梳排振动式荔枝采摘机的设计与试验

2019-12-21陆华忠吕恩利杨益彬

农机化研究 2019年3期

李斌，李君，陆华忠，吕恩利，杨益彬

(华南农业大学工程学院，广州 510642)

0 引言

荔枝是我国南方的特色水果，主要分布于广东、广西、福建和海南等省份，少量分布在四川和云南[1]。当前，荔枝采摘仍以人工采摘为主，劳动强度大、作业成本高，采摘成本约占整个荔枝生产成本的50%～70%，采摘所用劳动力占全部所用劳动力的33%～50%[2-4]。

随着荔枝采摘与用工成本上升的矛盾日益凸显，荔枝机械化采收技术已成为产业研究的热点方向之一。赵磊等[5]根据荔枝果实尺寸和枝条物理特性，研制了一种滚筒疏剪式荔枝采摘机。在此基础上，姜焰鸣等[6]试验获得了滚筒疏剪式采摘机的最佳水平组合。孔庆军等[7]设计了一种旋转剪刀式荔枝采摘机，并对切割刀片结构设计进行了可靠性分析。陈燕等设计了一种具有1个移动关节和4个转动关节的5自由度荔枝采摘机械手。

国内外对林果振动采摘方式的研究已有较长时间，在结构设计与参数优化方面取得了一定的进展。东北林业大学耿雷等[8]设计了一种“龙门”式蓝莓采摘机，利用双侧梳妆指排拍打蓝莓树枝，形成稳态受迫振动击落树上成熟蓝莓果实。郭艳玲等[9]对蓝莓采摘机收获机理进行分析，采摘试验结果表明：单台采摘量为12kg/h，果实损坏率为10%，采净率为86%。杨兰涛等[10]设计了一种自走式酿酒葡萄收获机，可一次性实现对酿酒葡萄的分离、输送、除杂及集果等功能。周兵等[11]设计了一种模拟手枸杞采摘机，利用左右旋转体和表面上的柔性胶环排模拟人手，柔性胶管捋下结合力较低的果实，完成果实的采摘。张最等[12]运用MatLab对振动式枸杞采摘机工作参数进行优化和仿真试验，优化得到合理的迫振载荷和驱动轮转速组合。目前，机械振动在荔枝生产中的应用报道仅限于初加工环节。王慰祖等[13]设计了一种机械式荔枝去梗机，研究发现机械去梗效果在振动频率为20Hz时最好，去梗效率约为人工去梗的3倍，破损率低于6%。

为研究荔枝机械式振动采摘的可行性，针对国内矮化密植模式的荔枝果园，基于树冠仿形和柔性采摘的作业要求，设计了一种梳排振动式荔枝采摘机。同时，利用EDEM软件进行仿真试验确定梳摆频率取值范围，通过田间试验分析采摘机的最佳作业参数组合，并进一步对比分析机械采摘和手工采摘的采后品质，以期为荔枝机械化收获技术的研究提供参考。

1 结构与工作原理

1.1 基本结构

梳排振动式荔枝采摘机由梳摆采摘机构、曲柄双摇杆机构、液压马达组、液压工作站、操纵控制面板、动力源及电磁阀组等组成，如图1所示。

1.柔性梳棒组 2.基板 3.采摘液压马达 4.油箱

梳摆采摘机构主要由柔性梳棒组、左右轴、基板、轴承及轴承座组成。其中，左右轴直径25mm、长1 800mm，左右轴轴心距为320mm，700mm，梳棒间距、重合度可根据实际生产需要进行调整。曲柄双摇杆机构的主要作用是将传动机构圆周运动转化为梳摆采摘机构中左右轴的往复式运动。

1.2 工作原理

采摘作业时，启动柴油机向液压工作站提供驱动力；液压泵泵油经过输油管带动底盘驱动液压马达工作，操控采摘机靠近目标果树；根据果树冠层的轮廓形状以及果实分布的空间位置，控制角度调节机构的仿形液压马达使梳摆采摘机构倾斜相应角度；调节采摘液压马达转速，使摇杆做往复式摆动，从而带动安装于左轴、右轴上的柔性梳棒组振动式梳摆挂果枝条使果梗分离，实现荔枝的机械化采摘。

2 建模仿真分析

2.1 创建仿真模型

梳摆频率是影响采摘机采摘效果的主要因素之一，合理的梳摆频率能够提高生产效率，降低果实破损率。荔枝果实的机械损伤程度与应变能显著相关，随着应变能增加，荔枝的机械损伤程度越大[14]，即随着梳摆频率增大，荔枝果实的内能造成的机械损伤逐渐变大。为了探究采摘机适宜的梳摆频率，将梳摆频率设定为10、20、30Hz，利用EDEM软件进行仿真试验研究。

以“桂味”荔枝果实为例，在EDEM软件中的Particles模块创建荔枝果实颗粒模型，将模型的尺寸设置为直径30mm的球体，如图2(a)所示。

(a) 荔枝果实颗粒模型

(b) 采摘机几何模型

2.2 仿真参数设定

荔枝球度系数达0.96以上，近似于球体，可将果实模型设置为整个表面硬度和横纵向弹性模量相同的球体。仿真参数条件：果实硬度为1.63×106Pa，果实弹性模量设置为3.0×105Pa[14-15]，果实密度、泊松比、剪切模量分别为1.0×103kg/m3、0.35、0.11MPa[16]，果实间恢复系数、摩擦因数分别为0.4、1。梳棒组的运动设置为正弦平移运动，摆幅0.78rad，采摘机的运动设置为沿y轴正向以0.5m/s的速度匀速前进。

将EDEM颗粒工厂设置为BOX型式，用于模拟等效荔枝果实在果树上的分布。如图2(b)所示：将果树分割成平行于地面若干个长方形，根据荔枝果实在果树上的分布状况确定长方形的尺寸和离地高度。每个长方形所包含的颗粒(即果实)数量参照果树实际生长状况设定。

根据荔枝果实的物理特性要求，果实之间的接触模型定义为linear spring[17]。由于荔枝果实近似球形，果实颗粒与采摘机构没有粘附力，所以将采收机的接触模型定义为hertz-mindlin(no-slip)无滑动接触模型。由于采摘过程中的果树是假想的若干个平行面，并非实体，因此将果树等效模型设定为虚拟。为使创建的果树模型尽可能接近真实情况，将果实在每一个虚拟平面产生的位置和速度设定为随机。果树模型置于采摘机前方，按照采摘机的设计尺寸和果树等效模型距离地面的高度设定果树距离地面的高度以及与采摘机的相对位置。

2.3 仿真结果与分析

在仿真时长为5s的模拟采摘过程中，果实的压缩力变化如图3(a)所示。在0～2s时段，压缩力出现多处波峰，原因是果实从挂果枝条分离后出现二次以上的跌落碰撞；随着冲击能的不断衰减，2s后，果实进行滚动-静止状态，压缩力趋于稳定。当f=10Hz时，果实的压缩力值变化较小；当f=20Hz时，果实受到的压缩力最大为26N；当f=30Hz时，果实平均压缩力峰值达到了89.62N。荔枝果实的水平受压的破裂力为81.25N[18]，因此采摘机的适宜梳摆频率应小于30Hz，以减少对果实的物理伤害。果实所受合力的变化如图3(b)所示。

(a) 果实压缩力

(b) 果实合力

果实所受的合力主要由重力和压缩力组成，由于重力不变，即只有压缩力发生变化，因此果实的合力变化与压缩力变化基本一致；2s后，果实的重力和压缩力大小相等，方向相反，合力大小趋于0。

果实的平均动能变化如图4(a)所示。果实与果树分离后主要做自由落体运动，第1次跌落碰撞时的动能最大，此后多次跌落反弹，直至动能衰减到某一数值恒定不变。动能定理计算公式为

(1)

式中M—果实质量(kg)；

V—果实速度(m/s)；

K—果实动能(J)。

果实内能即果实在跌落过程中发生接触碰撞被压缩产生的内能。果实的平均总能量为果实内能和果实动能的总和平均，其变化如图4(b)所示。初始时，果实受外界激励，总能量急剧增加；0.2s后，果实的总能量逐渐降低，其中一部分动能转化为果实的内能，另一部分动能被树枝吸收，最终果实总能量维持恒定。当f=10、20、30Hz时，果实的内能计算值分别为0.376 25、0.506 25、1.271 25J。

(a) 果实的平均动能

(b) 果实的平均总能量

3 采摘试验

3.1 材料与设备

试验于广东省广州市从化区凤凰双凤山果园进行，试验果园东经113.9°，北纬23.8°，海拔31m，年平均气温19.5～21.4℃，年平均降雨量1 800～2 200mm，株行距为4m×3m。供试品种为桂味荔枝，树龄20～25年。

试验采用梳排振动式荔枝采摘机(华南农业大学国家荔枝龙眼产业技术体系果园机械化研究室试制)，华仪MS6208B光电转速表(测量精度0.3%)，卷尺，编织收集网，计时器及电子天平等。

3.2 试验方法

1) 试验因素与指标。试验指标为采摘效率和破损率。

采摘效率为

(2)

破损率为

(3)

其中，E为采摘效率(kg/s)；m为采摘果实质量(kg)；T为采摘作业时间(s)；W为破损率(%)；N1为采摘果实数量(个)；N2为采摘果实破损数量(个)。

在统计采摘果实破损数量时，目测果皮破裂或损伤的果实均被视为破损果实，破损原因主要为采摘过程中被振动梳棒打伤破裂，或脱落过程中果皮被扯裂。

试验步骤：每次试验选取坐果数量相近的挂果区域作为试验目标，调节采摘机参数为试验所需水平，人工铺设编织收集网于作业区域下方0.5m处；从采摘机梳排接触荔枝挂果枝条开始计时，目标果实全部脱落停止计时，采摘后将收集网内果实取出，记录破损果实数。

为全面分析各因素的影响，选用正交试验来减少试验次数。基于三因素三水平组合方法，选用L9(34)正交表进行试验，试验因素与水平如表1所示。试验共9处理，每个处理重复3次，取平均值，采用SPSS Version 21.0软件进行统计分析。

3.3 结果与分析

采用SPSS Version 21.0软件对表2的试验数据进行方差和极差分析，分析结果如表3和表4所示。

表1 正交试验因素和水平表

表2 正交试验结果

表3 方差分析结果

F0.01(2，20)=5.85，F0.05(2，20)=3.49，F0.1(2，20)=2.59,影响显著用*表示，影响极显著用**表示。

表4 极差分析结果

由表3可知：梳排振动式采摘机梳打频率、梳棒间距、梳棒重合度对采摘效率和破损率影响程度不同，在显著性水平α=0.05的条件下，3个因素对采摘效率和破损率均有显著性影响(P<0.05)。其中，梳打频率、梳棒间距对采摘效率和破损率影响极显著。

由表4可知：梳排振动式采摘机梳打频率为19Hz、梳棒间距为100mm、梳棒重合度为60%时，采摘效率最优；采摘机梳打频率为11Hz、梳棒间距为100mm、梳棒重合度为60%时，破损率最低。

为平衡采摘效率和破损率的得失，采用综合加权评分法进行分析，以得出使采摘效率和破损率都尽可能达到最优的组合。根据3个因素对衡量指标的重要程度，以100分作为总权，采摘效率为60，破损率为40[19-20]，每处理的综合评分值为

(4)

其中，yi为第i号试验所得计算值(加权评分指标)；Wj为第j个指标的权值；yij为第i号试验中第j个指标；ymj为第j个指标中的极小值；Rj为第j个指标的极差；λj为第j个指标的计算系数，其既考虑权又考虑指标变动程度。

分析可知：影响综合指标的主次因素排列为A>B>C，最佳水平组合为A2B3C2，即梳棒间距为100mm，梳棒重合度为60%。将采摘机构的工作参数分别调整为采摘效率最高的工况下，进行采摘试验。此工况下，采摘效率为1.94kg/min，破损率为3.14%。

4 品质对比试验

4.1 材料与设备

为对比机械采摘和人工采摘两种采摘方式的采后品质差异，将采摘机和手工采摘的成熟桂味荔枝贮藏在果蔬保鲜试验平台[21-22]内10天，采用PR-32α 型数字式折射计(可溶性固形物质量分数测量范围0～32%，最小刻度0.1%，日本爱拓中国分公司)及DC-P型全自动测色色差计(北京市兴光测色仪器公司)等仪器对荔枝品质进行测定。

4.2 试验方法

按照随机抽取试验区域的方法，采用机械采摘和人工采摘两种方式各获取300颗无破损荔枝果实，并于2h内运到华南农业大学，在5℃左右的冰水中预冷15min后于空调房(温度25℃，空气湿度60%)内晾干。将采摘后目测果皮组织完好的荔枝分别装在聚乙烯薄膜袋中，每袋15颗。按照振动采摘和手工采摘进行分组，每组20袋，置于同一果蔬保鲜试验平台中保存，保存温度约为6℃，氧气体积分数3%～6%，相对湿度90%～95%[23]。贮藏试验共进行10天，每隔48h从每组各取两袋，对荔枝色差(L、a*、b*值)、可溶性固型物(Total Soluble Solid，简称TSS)及可滴定酸(Titratable Acid，简称TA)含量5个指标进行测试[24]。为方便对试验结果进行分析和比较，定义机械采摘和手工采摘处理分别为L1和L2。

4.3 结果与分析

由图5可知：两组荔枝的TSS含量都随着时间的增加而减少。初始样本L2组果实的TSS含量为19.42°Brix，L1组为19.27°Brix，两组荔枝初始TSS含量不同可能是由于个体差异。2天后，两组荔枝果肉TSS含量均略有上升，可能由于果肉内淀粉等物质转化为可溶性糖所致。前4天内TSS含量下降速率没有显著性差异，4天后，L1两组荔枝的TSS含量下降速度比L2组下降速度快。10天时，L1组的TSS含量为17.27，L2组的TSS含量为17.92。经双尾显著性检验分析可知，两组荔枝的TSS含量显著性水平Sig=0.459>0.05，表明两组荔枝果肉TSS含量变化无显著差异。

如图5所示：两组荔枝的TA含量呈现出下降趋势。初始样本L1组与L2组荔枝果实的TA含量均为0.24%。2天后，L1组荔枝果肉TA含量下降到0.22%，L2组荔枝果肉TA含量下降到0.21%，两者下降速率差异较小。4天后，L1组荔枝果肉TA含量略微上升到0.22%后持续下降；L2组荔枝果肉TA含量一直下降到0.19%， 6天时略微上升到0.20%， 6天后一直处于下降状态，且下降速率较L1组快。10天时，L1组和L2组的TA含量都下降到最低，L1组TA值为0.08%，L2组TA值为0.15%。经显著性检验分析可知，两组荔枝TA含量的显著性水平Sig=0.138>0.05，即两组荔枝果肉TA含量变化无显著差异。

图 5 荔枝果实TSS和TA含量变化图

如图6所示：荔枝的色差L*值随着保鲜时间的增加而降低，两组样本荔枝果实色差L*的初始值均为46.185，下降速度基本一致，无显著差别(Sig=0.666>0.05)；10天后，L1组荔枝色差L*值下降到40.185，L2组荔枝色差L*值下降到39.28。色差a*初始值为29.56，随着保鲜时间的推移，两组样本荔枝果实的色差a*总体呈现下降趋势；10天时，L1组荔枝色差a*值下降到25.63，L2组荔枝色差a*值下降到26.84。经差异显著性检验分析可知Sig=0.681>0.05，即两组荔枝色差a*值变化无显著差异。色差b*值的初始值均为27.465，两组荔枝样本果实的b*值总体上呈现出先上升后下降的趋势。

图6 荔枝果实色差L*、a*、b*变化图

前4天，色差b*值均呈上升趋势，L2组荔枝色差b*上升幅度比L1组上升幅度大； 4天时，两组样本的色差b*都出现峰值,其中L2组色差b*为29.5，L1组色差b*为29.34；4天后，两组样本荔枝的色差b*均呈下降趋势， 10天时达到最低值，L1组色差b*为27.28，L2组色差b*值为28.54。L1组与L2荔枝色差b*两尾检验差异显著性水平Sig=0.573>0.05，表明两组荔枝色差b*值无显著差异。

品质试验结果表明：在10天贮藏试验条件下，与人工采摘方式对比，梳摆振动式采摘机采收的荔枝果实品质无显著性差异，可以用于鲜食或加工。