树莓振动采收工作参数的优化研究

傅岩州，孙培灵，王业成

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨　150030)



树莓振动采收工作参数的优化研究

傅岩州，孙培灵，王业成

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨150030)

摘要：为了获得树莓振动采收时的工作参数，选取果枝振动夹持位置、振幅、频率为影响因素，树莓的采收率、采青率为性能指标，采用二次正交旋转组合试验方法，建立了各因素与采收率、采青率的数学模型。同时，通过响应曲面分析各因素对各性能指标的影响，并对采收参数进行优化，获得振动采收的最佳工作参数。结果表明：当振动频率15～19Hz、振幅21～26mm、振动位置0.5时，树莓的采收率大于70%，采青率小于16%。试验所获得的振动采收工作参数为树莓采收机械的研制提供了依据。

关键词：树莓；采收；正交试验；参数优化

0引言

树莓(raspberry)又称覆盆子，是多年生小灌木类落叶果树。其果实为聚合浆果，风味独特，可鲜食和再加工，被誉为“黄金浆果”，具有很高的经济价值和良好的发展前景[1]。

树莓的成熟果实鲜嫩多汁，摘果时间短、保鲜期短、鲜果不宜贮存。目前，我国树莓主要以人工采收为主，每千克人工树莓收获费用约占到鲜果售价的1/4[2]。2010年以来，国际市场的树莓需求量逐年递增，需求缺口不断扩大，而树莓种植、采收、加工属于劳动密集型产业，随着劳动力成本的增加，树莓栽培面积逐年递减[3]。树莓机械化采收已成为阻碍树莓规模化、产业化发展的难点，机械化问题采收亟待解决[4]。树莓振动采收工作参数的研究是机械化采收系统研制与开发的基础，可为树莓采收机械系统的研制提供参考。

1试验材料与方法

1.1试验材料

选择东北农业大学园艺试验站种植树莓品种为托拉蜜(Tulameen)样本，此品种树莓果实中等大小、聚合果粒紧凑[5]。两品种树莓成熟期约在7-9月，试验于2014年8月1-6日在园艺试验站完成[6]。

1.2试验装置

试验装置采用自制的偏心连杆式振动装置[7]，如图1所示。振动频率通过变频器改变电动机转速来进行调节，振幅大小通过改变偏心轮的偏心距来进行调节，振动位置通过果枝夹头夹持果枝不同位置来进行调节[8]。浆果质量采用电子分析天平(型号Sartorius BS2202S，精度0.01 g)进行测量。

1.果枝夹头　2.连杆　3.偏心轮　4.偏心距

1.3试验方法

树莓的果实成熟期不一致，需分批采收。采收过程中，应对成熟的浆果尽可能全部采收，而对不成熟的青果应避免采收，这是因为不成熟青果的采收将直接影响浆果的产量及品质。选取浆果采收率y1和浆果采青率y2为性能指标[9]，其计算公式为

其中，m1为已实现采收的成熟果实的质量(g)；m2为果树上未采收的剩余成熟果实的质量(g)；m3为采收的未成熟果实的质量(g)。

振动采收时，树莓果枝某处受到果枝夹头的振动作用，振动通过果枝传递给各个浆果。当浆果受到的惯性力大于浆果与果枝的连接强度时，浆果脱离果树完成采收。浆果激振力的大小主要由振幅和频率决定。树莓果实主要分布于果枝的中上处，果枝振动夹持位置影响振动传递的效率。本试验选取振动位置、振幅、频率为影响因素，其中振动位置用果枝夹持位置距离地面高度与果枝长度的比值来表示。试验采用二次正交旋转组合试验方法，试验因素与水平编码表如表1所示，试验方案如表2所示。共进行23组试验，每组试验重复3次，取3次试验的平均值作为该组试验结果[10]。

表1　试验因素水平编码表

表2　试验方案及结果

续表2

2试验结果分析与优化

2.1浆果采收率

对浆果采收率进行方差分析，在置信度α=0.05下，模型极显著，而失拟项残差项不显著，回归数学模型与实际结果拟合良好。剔除模型中不显著项，获得浆果采收率的回归数学模型为

y1=-104.43+345.14x1+2.70x2+

(1)

振动位置x1、振幅x2、频率x3各因素对浆果采收率的贡献率分别为Δx1=1.43、Δx2=1.82、Δx3=1.53，各因素对浆果采收率的影响强弱顺序为：振幅x2、频率x3、振动位置x1。

各因素对浆果采收率的响应曲面如图2所示，各因素之间无交互作用。

图2　各因素对采收率影响的响应曲面

由图2(a)可知：随着振幅的增大，浆果采收率明显增加。当果枝夹持处的振幅增大时，果枝各给位置的振幅也随之增大，浆果受到的惯性力同时增大；当惯性力大于果柄与浆果连接强度时，果实与果柄脱离，完成采收[11]。由图2(b)可知：当振动频率增大时，单位时间内对果枝的振荡次数增加，果实受到更多的振荡，惯性力增大，采收率增大。由图2(c)可知：随振动位置的升高，采收率逐渐增大；在采收率达到最高值后变化平缓，是由于大部分的果实位于果枝的中上部，振动位置的升高使大部分果实受到有效的激振作用而实现较高的采收率。

2.2采青率

对采青率进行方差分析，在置信度α=0.05下，模型极显著，而失拟项残差项不显著，说明所得的回归数学模型与实际结果拟合良好。剔除模型中不显著项，获得采青率的回归数学模型为

y1=74.53-210.10x1-0.69x2-1.43x3+

(2)

振动位置x1、振幅x2、频率x3各因素对采青率的贡献率分别为Δx1=1.71、Δx2=1.87、Δx3=1.62。由此可得各因素对采青率的影响强弱顺序为：振幅x2、振动位置x1、振动频率x3。

各因素对采青率的响应曲面如图3所示。

图3　各因素对采青率影响的响应曲面

由图3可知：各因素之间并无交互作用。由图3(a)和图3(b)可知：随着振荡频率和振幅的增加，果枝在单位时间内受到的振荡次数和振荡幅度增加，果实受到较大的激振力；当激振力大于果柄惯性力时，果实脱离果柄，采青率呈明显增大的趋势。由图3(c)可知：在前半段，随着振动位置的升高，采青率基本不变；在后半段，随着振动位置的升高，采青率逐渐增加。由于大部分的未成熟果实位于果枝的端部，振动位置升高果实所受激振力增大，采青率增加[12]。

2.3参数优化

选取振动频率为8～33Hz，振幅为6～50mm，振动位置为0.5，使采收率大于70%、采青率小于16%，进行优化。结果表明：当振动频率为15～19Hz、振幅为21～26mm、振动位置为0.5时，采收率大于70%，采青率小于16 %，如图4所示。于2014年8月15日在东北农业大学园艺试验站进行验证试验，试验选取振动位置为0.5、振幅为23mm、振动频率为18Hz，取5次试验的平均值，试验结果为采收率72.3%、采青率15.7%。

图4　优化分析

3结论

1)采用二次正交旋转组合设计试验，建立了振动位置、振幅、频率与果实采收率、采青率间的数学模型。各因素对浆果采收率的影响强弱顺序为：振幅x2、频率x3、振动位置x1。

各因素对采青率的影响强弱顺序为：振幅x2、振动位置x1、振动频率x3。

2)当振动频率15～19Hz、振幅21～26mm、振动位置0.5时，采收率大于70%，采青率小于16%。

参考文献：

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[3]段洁利，陆华忠，王慰祖，等. 水果采收机械的现状与发展[J].广东农业科学，2012(16)：189-192.

[4]周伟艳，高希君，国委文. 树莓采摘机械研制必要性分析[J]. 农业科技与装备，2014(10)：78-79.

[5]杨丽维. 树莓栽培技术[M].天津:天津科技翻译出版公司，2010：14-21.

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[10]徐向宏，何明珠. 试验设计与Design-Expert、SPSS应用[M].北京:科学出版社，2010：9-157.

[11]Whitney J D,Sumner H R. Mechanical removal of fruit from citrus trees[J]. Proc. Int. Soc. Citriculture, 1977(2): 407-412.

[12]王海滨，郭艳玲，鲍玉东，等. 振动式蓝莓采摘的机理分析与仿真[J]. 农业工程学报，2013， 29(12)：40-46.

Optimization of Raspberry Vibration Harvesting Parameters

Fu Yanzhou， Sun Peiling， Wang Yecheng

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：In order to obtain the outstanding performance and the optimal parameters of the raspberry harvesting mechanism, quadratic orthogonal rotational combinational design was conducted. The factors in this research were selected as location, amplitude and frequency. Raspberry harvesting rate and immature raspberry harvesting rate were objective indexes. The regression models between indexes and factors were developed by using design-expert software. The interactions of factors on the indexes were analyzed by the response surface method. An optimum combination of input parameters was obtained with the region of frequency 15～19Hz, amplitude 21～26mm and a location of 0.50. The optimum combination parameters may result in the raspberry harvesting rate above 70%, immature raspberry harvesting rate under 16%. The results offer the information for the development and design of raspberries harvest mechanical system.

Key words：raspberry; harvest; quadratic orthogonal rotational combinational design; optimal parameter combination

文章编号：1003-188X(2016)02-0141-04

中图分类号：S225.93

文献标识码：A

作者简介：傅岩州(1987-)，男，山东青岛人，硕士研究生，(E-mail)418345605@qq.com。通讯作者：孙培灵(1965-)，女，哈尔滨人，副教授，博士，(E-mail)spl1965@126.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51205057)

收稿日期：2015-03-19