姜焰鳴,趙 磊,陸華忠,呂恩利,李 君(國家荔枝龍眼產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系綜合實(shí)驗(yàn)室/華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,廣東廣州510642)
滾筒梳剪式荔枝采摘部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化
姜焰鳴,趙磊,陸華忠,呂恩利,李君
(國家荔枝龍眼產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系綜合實(shí)驗(yàn)室/華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,廣東廣州510642)
摘要:【目的】設(shè)計(jì)一種滾筒梳剪式荔枝采摘試驗(yàn)裝置,并優(yōu)化采摘部件的結(jié)構(gòu).【方法】以齒形板數(shù)量、齒形板折彎角度、刀片數(shù)量和滾筒轉(zhuǎn)速作為影響因素,以生產(chǎn)率、摘凈率和破損率為采摘指標(biāo),開展四因素三水平的正交試驗(yàn).【結(jié)果和結(jié)論】試驗(yàn)結(jié)果表明:齒形板數(shù)量為4、齒形板折彎角度為120°、刀片數(shù)量為13、滾筒轉(zhuǎn)速為44 r·min-1時(shí)為最優(yōu)組合,此組合的采摘試驗(yàn)裝置生產(chǎn)率為2.604 kg·min-1.研究結(jié)果可為荔枝采摘機(jī)械的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供參考.
關(guān)鍵詞:荔枝;采摘機(jī);滾筒梳剪式;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
姜焰鳴,趙磊,陸華忠,等.滾筒梳剪式荔枝采摘部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,36(3) : 120-124.
優(yōu)先出版時(shí)間:2015-04-14
優(yōu)先出版網(wǎng)址: http: / /www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20150414.0944.018.html
荔枝是我國南方特色水果,我國荔枝總種植面積達(dá)5 778.83 km2,年產(chǎn)量155.2萬t[1].目前我國的荔枝多為人工采摘,勞動(dòng)強(qiáng)度大、采摘效率低,采摘成本約占生產(chǎn)成本的50%~70%[2],機(jī)械化采摘已迫在眉睫.
Peterson等[3]設(shè)計(jì)了1種新型接觸式甜櫻桃采摘機(jī),主要包括龍門式行走機(jī)構(gòu)、雙滾筒釘式傾角振動(dòng)器和封閉收集裝置,與傳統(tǒng)接觸式采摘機(jī)相比,降低了損失率,而且采摘的果實(shí)品質(zhì)能夠達(dá)到和人工采摘的接近.Pezzi和Caprara[4]研制的接觸式葡萄采摘機(jī),通過布置加速度傳感器測(cè)量植株的振動(dòng)響應(yīng)來提高采摘機(jī)的工作性能.王業(yè)成等[5]詳細(xì)研究了黑加侖振動(dòng)采摘機(jī)的振動(dòng)頻率、振幅和果枝的激振位置等參數(shù)對(duì)采摘效率及果樹損傷的影響,為黑加侖采摘機(jī)的研發(fā)提供了依據(jù).李強(qiáng)等[6]研究出1種適宜單人操作的振動(dòng)式枸杞采摘機(jī),采果量是人工的6~11倍,采凈率達(dá)到75%.陳燕等[7]根據(jù)荔枝的栽培方式,設(shè)計(jì)了5自由度、1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的荔枝采摘機(jī)械手.但由于荔枝相對(duì)特殊的生物學(xué)特性以及生長地域的局限性,國內(nèi)外現(xiàn)有的少數(shù)荔枝采摘機(jī)不僅操作困難而且采摘效率低下.
本文設(shè)計(jì)了1種滾筒梳剪式荔枝采摘試驗(yàn)裝置,通過開展荔枝采摘正交試驗(yàn),分析齒形板數(shù)量、齒形板折彎角度、刀片數(shù)量和滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)荔枝采摘生產(chǎn)率、摘凈率及破碎率的影響,最終確定荔枝采摘試驗(yàn)裝置的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案.
1.1采摘部件設(shè)計(jì)
作為荔枝采摘作業(yè)的關(guān)鍵功能部件,采摘部件的設(shè)計(jì)尤為重要,本采摘試驗(yàn)裝置的采摘部件由局部鏤空的滾筒、環(huán)滾筒四周安裝的4塊底座以及底座上依次對(duì)應(yīng)安裝的齒形板和橡膠板組成.采摘部件工作時(shí)的原理示意圖如圖1所示,采摘作業(yè)時(shí),滾筒在左右軸傳遞的驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)使下旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)采摘部件末端的橡膠板和齒形板共同在荔枝的枝葉中梳剪帶有荔枝果實(shí)的果梗.該采摘部件結(jié)構(gòu)簡單、空間小、運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用,符合試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)要求.
圖1 采摘部件原理示意圖Fig.1 The principle diagram of the picking parts
采摘部件中的梳剪部件由齒形板和安裝于齒形板上的橡膠板組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示.齒形板的整體寬度為250 mm,厚度為2 mm,折彎角初步設(shè)定為120°,齒數(shù)初步設(shè)定為13個(gè).齒形板單個(gè)齒形的夾角為15°,開口幅寬為13 mm,開口深度為50 mm.齒縫的兩邊開出了刀刃,具體的處理方式是從齒形板上端面向下開出刃口,刃口形式為平形刀刃,刃角為45°.在齒形板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上延伸出的橡膠板整體寬度為250 mm,厚度為5 mm.單個(gè)橡膠齒形的夾角為15°,開口幅寬為19 mm,開口深度為73 mm.橡膠板相當(dāng)于采摘部件末端的1個(gè)柔性接觸,有利于采摘部件在梳剪時(shí)分選荔枝果梗及降低對(duì)荔枝枝條和果實(shí)的機(jī)械損傷[8],考慮到橡膠板的這一特殊用途,其材料選用順丁橡膠或者異戊橡膠等具有較好彈性和耐磨性的人工合成橡膠.采摘作業(yè)時(shí),齒形板和橡膠板一起在荔枝樹表面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),首先柔性的橡膠板將較大的荔枝枝條彈離梳剪部件,使得較小的荔枝枝條和長有荔枝果實(shí)的果梗梳入相鄰的橡膠板之間;隨著整個(gè)梳剪部件的進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng),齒形板將10 mm(常見荔枝果梗的直徑為4~10 mm[2])以內(nèi)的荔枝枝條和長有荔枝果實(shí)的果梗梳入齒縫內(nèi);最后在整個(gè)梳剪部件轉(zhuǎn)動(dòng)到一定位置時(shí),齒縫內(nèi)的枝條自動(dòng)滑離出去,剩下的帶有荔枝果實(shí)的果梗在齒刃剪切力的作用下與果實(shí)分離.
圖2 齒形部件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of the tooth profile parts
1.2試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)
滾筒梳剪式荔枝采摘試驗(yàn)裝置由驅(qū)動(dòng)、采摘、收集和操作部件組成.結(jié)構(gòu)示意簡圖見圖3.試驗(yàn)裝置的總質(zhì)量為5.8 kg,采摘部件、收集部件和操作部件的質(zhì)量分別為2.03、1.04、1.28 kg.采摘試驗(yàn)裝置采用功率為1.25 kW的調(diào)速汽油機(jī),通過減速比為25∶1的蝸輪蝸桿減速器、軟軸總成、輸入軸總成和減速比為4∶1的錐齒輪副實(shí)現(xiàn)2次減速和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng).汽油機(jī)與渦輪蝸桿減速器、渦輪蝸桿減速器與軟軸總成及軟軸總成與輸入軸總成均采用方形軸孔過盈配合進(jìn)行傳動(dòng).輸入軸總成與錐齒輪副、錐齒輪副與左軸均采用鍵聯(lián)接進(jìn)行傳動(dòng).采摘部件由輕量化的圓柱形滾筒、弧形底座、齒形板和柔性橡膠板組成,作業(yè)時(shí)滾筒帶動(dòng)齒形板一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),將荔枝梳攬至齒刃內(nèi)并在果梗處切斷.收集部件為局部鏤空的護(hù)罩,左右兩側(cè)套裝在內(nèi)軸承座上,一方面實(shí)現(xiàn)了采摘作業(yè)的半封閉性,確保了操作人員的人身安全,另一方面用于將采后的荔枝導(dǎo)入收集袋中.操作部件為左右雙手持架支撐型,分別裝在外軸承座上,作業(yè)時(shí)操作部件通過軸承調(diào)整采摘高度和角度.荔枝果實(shí)多分布于荔枝樹冠表層,使得該采摘試驗(yàn)裝置能夠收攬大部分果實(shí).作業(yè)過程中,通過鎖定汽油機(jī)節(jié)氣門開度保證滾筒低轉(zhuǎn)速勻速運(yùn)轉(zhuǎn),并人工調(diào)節(jié)采摘高度和角度由底部逐步靠近果實(shí)進(jìn)行采摘,保證作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性.
圖3 滾筒梳剪式荔枝采摘試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)Fig.3 The overall structure of the rotary drum combing type litchi picker
2.1試驗(yàn)原料及設(shè)備
試驗(yàn)對(duì)象為廣東省陽西縣龍翔荔枝果園內(nèi)的荔枝果樹.荔枝果樹的品種為妃子笑,果樹平均行距4 m,平均株距3 m,平均株高4 m.本試驗(yàn)中所選用的設(shè)備主要有滾筒梳剪式荔枝采摘試驗(yàn)裝置、AR926光電轉(zhuǎn)速表、卷尺、海綿墊、秒表、電子天平等.
2.2試驗(yàn)指標(biāo)及影響因素
采摘性能指標(biāo)為生產(chǎn)率、摘凈率和破碎率[9].
影響采摘性能指標(biāo)的主要因素有齒形板數(shù)量、齒形板折彎角度、刀片數(shù)量(齒形板齒數(shù))和滾筒轉(zhuǎn)速.
2.3試驗(yàn)方案
試驗(yàn)前對(duì)荔枝生長情況進(jìn)行測(cè)定,依據(jù)荔枝果實(shí)成簇生長的特點(diǎn)確定采摘機(jī)的作業(yè)區(qū)域?yàn)槔笾麡浔砻婢又械?個(gè)2 m×1 m的矩形區(qū)域.
滾筒梳剪式荔枝采摘試驗(yàn)裝置參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)的試驗(yàn)因素與水平如表1所示.選用L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)[10-12],每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次,取平均值.
表1 試驗(yàn)因素與水平Tab.1 Experimental factors and levels
具體的試驗(yàn)過程如下:首先在荔枝果樹表面確定1個(gè)作業(yè)區(qū)域,將2 m×2 m的海綿墊鋪設(shè)于作業(yè)區(qū)域下方;然后啟動(dòng)采摘試驗(yàn)裝置,通過控制油門和使用轉(zhuǎn)速表測(cè)定滾筒轉(zhuǎn)速使其穩(wěn)定在對(duì)應(yīng)試驗(yàn)號(hào)需要的轉(zhuǎn)速大小;接著進(jìn)行采摘作業(yè)并計(jì)時(shí);待采果結(jié)束,得試驗(yàn)用時(shí),稱量采摘下來的荔枝鮮果質(zhì)量,記錄作業(yè)區(qū)域內(nèi)沒有被采摘下來的荔枝數(shù)目、采摘下來的荔枝數(shù)目及采摘下來的荔枝中破損的荔枝數(shù)目.
3.1性能參數(shù)與采摘性能指標(biāo)的關(guān)系
滾筒梳剪式荔枝采摘試驗(yàn)裝置的齒形板數(shù)量(A)、齒形板折彎角度(B)、刀片數(shù)量(C)和滾筒轉(zhuǎn)速(D)各水平對(duì)采摘性能指標(biāo)的影響見表2,分析見圖4.
表2 主要參數(shù)對(duì)采摘性能指標(biāo)的影響Tab.2 Effects of main parameters on the picking performance
圖4 各水平對(duì)采摘性能指標(biāo)的影響Fig.4 Effects of different levels on picking performance indexes
就單獨(dú)的摘凈率來說,7齒齒形板的25°刀片夾角增加了單個(gè)齒縫同一時(shí)間梳攬到更多荔枝果梗的可能性,而13齒齒形板的15°刀片夾角增大了單個(gè)齒縫單獨(dú)處理分散的荔枝果梗的能力,所以試驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)了圖4b中所呈現(xiàn)的刀片數(shù)量為C2時(shí)的摘凈率會(huì)低于刀片數(shù)量為C1和C3時(shí)的摘凈率.
3.2性能方差分析與組合條件優(yōu)化
齒形板數(shù)量、齒形板折彎角度、刀片數(shù)量和滾筒轉(zhuǎn)速4個(gè)因素對(duì)荔枝采摘性能指標(biāo)的影響是不同的,如表3所示.滾筒梳剪式荔枝采摘試驗(yàn)裝置參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)的試驗(yàn)指標(biāo)分析如表4所示.
表3 采摘性能指標(biāo)方差分析1)Tab.3 Variance analysis of performance indexes
表4 試驗(yàn)指標(biāo)分析表1 )Tab.4 Analysis of test indexes
由表3及表4可知,在95%的置信度下,齒形板數(shù)量、齒形板折彎角度、刀片數(shù)量和滾筒轉(zhuǎn)速4個(gè)因素對(duì)生產(chǎn)率的影響均顯著.4個(gè)因素主次排列順序?yàn)镃>B>D>A,較優(yōu)組合為C3B2D2A2,即刀片數(shù)量13個(gè)、齒形板折彎角度120°、滾筒轉(zhuǎn)速44 r·min-1及齒形板數(shù)量4個(gè).
在95%的置信度下,只有刀片數(shù)量對(duì)摘凈率的影響顯著.4個(gè)因素主次排列順序?yàn)镃>B>D>A,較優(yōu)組合為C3B2D2A2,即刀片數(shù)量13個(gè)、齒形板折彎角度120°、滾筒轉(zhuǎn)速44 r·min-1及齒形板數(shù)量4個(gè).
在95%的置信度下,只有齒形板折彎角度對(duì)破碎率影響顯著.4個(gè)因素主次排列順序?yàn)锽>D>A >C,較優(yōu)組合為B1D1A2C1,即齒形板折彎角度90°、滾筒轉(zhuǎn)速23 r·min-1、齒形板數(shù)量4個(gè)及刀片數(shù)量7個(gè).
3.3最優(yōu)組合參數(shù)的確定
從對(duì)較優(yōu)水平組合:生產(chǎn)率(C3B2D2A2)、摘凈率(C3B2D2A2)和破碎率(B1D1A2C1)的分析來看,生產(chǎn)率與摘凈率的影響因素主次順序及較優(yōu)水平均一致,與前兩者相比,破碎率的影響因素主次順序及較優(yōu)水平變化均較大.
為了兼顧各項(xiàng)指標(biāo)的得失,采用綜合加權(quán)評(píng)分法進(jìn)行分析,以選出使各項(xiàng)指標(biāo)都盡可能達(dá)到最優(yōu)的組合,考慮到4個(gè)因素對(duì)衡量指標(biāo)的重要程度,以100分作為總權(quán),生產(chǎn)率為40分,摘凈率為30分,破碎率為30分[13-16],每組試驗(yàn)綜合評(píng)分指標(biāo)可以表示為:
式中,yi表示第i號(hào)試驗(yàn)所得計(jì)算值(加權(quán)評(píng)分指標(biāo)) ; Wj表示第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)值; yij表示第i號(hào)試驗(yàn)中第j個(gè)指標(biāo); ymj表示j個(gè)指標(biāo)中的極小值; Rj表示第j個(gè)指標(biāo)的極差;j表示第j個(gè)指標(biāo)的計(jì)算系數(shù)(它既考慮權(quán)又考慮指標(biāo)變動(dòng)程度).
結(jié)果表明,影響綜合指標(biāo)的主次因素排列順序?yàn)锽>C>A>D,最佳水平組合為B2C3A2D2,即齒形板數(shù)量4個(gè)、齒形板折彎角度120°、刀片數(shù)量13個(gè)及滾筒轉(zhuǎn)速44 r·min-1.
3.4優(yōu)選組合性能驗(yàn)證試驗(yàn)
選取主要參數(shù)為齒形板數(shù)量4個(gè)、齒形板折彎角度120°、刀片數(shù)量13個(gè)及滾筒轉(zhuǎn)速44 r·min-1進(jìn)行2次試驗(yàn).結(jié)果表明,優(yōu)選后荔枝采摘試驗(yàn)裝置生產(chǎn)率可達(dá)2.604 kg·min-1,摘凈率98.14%,破碎率6.83%.優(yōu)選后的滾筒梳剪式荔枝采摘試驗(yàn)裝置綜合指標(biāo)優(yōu)于其他參數(shù)組合下的機(jī)械性能.
本文設(shè)計(jì)的滾筒梳剪式荔枝采摘試驗(yàn)裝置具有生產(chǎn)率和摘凈率高且破碎率相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn),為滾筒梳剪式荔枝采摘裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了很好的理論依據(jù).經(jīng)方差檢驗(yàn),在95%的置信度下,對(duì)生產(chǎn)率的影響程度,齒形板數(shù)量、齒形板折彎角度、刀片數(shù)量和滾筒轉(zhuǎn)速4個(gè)因素均顯著,較優(yōu)組合為C3B2D2A2;對(duì)摘凈率的影響程度,只有刀片數(shù)量顯著,較優(yōu)組合為C3B2D2A2;對(duì)破碎率的影響程度,只有齒形板折彎角度顯著,較優(yōu)組合為B1D1A2C1.
采用綜合評(píng)分法得出滾筒梳剪式荔枝采摘試驗(yàn)裝置最優(yōu)組合為齒形板數(shù)量4個(gè)、齒形板折彎角度120°、刀片數(shù)量13個(gè)及滾筒轉(zhuǎn)速44 r·min-1.優(yōu)選后的滾筒梳剪式荔枝采摘試驗(yàn)裝置性能指標(biāo)為:生產(chǎn)率2.604 kg·min-1,摘凈率98.14%,破碎率6.83%.
參考文獻(xiàn):
[1]江小鳳,張俊,吳小龍.中國荔枝產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
分析[J].吉林農(nóng)業(yè),2011(3) : 9.
[2]陳燕,蔡偉亮,向和平,等.面向機(jī)器人采摘的荔枝果梗力學(xué)特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(21) : 53-58.
[3]PETERSON D L,WHITING M D,WOLFORD S D.Freshmarket quality tree fruit harvester: Part I: Sweet cherry [J].Appl Eng Agric,2003,19(5) : 539-543.
[4]PEZZI F,CAPRARA C.Mechanical grape harvesting: Investigation of the transmission of vibrations[J].Biosyst Eng,2009,103(3) : 281-286.
[5]王業(yè)成,陳海濤,林青.黑加侖采收裝置參數(shù)的優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(3) : 79-83.
[6]李強(qiáng),葉力勤,安巍.枸杞采收機(jī)的適采條件[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009(6) : 126-128.
[7]陳燕,鄒湘軍,徐東風(fēng),等.荔枝采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2010,27(5) : 31-34.
[8]陳燕,蔡偉亮,向和平,等.機(jī)械損傷對(duì)荔枝生理與果皮形態(tài)的影響[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013(2) : 138-141.
[9]全國農(nóng)業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化分技術(shù)委員會(huì).NY/T 502-2002花生收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.
[10]尚書旗,王延耀,孫振華.機(jī)電試驗(yàn)設(shè)計(jì)學(xué)[M].青島:青島海洋大學(xué)出版社,1997: 143-147.
[11]高玉芝.排種盤排種性能試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2005(4) : 169-170.
[12]張鵬,周少偉,宋福元,等.基于正交試驗(yàn)方法的渦流管優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].低溫與超導(dǎo),2007,35(5) : 424-427.
[13]陶菊春,吳建民.綜合加權(quán)評(píng)分法的綜合權(quán)重確定新探[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,2001,21(8) : 43-48.
[14]吳建民,陶菊春.用綜合加權(quán)評(píng)分法優(yōu)化鉆井泥漿配方的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2002,18(2) : 45-48.
[15]魏效玲,趙立新,任建華.多指標(biāo)試驗(yàn)設(shè)計(jì)綜合加權(quán)評(píng)分值的確定[J].河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào),2003,20 (4) : 68-72.
[16]鄧大鵬,劉剛,李學(xué)德,等.湖泊富營養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)的坡度加權(quán)評(píng)分法[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2006,26(8) : 1386-1392.
【責(zé)任編輯霍歡】
Design and optimization of rotary drum combing type of litchi picking machine
JIANG Yanming,ZHAO Lei,LU Huazhong,LüEnli,LI Jun
(National Litchi and Longan Industry Technology Research System Integrated Laboratory/College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)
Abstract:【Objective】To design a rotary drum combing type litchi picker and optimize structures of picking parts.【Method】The four-factor and three-level orthogonal experiment was conducted,using the amount of tooth profile plate,the bend angle of tooth profile plate,the amount of blade and the drum rotation speed as influencing factors,and productivity,picking rate and crushing rate as picking indexes.【Result and conclusion】The optimal parameter combination was 4 for the amount of tooth profile plate,120°for the bend angle of tooth profile plate,13 for the amount of blade and 44 r·min-1for the drum rotation speed The productivity reached 2.604 kg·min-1based on the optimal parameter combination.The results provide reference for design and development of litchi picking machine.
Key words:litchi; picking machine; rotary drum combing type; structure design
基金項(xiàng)目:國家荔枝龍眼產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助項(xiàng)目(CARS-33-13)
作者簡介:姜焰鳴(1983—),男,講師,博士,E-mail: jamie@ scau.edu.cn;通信作者:陸華忠(1963—),男,教授,博士,E-mail: huazlu@ scau.edu.cn
收稿日期:2014-03-07
文章編號(hào):1001-411X(2015) 03-0120-05
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
中圖分類號(hào):S667.1; S225.93