傅巖州，孫培靈，王業(yè)成

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱　150030)

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樹莓振動采收工作參數(shù)的優(yōu)化研究

傅巖州，孫培靈，王業(yè)成

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱150030)

摘要：為了獲得樹莓振動采收時的工作參數(shù)，選取果枝振動夾持位置、振幅、頻率為影響因素，樹莓的采收率、采青率為性能指標(biāo)，采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗方法，建立了各因素與采收率、采青率的數(shù)學(xué)模型。同時，通過響應(yīng)曲面分析各因素對各性能指標(biāo)的影響，并對采收參數(shù)進行優(yōu)化，獲得振動采收的最佳工作參數(shù)。結(jié)果表明：當(dāng)振動頻率15～19Hz、振幅21～26mm、振動位置0.5時，樹莓的采收率大于70%，采青率小于16%。試驗所獲得的振動采收工作參數(shù)為樹莓采收機械的研制提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：樹莓；采收；正交試驗；參數(shù)優(yōu)化

0引言

樹莓(raspberry)又稱覆盆子，是多年生小灌木類落葉果樹。其果實為聚合漿果，風(fēng)味獨特，可鮮食和再加工，被譽為“黃金漿果”，具有很高的經(jīng)濟價值和良好的發(fā)展前景[1]。

樹莓的成熟果實鮮嫩多汁，摘果時間短、保鮮期短、鮮果不宜貯存。目前，我國樹莓主要以人工采收為主，每千克人工樹莓收獲費用約占到鮮果售價的1/4[2]。2010年以來，國際市場的樹莓需求量逐年遞增，需求缺口不斷擴大，而樹莓種植、采收、加工屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，隨著勞動力成本的增加，樹莓栽培面積逐年遞減[3]。樹莓機械化采收已成為阻礙樹莓規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化發(fā)展的難點，機械化問題采收亟待解決[4]。樹莓振動采收工作參數(shù)的研究是機械化采收系統(tǒng)研制與開發(fā)的基礎(chǔ)，可為樹莓采收機械系統(tǒng)的研制提供參考。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

選擇東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝試驗站種植樹莓品種為托拉蜜(Tulameen)樣本，此品種樹莓果實中等大小、聚合果粒緊湊[5]。兩品種樹莓成熟期約在7-9月，試驗于2014年8月1-6日在園藝試驗站完成[6]。

1.2試驗裝置

試驗裝置采用自制的偏心連桿式振動裝置[7]，如圖1所示。振動頻率通過變頻器改變電動機轉(zhuǎn)速來進行調(diào)節(jié)，振幅大小通過改變偏心輪的偏心距來進行調(diào)節(jié)，振動位置通過果枝夾頭夾持果枝不同位置來進行調(diào)節(jié)[8]。漿果質(zhì)量采用電子分析天平(型號Sartorius BS2202S，精度0.01 g)進行測量。

1.果枝夾頭　2.連桿　3.偏心輪　4.偏心距

1.3試驗方法

樹莓的果實成熟期不一致，需分批采收。采收過程中，應(yīng)對成熟的漿果盡可能全部采收，而對不成熟的青果應(yīng)避免采收，這是因為不成熟青果的采收將直接影響漿果的產(chǎn)量及品質(zhì)。選取漿果采收率y1和漿果采青率y2為性能指標(biāo)[9]，其計算公式為

其中，m1為已實現(xiàn)采收的成熟果實的質(zhì)量(g)；m2為果樹上未采收的剩余成熟果實的質(zhì)量(g)；m3為采收的未成熟果實的質(zhì)量(g)。

振動采收時，樹莓果枝某處受到果枝夾頭的振動作用，振動通過果枝傳遞給各個漿果。當(dāng)漿果受到的慣性力大于漿果與果枝的連接強度時，漿果脫離果樹完成采收。漿果激振力的大小主要由振幅和頻率決定。樹莓果實主要分布于果枝的中上處，果枝振動夾持位置影響振動傳遞的效率。本試驗選取振動位置、振幅、頻率為影響因素，其中振動位置用果枝夾持位置距離地面高度與果枝長度的比值來表示。試驗采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗方法，試驗因素與水平編碼表如表1所示，試驗方案如表2所示。共進行23組試驗，每組試驗重復(fù)3次，取3次試驗的平均值作為該組試驗結(jié)果[10]。

表1　試驗因素水平編碼表

表2　試驗方案及結(jié)果

續(xù)表2

2試驗結(jié)果分析與優(yōu)化

2.1漿果采收率

對漿果采收率進行方差分析，在置信度α=0.05下，模型極顯著，而失擬項殘差項不顯著，回歸數(shù)學(xué)模型與實際結(jié)果擬合良好。剔除模型中不顯著項，獲得漿果采收率的回歸數(shù)學(xué)模型為

y1=-104.43+345.14x1+2.70x2+

(1)

振動位置x1、振幅x2、頻率x3各因素對漿果采收率的貢獻率分別為Δx1=1.43、Δx2=1.82、Δx3=1.53，各因素對漿果采收率的影響強弱順序為：振幅x2、頻率x3、振動位置x1。

各因素對漿果采收率的響應(yīng)曲面如圖2所示，各因素之間無交互作用。

圖2　各因素對采收率影響的響應(yīng)曲面

由圖2(a)可知：隨著振幅的增大，漿果采收率明顯增加。當(dāng)果枝夾持處的振幅增大時，果枝各給位置的振幅也隨之增大，漿果受到的慣性力同時增大；當(dāng)慣性力大于果柄與漿果連接強度時，果實與果柄脫離，完成采收[11]。由圖2(b)可知：當(dāng)振動頻率增大時，單位時間內(nèi)對果枝的振蕩次數(shù)增加，果實受到更多的振蕩，慣性力增大，采收率增大。由圖2(c)可知：隨振動位置的升高，采收率逐漸增大；在采收率達到最高值后變化平緩，是由于大部分的果實位于果枝的中上部，振動位置的升高使大部分果實受到有效的激振作用而實現(xiàn)較高的采收率。

2.2采青率

對采青率進行方差分析，在置信度α=0.05下，模型極顯著，而失擬項殘差項不顯著，說明所得的回歸數(shù)學(xué)模型與實際結(jié)果擬合良好。剔除模型中不顯著項，獲得采青率的回歸數(shù)學(xué)模型為

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

(2)

振動位置x1、振幅x2、頻率x3各因素對采青率的貢獻率分別為Δx1=1.71、Δx2=1.87、Δx3=1.62。由此可得各因素對采青率的影響強弱順序為：振幅x2、振動位置x1、振動頻率x3。

各因素對采青率的響應(yīng)曲面如圖3所示。

圖3　各因素對采青率影響的響應(yīng)曲面

由圖3可知：各因素之間并無交互作用。由圖3(a)和圖3(b)可知：隨著振蕩頻率和振幅的增加，果枝在單位時間內(nèi)受到的振蕩次數(shù)和振蕩幅度增加，果實受到較大的激振力；當(dāng)激振力大于果柄慣性力時，果實脫離果柄，采青率呈明顯增大的趨勢。由圖3(c)可知：在前半段，隨著振動位置的升高，采青率基本不變；在后半段，隨著振動位置的升高，采青率逐漸增加。由于大部分的未成熟果實位于果枝的端部，振動位置升高果實所受激振力增大，采青率增加[12]。

2.3參數(shù)優(yōu)化

選取振動頻率為8～33Hz，振幅為6～50mm，振動位置為0.5，使采收率大于70%、采青率小于16%，進行優(yōu)化。結(jié)果表明：當(dāng)振動頻率為15～19Hz、振幅為21～26mm、振動位置為0.5時，采收率大于70%，采青率小于16 %，如圖4所示。于2014年8月15日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝試驗站進行驗證試驗，試驗選取振動位置為0.5、振幅為23mm、振動頻率為18Hz，取5次試驗的平均值，試驗結(jié)果為采收率72.3%、采青率15.7%。

圖4　優(yōu)化分析

3結(jié)論

1)采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗，建立了振動位置、振幅、頻率與果實采收率、采青率間的數(shù)學(xué)模型。各因素對漿果采收率的影響強弱順序為：振幅x2、頻率x3、振動位置x1。

各因素對采青率的影響強弱順序為：振幅x2、振動位置x1、振動頻率x3。

2)當(dāng)振動頻率15～19Hz、振幅21～26mm、振動位置0.5時，采收率大于70%，采青率小于16%。

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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

文章編號：1003-188X(2016)02-0141-04

中圖分類號：S225.93

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：傅巖州(1987-)，男，山東青島人，碩士研究生，(E-mail)418345605@qq.com。通訊作者：孫培靈(1965-)，女，哈爾濱人，副教授，博士，(E-mail)spl1965@126.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51205057)

收稿日期：2015-03-19