振動(dòng)式枸杞采摘機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉 英， 范開欣， 杜小龍

(1.甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

枸杞鮮果含有多種營養(yǎng)成分，是一種藥食同源的作物，制干后的枸杞子具有滋養(yǎng)保健、藥用、制做飲料、制酒等功能[1-4]。枸杞種植于我國西北地區(qū)，主要分布于甘肅、寧夏、新疆等地，是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，在寧夏枸杞核心產(chǎn)區(qū)的規(guī)模鄉(xiāng)鎮(zhèn)及專業(yè)村，農(nóng)民來自枸杞栽培的收入占可能占其總收入的60% 以上。枸杞采摘具有季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)密集的特點(diǎn)，長久以來，枸杞的高效機(jī)械化采收一直是需要解決的難題[5-9]。

目前眾多學(xué)者對于一些漿果類的果實(shí)振動(dòng)式采收做了很多的研究。如趙健等[10]通過正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)優(yōu)化了便攜式枸杞振動(dòng)采收裝置的振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)桿直徑，降低了采收過程中的果實(shí)損傷。王亞軍[11]設(shè)計(jì)了一種背負(fù)式氣吸式枸杞采摘機(jī)，采用負(fù)壓吸附原理使得枸杞在負(fù)壓作用下落入到存儲箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)采收。徐麗明等[12]設(shè)計(jì)了一種梳刷振動(dòng)式枸杞收獲裝置，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)，在試驗(yàn)中確定了一組采收效果最好的參數(shù)組合。張文強(qiáng)等[13]設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種變間距梳刷式枸杞采收裝置，實(shí)現(xiàn)了枸杞與枝條的脫離以及枸杞與梳刷指分離。馬永龍、耿峻[14]設(shè)計(jì)了一種雙梳板可變間距梳耙式枸杞采摘器，該采摘器結(jié)構(gòu)簡單，采摘效率較高。綜上，目前小型漿果采收設(shè)備在采收過程中存在著果實(shí)損傷率、采青率較高，采凈率較低的問題，部分振搖式機(jī)械還會對果樹造成損傷。因此設(shè)計(jì)一種適宜于枸杞的低損傷采收機(jī)械，仍是一個(gè)亟待解決的難題。

本文設(shè)計(jì)了一種自走式枸杞振動(dòng)采收機(jī)，通過田間試驗(yàn)，得出枸杞采收適宜的參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)了枸杞低損傷采摘需求。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

振動(dòng)式枸杞振動(dòng)采收機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要由機(jī)架、激振裝置、傳送帶、收集裝置、振動(dòng)桿組、控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和行走裝置等組成。機(jī)架采用門型結(jié)構(gòu)，并與自走式底盤相連接，激振裝置安裝于車體前進(jìn)方向右側(cè)，振動(dòng)桿組分別布置在車體左右兩側(cè)，果實(shí)收集裝置位于車體下方。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)1.機(jī)架；2.激振裝置；3.傳送帶；4.收集裝置；5.振動(dòng)桿組；6.行走裝置；7.動(dòng)力系統(tǒng)；8.控制系統(tǒng)

激振裝置為本機(jī)的核心部件，如圖2、圖3所示。在激振裝置作用下，使果樹產(chǎn)生受迫振動(dòng)，當(dāng)枸杞果實(shí)所受慣性力大于連接力時(shí)果實(shí)與果柄脫落，實(shí)現(xiàn)果實(shí)采摘。為保證該激振裝置可適用于不同品種枸杞的收獲，偏心輪半徑范圍是15～40 mm，圓盤端面設(shè)置6個(gè)螺栓孔，對應(yīng)偏心輪的半徑是15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm，遞增公差為5 mm，從內(nèi)向外順時(shí)針依次遞增，兩相鄰螺栓孔的等角度的分布在圓盤端面上，實(shí)現(xiàn)了激振機(jī)構(gòu)振幅的調(diào)節(jié)。

圖2 偏心盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖1.導(dǎo)桿；2.直線軸承；3.連桿；4.振幅調(diào)節(jié)螺栓孔；5.偏心輪；6.減速齒輪箱；7.電動(dòng)機(jī)

圖3 圓盤端面螺栓孔布置圖

1.2 工作原理

該機(jī)能夠一次性完成枸杞果實(shí)的采收工作。枸杞采收機(jī)采用一體式車架，各裝置和部件都固定在機(jī)架上，工作時(shí)，采收機(jī)以一定的速度直線行駛，并且騎跨在枸杞果樹上。分布于車體兩側(cè)的振動(dòng)桿組5均勻插入樹體，在激振裝置2作用下做上下往復(fù)振動(dòng)。下垂的掛果枝條在振動(dòng)桿組的激振力作用下，枸杞果實(shí)與樹體分離下落，再由安裝在車體下方的兩斜向傳送帶3收集輸送至果實(shí)收集裝置4，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采收。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過采收試驗(yàn)得出振幅、頻率、振動(dòng)桿數(shù)量為影響枸杞采收效果的主要因素。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)中得到的試驗(yàn)結(jié)果，確定各影響因素的范圍：振幅15～80 mm、頻率范圍：2.5～11.6 Hz、單個(gè)振動(dòng)桿安裝圓盤上的振動(dòng)桿安裝數(shù)量4～12個(gè)。以采凈率、青果錯(cuò)采率和成熟枸杞果實(shí)損傷率為試驗(yàn)因素，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

(1)

式中：ηj為采凈率，%；n1為振落下來的成熟枸杞果實(shí)數(shù)量，個(gè)；n2為未振落下來的成熟枸杞果實(shí)數(shù)量。

(2)

式中：ηc為采凈率，%；n3為振落下來的青果數(shù)量；n4為未振落下來的青果數(shù)量。

(3)

式中：ηS為成熟枸杞損傷率，%；n5為損傷的成熟枸杞數(shù)量，n。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

運(yùn)用MATLAB軟件CFTOOL模塊處理數(shù)據(jù)并繪制折線圖，分析各因素對采收效果的影響。

2.2.1 偏心圓盤轉(zhuǎn)速對收獲效果的影響

偏心圓盤轉(zhuǎn)速對采收效果的影響折線圖如圖4所示。由圖4可以看出：隨著偏心圓盤轉(zhuǎn)速的升高，成熟枸杞的采凈率增加，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速超過160 r/min時(shí)，采凈率增加不明顯。這因?yàn)殡S著偏心盤轉(zhuǎn)速的增加，相應(yīng)的振動(dòng)頻率也增加，振動(dòng)桿在單位時(shí)間內(nèi)作用在掛果枝條上的激振力次數(shù)增加，使得果實(shí)更容易脫落。當(dāng)轉(zhuǎn)速過高，會發(fā)生掛果枝條纏繞在振動(dòng)桿上的情況，反而使得果實(shí)不容易掉落，降低采凈率；隨著轉(zhuǎn)速升高，在100～140 r/min的范圍內(nèi)青果錯(cuò)采率增大不明顯，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速大于140 r/min時(shí)青果錯(cuò)采率呈增大趨勢。原因可能是在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，激振力的作用不明顯，青果受到的慣性力達(dá)不到結(jié)合力錯(cuò)采率較低，隨著轉(zhuǎn)速的逐步升高，青果錯(cuò)采率增大；偏心圓盤轉(zhuǎn)速對成熟枸杞的損傷率總體上隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大，尤其當(dāng)轉(zhuǎn)速大于160 r/min后明顯增大。

圖4 偏心圓盤轉(zhuǎn)速對采收效果的影響

2.2.2 振動(dòng)桿組振幅對收獲效果的影響

振動(dòng)桿組振幅對采收效果的影響折線圖如圖5所示。由圖5可以看出：隨著振幅的增加，總體上成熟枸杞采凈率成逐步變大趨勢，只是上升比較平穩(wěn)。這是因?yàn)殡S著振幅的增加，振動(dòng)桿組作用在枸杞果樹上的行程增加，相應(yīng)的作業(yè)面積所致；隨著振幅的增加，青果錯(cuò)采率也是呈現(xiàn)逐步增大的趨勢。這是因?yàn)檎穹龃螅駝?dòng)桿作用在提高采凈率的同時(shí)也會同時(shí)增大青果的錯(cuò)采率；振幅變化對成熟枸杞損傷率的影響在40～70mm 范圍內(nèi)變化不大，保持在1.42～2.03%，當(dāng)振幅大于70mm后影響加劇。這可能是因?yàn)楫?dāng)振幅過大時(shí)振動(dòng)桿作用在枸杞果實(shí)上的面積增大，增加了果實(shí)的破損。

圖5 振動(dòng)桿組振幅對采收效果的影響

2.2.3 振動(dòng)桿數(shù)量對收獲效果的影響

振動(dòng)桿數(shù)量對采收效果的影響折線圖如圖6所示。由圖6可以看出：振動(dòng)桿數(shù)量在4～8時(shí)，成熟枸杞的采凈率在69.36～70.41%，無明顯變化，但當(dāng)振動(dòng)桿數(shù)量大于8之后成熟枸杞采凈率增大明顯。這是因?yàn)檎駝?dòng)桿數(shù)量較少時(shí)，振動(dòng)桿組作用在掛果枝條上的作業(yè)面積少，一些掛果枝條沒有受到慣性力作用；振動(dòng)桿數(shù)量對青果錯(cuò)采率的影響總體上呈現(xiàn)增大的趨勢，易分析隨著振動(dòng)桿數(shù)量的增多，有更多的振動(dòng)桿作用在青果上會增加脫落的可能性；振動(dòng)桿數(shù)量對于成熟枸杞損傷率的影響基本呈現(xiàn)線性增長趨勢，這是因?yàn)殡S著振動(dòng)桿數(shù)量的增多，作用在單個(gè)枸杞果實(shí)上拍打次數(shù)增加導(dǎo)致。

圖6 振動(dòng)桿數(shù)量對采收效果的影響

綜上所述枸杞采收適宜的參數(shù)組合為：偏心盤轉(zhuǎn)速為140 r/min，振幅70 mm，振動(dòng)桿數(shù)量10個(gè)。

3 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)出一種自走式枸杞振動(dòng)采收機(jī)實(shí)現(xiàn)了對枸杞的機(jī)械化采摘，初步完成了“摘熟留青”的農(nóng)藝要求，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和收獲作業(yè)成本，提高了生產(chǎn)效率。且收獲枸杞成色較好，損傷率低 。

(2)采收試驗(yàn)后以成熟枸杞果實(shí)的采凈率、損傷率、青果錯(cuò)采率為試驗(yàn)指標(biāo)，以偏心圓盤轉(zhuǎn)速、振動(dòng)桿組振幅、振動(dòng)桿數(shù)量為試驗(yàn)因素，進(jìn)行單因素試驗(yàn)得出各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律。獲得枸杞采收適宜的參數(shù)組合為：偏心盤轉(zhuǎn)速為140 r/min，振幅為70 mm，振動(dòng)桿數(shù)量10個(gè)。