气动翻转梳齿式菊花采摘装置设计与试验

王荣炎 于慧爽 陈安迪 李爱潮 高 磊 郑志安

(中国农业大学工学院， 北京 100083)

0 引言

菊花，菊科菊属的多年生草本植物，花朵中含有多种挥发油、黄酮类、多糖类、三萜类及人体所需的微量元素[1-2]。以北京菊为例，其花朵可药食两用，还可用作牙膏、护手霜等日用品的原料，经济价值高。北京菊具有采后复生的特点，且菊花花朵生长位置分散。目前北京菊靠人工采摘，采摘效率低、成本高，成为制约北京菊产业持续发展的瓶颈[3-5]。

国外关于菊花(菊花品种多为洋甘菊)机械化收获的研究较早，阿根廷、斯洛伐克、塞尔维亚和德国等在20世纪70—80年代已经使用收获机进行洋甘菊收获作业[6]。洋甘菊收获机采摘部件主要有滚筒梳式、滚筒扇板式、梳齿刀组合式和梳齿气动组合式，收获下来的花朵上均带有过长的花柄，含杂率很高，不适用于收获北京菊[7-11]。近年来，国内开始致力于研制食用菊花的收获机械，文献[12]设计了一种手推式杭白菊采摘机，研究了该采摘机转速、梳齿间距和梳齿工作深度对采摘率和损伤率的影响，该采摘机的梳齿安装在链条上，采摘运行稳定性较差，收集装置位于采摘部件下方，采摘机通过性较差；文献[13]研制了一种手推往复梳齿式杭白菊采摘机，利用曲柄连杆机构的急回特性带动梳齿实现菊花的采摘，采摘下来的花朵上无花柄，杂质率和损伤率较低，但机器的通过性较差，且行驶速度受人为因素影响较大；文献[14]发明了一种简易菊花采摘机，该采摘机由汽油发动机提供动力，利用设置在梳齿杆上的切刀对菊花进行收割；文献[15]发明了一种菊花批量采集装置，利用梳刀采集辊进行旋转式采摘，靠离心力将菊花抛入存储箱；文献[16]发明了一种菊花采收机，利用分花齿排将植株分隔为多列，摘花梳齿夹持被分隔的植株，定刀刀片将花朵切割下来。文献[14-16]均为授权专利，实际采摘效果尚未见报道。

根据北京菊的生长特性和采摘要求，本文在已有样机[13]的基础上优化设计一种气动翻转梳齿式菊花采摘装置，并进行田间试验，以获得采摘装置的最优工作参数，旨在为菊花采摘机械化的发展提供参考。

1 菊花力学参数和采摘要求

1.1 力学参数

随机选取20 株盛开期北京菊植株(图1)，对其物理参数进行测量[17-18]，采用游标卡尺(量程0～200 mm、精度0.02 mm)测量各部位直径，采用2519-104型instron万能材料试验机对各部位进行拉伸和剪切试验(图2)，试验机加载速度为3 mm/min，每组重复10次，试验结果如表1所示。

图1 北京菊各部位名称Fig.1 Names of parts of chrysanthemum1.花托 2.花朵 3.花柄 4.二级枝条 5.一级枝条 6.主枝

图2 北京菊力学参数测试Fig.2 Measurement of mechanical parameters of chrysanthemum

表1 北京菊测量参数Tab.1 Measurement parameters of chrysanthemum

根据表1测试结果：相同条件下对北京菊进行拉伸和剪切，除一级枝条外的各部位更容易被拉断；拉断力由大到小依次为一级枝条、二级枝条、花柄，花柄处的平均拉断力为5.14 N，明显小于其它部位。因此，理论上采摘时最先于花柄处拉断。

1.2 采摘要求和设计目标

北京菊的采收期为10月上旬至11月中旬，于管状花散开2/3、花色洁白时采收，采摘时，不能破坏植株，以免影响二次收获，且采摘下来的花朵上不能带着花柄。所设计的采摘装置首先应保证工作运行平稳，采摘速度、采摘高度和机器行驶速度可调，以适应不同密度和高度植株的采摘；机器由手推式变为自走式，降低人为因素对机器行驶速度的影响；采摘轨迹应包络顶层花和底层花的高度差；针对菊花采后复生的特点，要求采摘装置具有较好的通过性，降低对植株的破坏；采摘装置尽量一次性完成采摘和收集。

2 整体结构与工作原理

2.1 整体结构

气动翻转梳齿式菊花采摘装置总体结构如图3所示，整机参数如表2所示。行走装置通过两电机驱动两前轮，两后轮为万向轮，万向轮上增设了扶手，提高了循迹性，同时方便控制转向。采摘部件主要由梳齿排和一对偏置曲柄滑块机构组成，弧形梳齿等间距均匀排布，可更换不同齿距的梳齿排。梳齿安装架两端焊有短轴，左端铰接在左侧的连杆上，右端与摆动气缸轴固接。丝杠升降机构主要包括丝杠、导柱、叉形承接架和电机。传动部件安装在叉形承接架上，主要包括直流减速电机和同步带。气动抛送机构可配合采摘部件将采摘下来的花朵抛送至后方收集装置中。收集装置固定在机架内侧。清齿部件位于梳齿安装架下方。采摘处和升降处的电机可通过控制柜中各调速器进行无级调速。24 V直流电池组配合逆变器为采摘装置提供动力。

图3 装置结构示意图Fig.3 Device structure diagram1.行走装置 2.梳齿 3.机架 4.带传动机构 5.气动装置 6.收集盒 7.逆变器 8.蓄电池 9.升降丝杠 10.叉形承接架 11.电控箱 12.摆动气缸 13.侧板 14.轴套 15.清齿部件 16.曲柄滑块机构

2.2 工作原理

作业前，将机器对准菊花畦垄，调节丝杠升降机构使采摘部件适应待采植株高度。采摘电机通过同步带将动力传递到采摘装置的主动轴，使曲柄匀速旋转，滑块在滑轨上做变速往复直线运动，连杆做平面复合运动，从而带动梳齿排自下而上进行采摘作业。梳齿运动到最低点插入植株，并向斜上方运动采摘菊花。梳齿排运动到最高点时，曲柄转动到接近开关的位置，接近开关将高低电位信号传递给时间继电器，电磁阀再根据时间继电器发出的信号，控制摆动气缸带动采摘齿排向后摆动90°，梳齿排上的花朵受惯性力向后抛送至收集盒中。当滑块在滑轨上运动到最后端的极限位置时，摆动气缸带动采摘齿排向前摆动90°迅速复位，梳齿往复和抛送运动相配合，以此往复。位于梳齿架下方的清齿部件对梳齿进行清理，防止堵塞。采摘梳齿的运转速度、机器行驶速度可根据菊花植株密度进行调节，实现菊花的连续采摘。

表2 整机参数Tab.2 Machine parameters

3 关键部件设计与参数确定

3.1 采摘部件结构与参数

3.1.1梳齿参数确定

梳齿是直接与菊花植株接触的部件，其长度和形状等参数对实际采摘效果有较大影响。梳齿转动一周应包络花朵高度差，梳齿长度过小会漏摘底层花朵，梳齿过长会弯曲变形，综合考虑确定梳齿长度为26 cm，梳齿直径为6 mm。对比了方条型和圆柱型梳齿的采摘效果后发现圆柱型梳齿更容易插入植株，且采摘端部为圆弧型的梳齿相较于直型梳齿，更易于将花朵向后抛送。因此，确定梳齿为采摘端带弧度的圆柱型。采摘时，花柄进入梳齿间隙，枝条拉直，花柄张紧，花托受到梳齿提供的提拉力和摩擦力，在合力的作用下花朵被采摘下来。采摘过程可视为梳齿对花托的碰撞过程，摩擦力提供的冲击力忽略不计。为了方便力学分析，将花柄、花托与梳齿简化为规则刚体。花托受到相邻两梳齿提供的一对提拉力F，花朵脱落取决于提拉力F沿梳齿移动方向的分力Fa。花朵与花柄之间的结合力为T，拉拔力2Fa与结合力T方向相反，花朵在相邻两梳齿间的受力状况如图4所示。

图4 北京菊采摘受力示意图Fig.4 Diagram of force acting on chrysanthemum1.花朵 2.花托 3.花柄 4.梳齿

梳齿对花朵作用力公式为

(1)

式中α——F与垂直方向夹角，(°)

i——相邻两梳齿间距，mm

l——梳齿在花托接触点和花朵重心的距离，mm

当对花朵的拉拔力大于花朵与花柄的结合力时，花朵脱落，即

2Fa≥T

(2)

由式(1)、(2)得

(3)

由式(3)可知，梳齿间隙变大，花朵受到的提拉力变大，花朵更容易脱落。但间隙过大，则会漏采；间隙过小，则会误采花蕾，并可能造成梳齿堵塞。梳齿间隙i应该大于花柄以及各分枝直径，小于花托直径[16-17]，所以参照表1，i理论值为3.34～11.37 mm。

3.1.2偏置曲柄滑块机构参数确定

偏置曲柄滑块机构的传动性能主要取决于传动角γ，γ越大越有利于传动，传动效率越高，所以将γmin作为目标函数，建立γmin与极位夹角δ之间的关系式。在该关系式中，行程速比系数K一定时，当γmin取得最大值时传动性能最佳[19]。根据图5可知，曲柄位置变化，连杆传动角γ就会不同，当曲柄和滑轨垂直时，获得最小传动角γmin，此时

(4)

图5 偏置曲柄滑块机构简图Fig.5 Schematic of offset crank slider mechanism

由式(4)可知传动角γ与曲柄长度a、连杆长度b、偏心距e的取值有关。已知滑块行程H和行程速比系数，再得知曲柄长度、连杆长度或偏心距任一参数即可设计该传动机构，若γmin<γ，则满足设计要求。根据采摘部件安装要求和采摘要求，设置偏心距e为90 mm，滑块行程H为400 mm，满足行程速比系数K为1.3，计算该曲柄滑块机构尺寸关系[20-21]。在三角形△AC2C1中

H2=(a+b)2+(b-a)2-2(a+b)(b-a)cosδ

(5)

(6)

可得

(7)

(8)

(9)

连杆长度和偏心距与曲柄长度有关，以曲柄长度a作为设计参数，建立机构最小传动角方程。曲柄长度a的取值范围为

(10)

在△B′C′E中，机构最小传动角可表示为

(11)

机构行程速比系数

(12)

求最小传动角极值

(13)

(14)

取曲柄长度a为自变量，则有目标函数

(15)

取函数

(16)

通过计算f′(a)和f″(a)得出该曲柄滑块机构的曲柄长度a可取140 mm，连杆长度b取300 mm，为了保证机构具有良好的传动性能，最小传动角可取46.63°。

3.2 清齿部件组成

该清齿部件主要包括毛刷、双杆双轴气缸、手动换向阀、气缸安装架等。毛刷的底板为PVC材质，毛刷的尺寸(板长×板宽×板厚×刷丝长度)为500 mm×20 mm×10 mm×20 mm，刷丝有两列。毛刷安装在气缸活塞头部的铝合金固定板上。该气缸是依靠压缩缸内空气做功来实现活塞的往复运动，活塞杆伸出与复位带动毛刷实现推拉动作。当梳齿堵塞时，打开手动换向阀使气缸工作，将堵塞物清理下来。要根据所需力选择缸径[22]。毛刷组件质量约为0.5 kg，刷丝为尼龙材质，取摩擦因数为0.25，推动毛刷组件所需要的力约为1.25 N。气缸理论输出推力和拉力均为

(17)

式中Fq——理论输出力，N

D——缸径，mm

D′——活塞杆直径，mm

p——工作压力，一般为系统中减压阀调定压力的85%，MPa

为防止活塞和缸盖相碰，应在计算所需的行程上增加10～20 mm的余量。本例中，采摘的花朵往往堆积在梳齿直线段与弯曲段的交接处，所以气缸行程选为125 mm。

3.3 气动抛送机构

3.3.1结构组成和工作原理

气动抛送机构主要由气泵、过滤器、电磁阀、气缸、时间继电器、接近开关和摆动气缸等组成，结构原理如图6所示，表3为气动元件的参数。作业时，逆变器将蓄电池24 V直流电转换为气泵所需要的220 V交流电，气泵给气动元件提供气源，该摆动气缸的伸出轴与梳齿架通过轴套相连，带动梳齿作翻转运动向后抛送菊花。气动抛送机构的启停由启动按钮和急停按钮控制，一般待梳齿多做几个采摘循环，梳齿上残留的菊花较多时，开启抛送机构；梳齿上的花朵较少时，可使抛送机构暂停。

图6 气动抛送机构结构原理图Fig.6 Pneumatic throwing device structure principle diagram

3.3.2参数确定

气体输送管道为PU气管，由轧带固定，紧贴机架排布。管道起点连接气泵出气口，末端与摆动气缸相连，管道内径为4 mm，总长3 m。气泵工作气压为0.7 MPa，摆动气缸工作压力为0.65 MPa。管道总长较小，管道内气体流速和密度的相对变化不大，常温管道可按40℃计算。管道内气体流量计算式可简化为[22-23]

(18)

式中Qn——气体流量，m3/s

pq——管道起点的绝对压力，取7×105Pa

pz——管道终点的绝对压力，取6.5×105Pa

表3 气动元件主要参数Tab.3 Main parameters of pneumatic components

d——管道内径，m

λ——摩擦因数，取0.025 2

L——管道长度，m

ρ——标准状态下的空气密度，取1.293 kg/m3

t——输气温度，取313 K

将各参数数值代入式(18)中，计算得出气体流量为0.22 m3/s。同时可求出管道平均压力理论值pm为0.675 MPa。单位长度上压降为[22-23]

(19)

将各参数数值代入式(19)，得单位长度上压降为2.08×10-5MPa/m，全程压降为6.24×10-5MPa。初步计算末端压力

p′z=pq-Δp

(20)

管内平均压力实际值为

(21)

精度检查得

(22)

在±5%范围内，可确定气动装置的选型与结构排布符合设计要求。

4 田间试验

4.1 试验条件

试验地点为河北省保定市高阳县菊花种植基地，试验时间为2021年10月20日。菊花花朵含水率为82.86%，平均株高约为50 cm，顶层花与底层花的平均距离约为25 cm，菊花垄宽为60 cm，一垄种植两行，行距为30～40 cm，株距为20 cm。样机试验如图7所示。

图7 采摘装置田间试验Fig.7 Field test of picking device

4.2 试验指标及方法

根据菊花采摘的农艺要求，本次试验以采摘率Y1、损伤率Y2、含杂率Y3为试验指标。各指标的统计方法为：每2 m作为一组采摘数据，计2 m行程内采摘下的花朵质量为np、采摘下的枝条等杂质质量为ni、破损的花朵质量为nb，测得100朵菊花的质量为176 g，将2 m内未采摘下来的菊花换算成质量，计为nu。采摘率、损伤率和含杂率计算式分别为

(23)

(24)

(25)

4.3 试验方案设计与结果分析

根据梳齿往复式菊花采摘装置的采摘原理和结构特点，主要有3个因素可能影响采摘效果，分别是曲柄转速、梳齿间距以及机器行驶速度。通过查阅文献及预试验结果，确定曲柄转速为30～60 r/min，梳齿间距为6.5～9.5 mm，机器行驶速度为0.1～0.3 m/s。采用三因素三水平的Box-Behnken试验设计原理进行组合试验，分析各因素对各指标的影响程度[24]。试验因素编码如表4所示，试验组数N为17，每组试验重复3次，取3次的平均值作为该组的试验结果，试验方案与结果如表5所示。表中，X1、X2、X3分别为曲柄转速、梳齿间距、行驶速度的编码值。

表4 试验因素编码Tab.4 Factors and codes of field tests

表5 试验方案与结果Tab.5 Plan and result of test

通过Design-Expert 8.0.6软件对试验数据开展多元回归拟合分析，建立采摘率Y1、损伤率Y2和含杂率Y3对曲柄转速、梳齿间距和行驶速度3个自变量的二次多项式响应面回归模型

对上述回归模型进行方差分析(表6)。采摘率、损伤率和含杂率的回归模型中P值均小于0.05，失拟项P>0.05，表明模型能够正确反映试验因素与试验指标之间的关系。根据表6中F值可知，各因素对采摘率的影响主次顺序为曲柄转速、梳齿间距、行驶速度，并且各因素的交互作用均对采摘率有显著影响；各因素对损伤率的影响主次顺序为梳齿间距、曲柄转速、行驶速度，且曲柄转速和行驶速度的交互作用对损伤率有显著影响；各因素对含杂率的影响主次顺序为梳齿间距、曲柄转速、行驶速度，且曲柄转速和行驶速度的交互作用也对损伤率有显著影响。根据回归方程分析结果，利用Design-Expert 8.0.6软件分别作影响显著的各交互因素与采摘率、损伤率和含杂率之间关系的响应曲面图[25-28]，如图8所示。

表6 回归模型方差分析Tab.6 Variance analysis of regression model

图8 因素交互作用对试验指标影响的响应曲面Fig.8 Response surfaces of factor interaction on test index

图8a～8c分别为曲柄转速与梳齿间距、曲柄转速与行驶速度、梳齿间距与行驶速度的交互作用对采摘率的响应曲面。如图8a所示，当行驶速度为0.2 m/s时，随着曲柄转速增加且梳齿间距减小，采摘率提高。因为曲柄转速越高，单位时间内梳齿与菊花植株的接触次数越多，采摘率越高；梳齿间距越小，漏采概率越小，梳齿与菊花植株的有效接触越多，采摘率越高。当曲柄转速和梳齿间距达到一定水平时，采摘率的增加速度趋于平缓，尤其当梳齿间距为8 mm左右时，继续增加梳齿间距，采摘率未有明显提高，因为梳齿间距过大，会产生漏采现象。如图8b所示，当梳齿间距为8 mm时，随着曲柄转速增加且行驶速度减小，采摘率增加，当曲柄转速和行驶速度达到一定水平时，采摘率的增加速度趋于平缓。由于行驶速度越小，单位面积内菊花植株的采摘次数越多，采摘率会越高，到采摘后期植株上菊花数量不多时，继续减小行驶速度，并不会提高采摘率，反而会降低采摘效率。如图8c所示，响应曲面整体呈开口向下趋势，即固定曲柄转速，随着梳齿间距和行驶速度的增加，采摘率呈先增加后降低的趋势，当梳齿间距为8 mm，行驶速度为0.2 m/s时，采摘率较高。

图8d为曲柄转速与行驶速度的交互作用对损伤率的响应曲面。当梳齿间距不变，随着曲柄转速和行驶速度增加，损伤率呈增加趋势，且增加速度越来越大，主要因为曲柄转速增加，梳齿对花朵的冲击力增加，花朵与花柄之间的连接力是一定的，过大的冲击力会对柔软的花朵造成损伤；行驶速度增大，会增加采摘装置对植株的冲击和碰撞，也会影响花朵的完整性。

图8e为曲柄转速与行驶速度的交互作用对含杂率的响应曲面。当固定梳齿间距时，随着曲柄转速和行驶速度减小，含杂率呈降低趋势。当曲柄转速减小，梳齿对菊花植株的冲击力减小，枝条、叶片等受到的作用力减小；并且行驶速度减小，采摘过程趋于平缓，对植株的碰撞和冲击也随之减小，因此含杂率会降低。

4.4 参数优化

为获得该采摘机最优工作参数组合，运用Design-Expert 8.0.6软件对上述3个回归模型进行约束目标求解。采摘菊花时，应保证采摘率最高，在此基础上降低损伤率和含杂率，因此设置目标函数maxY1，损伤率小于2%，含杂率小于10%，优化所得最佳参数为：曲柄转速49.45 r/min、梳齿间距8.13 mm、行驶速度0.17 m/s，此时，采摘率可达92.09%，损伤率为1.85%，含杂率为10%。根据优化结果，将梳齿间距设为8 mm，其他条件不变再次利用软件求优，优化参数结果：曲柄转速为47.94 r/min、梳齿间距为8 mm、行驶速度为0.17 m/s，此时，采摘率可达92%，损伤率为1.83%，含杂率为10%。根据优化后的工作参数，进行3次重复试验，得到采摘率为92.56%，损伤率为1.86%，含杂率为9.51%，试验结果与理论优化结果一致。

5 结论

(1) 通过深入分析北京菊的生长特性和采摘要求，设计了一种气动翻转梳齿式菊花采摘装置。该采摘装置利用一对偏置式曲柄滑块机构驱动梳齿排采摘菊花，毛刷清理梳齿，并通过气动抛送装置将菊花向后抛送，采摘工作高度可由丝杠升降机构进行调节，机器通过性良好。

(2)通过分析采摘装置的工作原理，对北京菊采摘过程进行了受力分析和理论计算，确定了采摘部件的结构和工作参数，并对清齿和气动抛送装置的组成和工作过程进行了阐述，各组件相互配合共同完成采摘、清齿、收集作业。

(3)通过设计二次回归正交旋转组合试验，研究了曲柄转速、梳齿间距和行驶速度对采摘率、损伤率、含杂率的影响，得到了各试验指标的回归方程。经方差分析可知，影响采摘率的因素主次顺序为曲柄转速、梳齿间距、行驶速度；影响损伤率和含杂率的因素主次顺序均为梳齿间距、曲柄转速、行驶速度，同时得出了双因素交互作用对试验指标的影响。通过参数优化和试验验证得出：当曲柄转速为47.94 r/min、梳齿间距为8 mm、行驶速度为0.17 m/s时，采摘率可达92%，损伤率为1.83%，含杂率为10%，表明该气动翻转梳齿式菊花采摘装置达到了较好的采摘效果。