方法

“农大6号”钙果植株，自制试验台，电子天平(量程 0～1 000 g，精度 0.01 g),数字式转速表(量程：2.5～99 999 r/min，精度：0.1 r/min).如图7所示为钙果采摘试验台.

采摘试验在室内进行，因钙果采摘试验台固定，需通过钙果植株移动来模拟田间作业时收获机器与植株的相对运动.试验时，将钙果植株根部通过枝条夹具用螺栓固定在输送装置上，调速电机输出端转动带动牵引绳使固定钙果植株的输送装置沿导轨向钙果采摘试验台喂入进而实现采摘试验，试验时输送装置的前进速度为0.4 m/s[20].

图7 钙果采摘试验台Figure 7 Combing performance test bentch

3.2 试验因素及水平设计

根据梳齿运动轨迹和脱果受力影响，选取影响采摘效果的关键因素：梳齿间隙、梳齿转速、梳齿形状进行三因素三水平正交试验[21]，正交试验因素和水平如表2所示.

表2 正交试验因素与水平表Table 2 Orthogonal test factors and levels

3.3 试验指标确定

按照钙果采摘试验台的工作性能，明确上述影响因素对钙果采摘质量影响.本试验选用钙果采净率Y1、和破损率Y2作为评价指标，计算方法如式(6)、(7)所示.

钙果采净率Y1：梳脱下钙果质量与试验前植株上所有钙果总质量的百分比为钙果采净率.其计算公式为：

(6)

式中，M1为梳脱下钙果质量(g)；M为试验前植株上所有钙果总质量(g).

钙果破碎率Y2：被梳脱下钙果中破损质量与梳脱下钙果质量的百分比为破损率.其计算公式为：

(7)

式中，M2为被梳脱下钙果中破损质量(g).

本试验通过正交组合，安排9组试验，每组试验重复3次，结果取平均值.试验结果通过SAS8e 软件进行处理分析.正交试验方案与结果如表3所示.

为了确定梳齿间隙、梳齿转速、梳齿形状3个试验因素交互对试验指标的影响，对各因素进行了方差和极差分析，如表4、表5所示.

表3 正交试验方案与结果

表5 极差分析结果

4 结果分析与验证

4.1 结果分析

由表5可知，梳齿间隙和梳齿转速对采净率呈显著性影响(P<0.05)，梳齿转速和梳齿形状对破损率呈显著性影响(P<0.05).

极差结果如表6所示，分析表明：各因素对采净率影响的主次排序是梳齿间隙>梳齿转速>梳齿形状；各因素对破损率影响的主次排序是梳齿转速>梳齿形状>梳齿间隙.

采净率的较优参数组合是A2B3C2,破损率较优参数组合是A2B1C2,两种指标在梳齿间隙为20 mm时工作情况较好.由方差分析的结果可得，梳齿转速对于采净率和破损率均有显著的影响，随着转速的升高，采净率和破损率呈现增加的趋势.梳齿形状对采净率指标无明显影响，但对破损率有显著影响.综合考虑，为得到较高采净率且较低的破损率，梳齿作业的较优组合是A2B1C2，即梳齿间隙为20 mm，梳齿转速为30 r/min梳齿形状为圆弧形.

4.2 试验验证

以梳齿间隙为20 mm，梳齿转速为30 r/min梳齿形状为圆弧形，在梳齿采摘试验台上进行验证试验，为消除随机误差，进行3次重复性试验取平均值，结果采净率为96.01%，破损率为2.21%,如图8所示为用较优组合试验前后采摘效果对比.

图8 较优参数组合试验前后采摘对比Figure 8 Comparative effect before and after the combination of better parameters

5 结论

1) 针对钙果采收机械化程度低的问题，设计了梳齿式钙果采摘试验台，主要包括机架、梳齿采摘机构、动力驱动装置、调速装置、输送装置等.

2)以采净率，破损率为试验指标，对试验数据通过SAS8e软件处理及分析，各因素对采净率影响的主次排序是梳齿间隙、梳齿转速、梳齿形状，各因素对破损率影响的主次排序是梳齿转速、梳齿形状、梳齿间隙.

3)以较优的参数组合梳齿间隙为20 mm，梳齿转速为30 r/min梳齿形状为圆弧形，在梳齿式钙果采摘实验台上进行验证试验，其采净率为96.01%，破损率为2.21%.试验结果稳定.表明梳齿采摘机构能够实现对钙果的采摘工作.

本文仅对梳齿间隙、梳齿转速等试验因素进行了采摘试验研究，还需对输送装置前进速度、钙果采摘后收集装置设计等进行深入研究，为钙果的机械化采收、作业参数优化提供技术参考与借鉴.