梳脱式钙果采收试验台设计与优化

刘少华，贺俊林，吴 楠，何永强，易 猛，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)

0 引言

钙果，又被称为欧李，属蔷薇科灌木果树[1]。钙果虽然树体矮小，但是其营养含量非常高，而因其钙元素的含量为60 mg100 g，跟其他果实相比尤为突出，由此而得名[2]。

钙果植株本身矮小，果实成熟后倒伏严重，且果实成熟后质软、易破损，导致其收获方面还是采用最原始的人力收获，劳动量大，效率低。同时钙果是我国新型产品，国外并没有相关研究。目前国内学者刘海峰等[2-3]运用三维设计软件对钙果采摘装置进行了三维设计；张伟等[4]设计了间歇性梳齿部件采收机构；孙志滨等[5-6]设计了摘果辊采摘的钙果枝条喂入装置；亢石磊等[7]通过仿真分析研究了不同梳齿形状在采摘时对钙果的受力情况；何永强等[8-9]以仰角、偏角、扶禾速比和拨指间距为影响因素，采净率、破损率为评价指标进行试验，研究设计了拨指式钙果扶禾试验台和连续性梳齿式采摘试验台。

研究发现，钙果在被梳脱之后具有不定向掉落的现象，这不利于钙果的田间收集。为了解决这一问题，以电机转速、梳齿弯曲角度、梳齿排布弧度直径和梳齿材质为影响因素，以采收率为评价指标进行试验研究。

1 试验台设计

1.1梳脱采收钙果原理

试验对象为农大4号钙果，果实直径12～20 mm，钙果枝条直径3～8 mm，梳齿间距为12 mm。工作时枝条可以穿过梳齿间隙，而果实无法穿过梳齿间隙，当梳齿与果实之间的碰撞力大于果实与果柄之间的连接力时，果实就会被梳脱下来。钙果梳脱原理如图1所示。

1.2结构设计

参考现有研究，再结合钙果物料特性和田间生长环境，设计了如图2所示的梳脱式钙果采收试验台[10-15]。试验台主要由机架、转动圆盘、传动轴、梳齿、梳齿载体板、挡板和集果箱组成。梳脱试验台为连续性工作试验台，梳齿部件可拆卸更换，试验台由三相可调速电机YCT160-4A为传动轴提供周转动力，传动轴再带动梳齿部件做周转运动。在梳脱作业时，枝条可以穿过梳齿间隙，而果实被梳齿阻挡，随着梳齿部件不断周转运动，果实最终被梳脱下来，梳脱下来的果实在惯性、梳齿的回拨及挡板的共同作用下，最后落入试验台后方的集果箱中，从而完成采收过程。

1.3钙果掉落轨迹与梳齿参数优化

钙果梳脱过程中梳齿与果实发生碰撞，脱落后的钙果会在碰撞力F给予的初速度v以及重力G的作用下向地面掉落，钙果脱落轨迹如图3所示。当钙果的位置低于梳脱式试验台的旋转中心高度时，钙果最终掉落到试验台前方；当钙果的位置高于梳脱式试验台的旋转中心高度时，钙果最终掉落到试验台后方。理论上试验台的中心距越小越好，但实际中钙果枝条长度为650～1 000 mm，为了保证在梳脱时枝条不被缠绕，梳齿的长度应大于枝条长度的50%。从现有梳齿式采摘试验台的试验结果可知，直形梳齿沿直线排布时，梳脱下来的果子主要向前后掉落，一小部分果子会向左右弹落，因此为了提高采收率，除了增加左右挡板之外，还需要对梳齿部件进行优化，加大钙果向试验台后方掉落的比例。

由图3可以看出，钙果在收获时会有一部分脱落到试验台前方，若将梳齿进行弯曲，当钙果位置低于梳脱式试验台的旋转中心高度时，在转过一定角度后，一部分果子会直接和弯曲部分发生碰撞最终落到梳齿上，一部分掉落的果子在掉落时会碰撞到弯曲的梳齿反弹到梳齿上，随着梳齿不断周转运动，最终将钙果拨落在试验台后方的集果箱中。

理论上梳齿的弯曲角度越大越好，但当梳齿弯曲角度>90°后，可能会不利于枝条的喂入，影响采收效果。为了探究不同的梳齿弯曲角度对采收效果的影响，分别设计了60°、90°和120°弯曲角度的梳齿，进行对比试验。其次结合试验台两边的挡板设计，将梳齿在排布的时候按一定的弧度进行排布，定向给钙果一个向左或向右的力，使其向左右脱落，这样脱落下来的果子将会被挡板挡住掉落到梳齿上，最后落到集果箱中，分别设计了直径为600、750和900 mm的弧度进行梳齿排布。试验台技术参数如表1所示。

表1 试验台主要技术参数

2 试验台性能试验

2.1试验设备与材料

试验所需设备和材料为梳脱式试验台、农大4号钙果挂果枝条及其他辅助材料。自制梳脱式试验台如图4所示。农大4号钙果挂果枝条为巨鑫现代农业基地采得，试验日期为2019年9月2日。

2.2单因素试验

以采收率为评价指标，分别以电机转速、梳齿弯曲角度、梳齿排布弧度的直径以及是否带橡胶套为影响因素进行单一变量试验，探究电机转速、梳齿弯曲角度、梳齿排布弧度的直径以及梳齿材料等因素对收集效果的影响。采收率的计算如式(1)所示。

(1)

式中N——采收率， %

G——钙果枝条上总挂果数

G1——集果箱中果实数

为减小随机误差，以上4组单一变量试验中的各个变量分别重复试验3次，取平均值，试验结果如图5所示。

表3 方差分析

注：P<0.01(极显著)，P<0.05(显著)。

由图5试验结果可知，钙果采收率受电机转速、梳齿弯曲角度、梳齿排布弧度及是否套橡胶套等因素的影响。由图5a可以看出，电机转速为20～35 rmin时，以梳齿弯曲角度60°、梳齿排布弧度直径900 mm和无橡胶套的条件进行试验时，试验台的采收率随电机转速增大而降低。由图5b可以看出，电机转速27 rmin、梳齿排布弧度直径900 mm和无橡胶套条件下，试验台采收率随梳齿弯曲角度增大而逐渐升高。由图5c可以看出，电机转速27 rmin、梳齿弯曲角度60°和无橡胶套条件下，试验台采收率随梳齿排布弧度直径的增大而逐渐升高。由图5d可以看出，电机转速27 rmin、梳齿弯曲角度60°和梳齿排布弧度直径900 mm的条件下，给梳齿套上橡胶套之后，试验台的采收率会降低，主要原因是橡胶套的弹性系数和摩擦系数比梳齿本身大，导致钙果脱落时初速度变大，脱落范围变大；其次部分钙果会夹在梳齿之间，导致果实破损严重且无法掉落到集果箱中。

2.3正交试验

由单因子试验结果可知，钙果的采收率会受到电机转速、梳齿弯曲角度、梳齿排布弧度和是否套橡胶套等因素的影响，其中套橡胶皮套变量因素单一，因此不考虑这个因素。为了探究电机转速、梳齿弯曲角度和梳齿排布弧度3因子对采收率影响的最优组合，进行3因素3水平的正交试验，试验因素指标如表2所示。试验利用SAS软件进行3因素3水平正交试验设计和方差分析，方差分析结果如表3所示。由表3可知，电机转速、弯曲角度和排布弧度对果实采收率影响极显著，两因素交互试验数据表明3因素对采收率影响的优先级依次为弯曲角度>排布弧度>电机转速。

2.4最佳梳脱参数选择

根据单因素试验和正交试验结果，综合考虑实际采摘效率，选择最优梳脱参数：转速25 rmin、梳齿弯曲角度120°和梳齿按直径为900 mm的弧度进行排

表2 试验因子指标

布。在最优梳脱参数下进行试验，试验重复3次取平均值，最终得到试验台采收率为95.03%。

3 结论

(1)单因素试验结果表明，梳脱式钙果采收试验台采收率随电机转速的增大和梳齿材质本身弹性系数和摩擦系数的增大而逐渐降低，随梳齿弯曲角度和梳齿排布弧度直径的增大而逐渐升高。

(2)正交试验结果表明，电机转速、弯曲角度和排布弧度对果实采收率影响极显著，两因素交互试验数据表明3因素对采收率影响的优先级依次为梳齿弯曲角度、梳齿排布弧度和电机转速。

(3)根据试验结果，综合考虑实际采摘效率，选择最优梳脱参数：转速25 rmin、梳齿弯曲角度120°和梳齿按直径为900 mm弧度进行排布，在最优梳脱参数下开展试验，得试验台采收率为95.03%。试验所得数据可为实现钙果机械化采收相关研究提供参考。