龙门式枸杞采摘机收集系统结构与参数优化

马国军, 岳元满, 彭正昶, 何存财, 吴向峰, 嵇君霖, 黄晓鹏*

(1.甘肃农业大学机电工程学院,甘肃 兰州730070;2.兰州兰石能源装备工程研究院有限公司,甘肃 兰州730314)

枸杞,一种多年生草本植物[1],其结果实称枸杞子,简称枸杞,成熟枸杞果实中富含枸杞多糖、氨基酸等多种对人体有益的物质,具有清肝明目、滋补肝肾、益精明目等多种药用功效[2-3],是国家公认的“药食同源”植物资源之一[4]。甘肃、青海、新疆、内蒙古、河北等作为中国枸杞五大主产区,每年枸杞产量约42.16万吨[5-6],宁夏作为枸杞的发源地和主产区,全区枸杞种植面积约1 333.33 hm2,鲜果产量35万吨,加工转化率达35%,综合产值约320亿元,可见枸杞已经成为宁夏重要经济产业[7-9]。但是枸杞生物力学特性决定枸杞难以实现机械化采摘,现阶段枸杞仍以传统的人工采摘为主,不仅耗时、费力,而且采摘成本高。针对以上枸杞产业发展过程中面临的困难,国内学者刘英等[10]设计了一种振动式枸杞采摘机,通过田间试验研究了振幅、频率、振动杆数量对枸杞损伤率、留青率、采尽率之间的影响,发现偏心振动机构转速为140 r/min,振幅70 mm,振动杆数量10个时,振动式枸杞采摘机采摘效果最佳;陈云等[11]对脉冲气流式枸杞采摘机理进行了研究,研究发现在脉冲气流频率为2 Hz,出口气流速度为70 m/s,枝条距出口100 mm时得到最优的采摘效果:熟果采净率为85.21%,青果误采率为7.76%,熟果损伤率为18.64%。彭要等[12]对枸杞果实振动运动学和振动模式进行了分析,通过分析发现,在振幅为30～40 mm、振动频率为10 Hz的条件下,振动时间大于12 s,采净率高于 90%,可见采净率较高。

本研究自主设计的龙门穿行式枸杞采收机主要由六大系统组成,可一次性完成对成熟枸杞的采摘、输送和收集作业,但是在枸杞机械化采收过程中存在枸杞损伤率较高等问题,为了解决此问题,本研究通过分析枸杞采摘采摘过程中运动轨迹和枸杞在输送带受力情况,以此探究影响枸杞采摘过程中损失率和采净率的关键因素。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

龙门式枸杞采收机可一次性完成对成熟枸杞的采摘、收集、除杂等作业,整机结构由动力系统、行走系统、采摘系统、控制系统、收集系统、液压系统六大系统组成,如图1(a)所示。龙门式枸杞采摘机由一台100马力柴油发动机提供动力;行走系统主要由液压驱动马达、轮胎和其他主要部件构成;采摘系统主要由可调振幅式采摘头、偏心振动机构、液压驱动马达和其他配套零部件构成,主要用于对成熟枸杞进行穿行式振动采摘;控制系统主要由单片机、传感器、导线和其他配套零部件构成,主要用于对整机进行自动化控制;收集系统主要由变频电机、收集输送带、收集箱、风机和其他零部件组成,主要用于对振落的枸杞进行收集、输送和除杂等作业,是龙门式枸杞采收机重要组成部件;液压系统主要由液压油箱、液压驱动马达、液压泵和其他配套零部件组成,主要为振动采摘装置液压驱动马达和轮胎驱动液压马达提供液压动力。本研究对振动龙门式枸杞采摘机关键装置收集系统进行结构优化设计,图1(b)所示为龙门式枸杞采收集机架与收集系统安装示意图。

图1 (a)龙门式枸杞采摘机整机结构简图

1.2 工作原理

龙门式枸杞采收机作业时,驾驶员操作机器骑行于枸杞树中部位置,此时在机身处布置传感器以检测枸杞树位置,单片机判断枸杞树位置坐标后控制振动采摘系统,旋转电机对振动采摘系统位置进行调整,在达到适宜采摘位置时,振动采摘系统进行上下振幅为8～12 mm、频率为20～35 Hz之间进行振动,此时安装于振动采摘装置主架上的采摘条与枸杞枝条之间进行相互作用,振落的枸杞掉入到输送带上部,输送带运行将其上枸杞由前向后输送,风机进行除杂作业,完成对成熟枸杞的采摘、输送、收集作业,提高了枸杞采摘效率,节约了采摘成本,促进了枸杞产业的发展。

2 输送装置设计

2.1 枸杞输送过程运动轨迹分析

现阶段枸杞难以实现机械化采摘是由枸杞生物力学特性所决定的。成熟枸杞表皮脆弱,机械化采摘过程中存在机械碰撞损伤和枸杞跌落损伤两部分损伤,导致枸杞机械化采收时损伤率较高,所以研究枸杞在采收机中运动轨迹是降低枸杞损伤率的重要途经,以下对龙门式枸杞采收机采收成熟枸杞时枸杞运动轨迹和关键节点做了分析,图2为枸杞采收过程中枸杞运动轨迹图。

图2 枸杞采摘过程运动轨迹示意图

龙门式枸杞采收机采收枸杞时,枸杞在机器中共有8个阶段,第1阶段为枸杞与采摘条强相互作用阶段,此时在枝条上的枸杞通过采摘条以特定频率和振幅作用下掉落。第2阶段为掉落的枸杞在采摘系统中与采摘条之间发生多次碰撞最后在重力G作用下掉入输送带中。4、5、6、7阶段为在收集系统中阶段,此4个阶段枸杞与输送带之间存在摩擦和翻滚现象。第8阶段为枸杞通过输送带抛出在重力G作用下掉入收集箱中。通过对枸杞运动轨迹分析可以得出在第1、2、3、7阶段枸杞损伤几率较高。

2.2 枸杞输送过程中动力学分析

枸杞二次机械损伤与枸杞收集输送过程密切相关,以下对枸杞在输送带上运动过程进行了分析。枸杞在输送带获得v1的初速度,通过输送带果托作用下以v1的速度进行运动,在此阶段枸杞与输送带之间存在1摩擦力,此阶段对枸杞机械损伤几乎忽略不计,枸杞从水平输送过程到以α角度进行输送,在此阶段枸杞会在输送带果托上面出现翻滚等现象,枸杞在输送过程中翻滚会导致枸杞表皮擦破等现象,会导致枸杞二次机械损伤,枸杞在输送带最后阶段为枸杞抛送阶段,此时枸杞以v3速度从输送带末端抛出,抛出后的枸杞在重力G作用下掉入收集箱中,根据牛顿第二定律在枸杞掉入收集箱的过程中枸杞与收集箱底部接触时枸杞表皮产生F的作用力。

FS=mgh

(1)

式中:m为枸杞重力,kg;

g为枸杞下落过程中重力加速度,m/s2;

h为枸杞下载过程中高度差,mm;

S为枸杞与收集箱底部的接触面积,mm2;

通过对上式转换得到枸杞在接触收集箱底部是产生的作用力F;

(2)

枸杞斜抛输送过程分析如图3所示,以枸杞与输送带末端顶处为坐标原点建立坐标系,重力方向为y轴负方向,假设枸杞在此点处的质点,在枸杞脱离输送带时枸杞以a速度做斜向上抛物线运动,此时枸杞脱离坐标原地的线速度与输送带末端绝对速度相等。

图3 枸杞斜抛输送过程分析

此时枸杞与收集箱底部的碰撞力为(不考虑能量损耗的情况下);

(3)

式中:F为枸杞与收集箱底部之间的碰撞力,N;

m为枸杞单个重量,kg;

r为收集箱底部径向型变量,m;

v2为点 E 枸杞瞬时速度,m/s;

g为重力加速度,m/s2;

h为原点与枸杞落点垂直距离,m。

枸杞离开输送带瞬时受力分析如图4所示,综合分析枸杞在收集系统中运动轨迹并进行动力学分析,最终得出枸杞与收集箱底部之间的碰撞作用力主要由枸杞在输送带末端初速度v3和枸杞掉落的高度决定。所以影响枸杞机械损伤率的主要因素有枸杞与采摘条之间多次相互碰撞、枸杞有采摘系统掉落到输送带阶段、枸杞在输送带运输阶段、枸杞由输送带掉落到收集箱四个阶段影响,通过对枸杞在收集系统中运动轨迹和动力学分析最终得出采摘条材料、输送带材料、收集箱材料是降低枸杞机械损伤的主要因素。

图4 枸杞离开输送带瞬时受力分析

2.3 输送装置结构设计

龙门式枸杞采收机收集系统主要由输送带、变频电机、收集箱、除杂风机等关键部件组成,由变频电机为输送带提供动力,通过改变电机的频率进而改变输送带输送速度,龙门式枸杞采收集收集系统结构示意图如图5所示。

图5 输送系统结构示意图

3 试验

通过对枸杞采摘过程中枸杞在输送系统中运动轨迹和受力情况进行理论分析,最终确定输送带速度、输送带倾角、落果高度为三个主要因素,通过前期预实验最终确定输送带速度0.2～0.6 m/s、输送带倾斜角度25～40°、落果高度10～20 mm,以枸杞果实损伤率为试验指标进行单因素试验,枸杞输送带单因素试验方案及结果如表1所示。

(4)

表1 枸杞输送带单因素试验方案及结果

式中:μ为枸杞果实损伤率;

n为有机械损伤的果实个数;

n1收集箱中枸杞果实总数;

n2为掉落收集箱外枸杞个数;

(5)

式中:σ为枸杞果实损失率;

通过对以上试验数据分析得出输送带最佳运行参数为:输送速度0.5 m/s、输送带倾斜角度为36°、枸杞落果高度为14 mm时在收集系统中枸杞二次机械损伤率为3.6%,且各参数之间具有显著差异(P<0.05),枸杞输送带各因素方差分析如表2所示。

表2 枸杞输送带各因素方差分析

通过以上试验参数,2023年8月6日在甘肃省靖远县对龙门式枸杞采收机输送系统进行田间试验,试验情况如图6所示,通过样机田间性能试验得出收集系统在此参数下对枸杞损伤率较小。

图6 龙门式枸杞采收机输送装置样机

4 结论

本研究针对自主设计的龙门式枸杞采收机收集系统进行结构和参数优化,通过分析枸杞在采收机中运动轨迹,得出了枸杞在采摘机中共有8个关键阶段,其中第1阶段由于枸杞与采摘条多次相互碰撞导致枸杞机械损伤率增加,对枸杞在输送过程进行受力分析,得出枸杞在输送带上存在摩擦和滚动现象,造成枸杞输送过程中机械损伤主要因素有输送带速度、输送带倾斜角度、落果高度,以此三因素作为试验因素,以枸杞果实损伤率、果实损失率为试验指标进行单因素试验,实验得出输送带最佳参数为:输送速度0.5 m/s、输送带倾斜角度为36°、枸杞落果高度为14 mm时,损伤率为3.2%。根据此参数设计制造试验样机,由田间性能试验得出枸杞损伤率和损失率符合试验结果,本研究可为小型浆果收集输送装置优化设计提供参考。