雷明舉，王 飛，王 夢，薛 風(fēng)，賀 艷，陳永成

(1.新疆工程學(xué)院 機械工程系，烏魯木齊 830000；2.石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

辣椒營養(yǎng)豐富，用途廣泛，可食用，也可用于工業(yè)深加工，已成為一種世界性的、僅次于番茄和豆類的第三大蔬菜作物；而在中國，辣椒是除白菜之外的第二大蔬菜作物[1]。我國辣椒種植面積居于世界首位，辣椒產(chǎn)品也深受國人喜愛，隨著市場需求的變化和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，辣椒種植面積在逐年擴(kuò)大[2-3]，形成了多個區(qū)域性種植集散地。到2015年，我國辣椒年種植面積已達(dá)150萬hm2[4]。

我國辣椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?jié)摿薮?，但收獲方式的落后卻成為影響其快速發(fā)展的主要障礙。目前，我國大部分地區(qū)的辣椒通過人工方式采摘，收獲效率低下。國外，以美國為主的國家早在20世紀(jì)60年代就進(jìn)行了辣椒的機械化收獲研究[5-8]，技術(shù)較為成熟；而我國這一研究尚處于起步階段。近幾年，經(jīng)過農(nóng)業(yè)院校和相關(guān)科研機構(gòu)的努力，研發(fā)出能初步實現(xiàn)機械化收獲的辣椒收獲機；但與國外先進(jìn)的辣椒收獲機相比還有較大差距，機械化程度較低，尤其是決定辣椒收獲機采摘性能的核心部件—采摘裝置，存在含雜率高、采凈率低及損失嚴(yán)重的問題。為了提高辣椒采摘裝置的性能，必須對辣椒收獲過程中影響破損率、采凈率、含雜率等指標(biāo)的主要因素：齒間距離、運行速度、滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行研究。本文針對國內(nèi)廣泛采用的彈齒滾筒式辣椒采摘裝置的采摘性能進(jìn)行了試驗研究，為辣椒收獲機采摘機理研究和分析提供必要的參數(shù)依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)備

試驗所需材料和設(shè)備：新疆兵團(tuán)廣泛種植的紅安6號線辣椒，彈齒滾筒式辣椒采摘裝置試驗臺，控制電動機轉(zhuǎn)速的HDI-M系列通用變頻器2臺，Y90L-2型三相異步電動機2臺，卷尺，計重電子秤1臺、精度0.01kg。

試驗臺以石河子大學(xué)自主研發(fā)的4LS-1.6型彈齒滾筒式辣椒收獲樣機為基礎(chǔ)，根據(jù)該收獲機采摘裝置的結(jié)構(gòu)和采摘原理，在石河子沃斯特機械廠設(shè)計制造。試驗臺主要由采摘裝置、運行軌道機構(gòu)、動力裝置和電氣控制系統(tǒng)等部件組成。采摘裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

采摘裝置的主要采摘部件是彈齒和滾筒，滾筒采用目前國內(nèi)通用的400mm直徑規(guī)格[9]，彈齒零件采用4LS-1.6樣機的彈齒，以進(jìn)給小車模擬辣椒收獲機在大田中進(jìn)給運動，小車上安裝辣椒夾持器，模擬辣椒根部土壤固定力，小車上辣椒間距及行距設(shè)置按照兵團(tuán)辣椒種植模式。試驗時，通過HDI-M系變頻器控制主電機和運行電機的轉(zhuǎn)速，彈齒滾筒由主電機帶動做自轉(zhuǎn)運動，運行小車在運行電機帶動下沿運行軌道向前運行，辣椒在兩相對運動作用下與辣椒植株脫落，由收集裝置對脫落的辣椒進(jìn)行收集。

1.2 試驗指標(biāo)

本試驗的目的是研究采摘裝置運動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對裝置收獲性能的影響。在辣椒收獲機采摘工作中，要保證采摘性能，首先要求大部分辣椒被采摘干凈；其次，要保證收獲的辣椒具有良好的外觀品質(zhì)，減少采摘帶來的機械損傷；同時，要求采摘工作中，降低遺落在地的損失。試驗損失率反映了采摘過程中的浪費程度，破損率決定了辣椒的品質(zhì)，采凈率影響了辣椒的采凈程度，它們是反映辣椒采摘裝置性能的優(yōu)劣的重要指標(biāo)。故確定采凈率C、破損率P、損失率S作為試驗的指標(biāo)，各指標(biāo)的計算公式為

式中C—采凈率；

P—破損率；

S—損失率；

Ms—收集箱中辣椒總質(zhì)量；

Md—掉落在地的辣椒總質(zhì)量；

My—遺留在辣椒植株上的辣椒總質(zhì)量；

Mp—破損辣椒總質(zhì)量。

1.3 試驗因素及方法

通過分析彈齒滾筒式辣椒采摘裝置的采摘機理，結(jié)合大田試驗情況并通過經(jīng)驗總結(jié)，可知收獲機采摘裝置性能的好壞主要受彈齒滾筒裝置的齒間距離、收獲機運行的速度及滾筒轉(zhuǎn)速的影響。齒間距離過大，辣椒不容易被脫落，采凈率指標(biāo)可能會較低；反之，齒間距離過小，會使破損率升高。運行速度較小，采凈率指標(biāo)會提高，但采摘效率降低。滾筒轉(zhuǎn)速越高，越有利于提高采凈率，但破損率會隨之升高。因此，試驗在以提高裝置的性能指標(biāo)和工作效率要求為前提下，確定試驗因素分別為齒間距離、運行速度和滾筒轉(zhuǎn)速。同時，試驗在忽略各因素有相互影響的前提下，采用三因素三水平的正交表L9(34)來安排試驗。根據(jù)辣椒種植模式，結(jié)合國內(nèi)同類型采摘裝置參數(shù)設(shè)置，確定各試驗因素的水平，試驗因素及水平如表1所示。

表1 因素水平表

試驗因素確定后進(jìn)行采摘試驗，從大田采取已成熟、噴灑落葉劑兩天后的紅安6線辣椒植株，每25株為1組編號。用卷尺分別測量株距和行距，安裝在裝置的夾持器上。試驗前通過抽簽隨機進(jìn)行選擇試驗順序，且保證試驗過程中每次試驗條件盡可能相同。試驗時，用變頻器調(diào)節(jié)主電機和運行電機的轉(zhuǎn)速，將彈齒滾筒裝置的轉(zhuǎn)速和小車運行速度分別調(diào)至設(shè)置的因素水平，通過采摘裝置彈齒距離調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)齒間距離。試驗結(jié)束后，用計重電子臺秤稱取線辣椒質(zhì)量，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。試驗設(shè)計方案及結(jié)果如表2所示。

表 2 試驗方案及結(jié)果

2 試驗結(jié)果與分析[10-11]

2.1 極差分析

極差分析反應(yīng)試驗因素對各指標(biāo)的影響顯著程度，通過極差分析找出各因素的優(yōu)水平，得到試驗指標(biāo)隨因素的變化規(guī)律及趨勢。對上述各試驗結(jié)果進(jìn)行極差運算分析，其結(jié)果如表3所示。

表3 試驗結(jié)果極差運算分析表

由表3試驗結(jié)果極差運算分析知：針對采凈率指標(biāo)，影響最大的因素是A齒間距離，因素C滾筒轉(zhuǎn)速對其影響最小，因素B運行速度對其影響介于二者之間。采凈率數(shù)值越大，說明采摘性能越好，故在試驗范圍內(nèi)，影響采凈率指標(biāo)的因素優(yōu)水平組合為A1B2C1，相同因素不同水平對采凈率指標(biāo)的影響關(guān)系為：A1>A2>A3，B1>B2>B3，C1>C2>C3。

針對破損率指標(biāo)，影響最大的因素是B運行速度，因素A齒間距離對其影響最小，因素C滾筒轉(zhuǎn)速對其影響介于二者之間。破損率數(shù)值越小，說明采摘性能越好，故在試驗范圍內(nèi)，影響破損率指標(biāo)的因素優(yōu)水平組合為B1C1A3，相同因素不同水平對破損率指標(biāo)的影響關(guān)系為：A3>A2>A1，B1>B3>B2，C1>C2>C3。

針對損失率指標(biāo)，影響最大的因素是B行進(jìn)速度，因素C滾筒轉(zhuǎn)速對其影響最小，因素A齒間距離對其影響介于二者之間。損失率數(shù)值越小，說明采摘性能越好，故在試驗范圍內(nèi)，影響損失率指標(biāo)的因素優(yōu)水平組合為B1A3C2，相同因素不同水平對采凈率指標(biāo)的影響關(guān)系為：A3>A2>A1，B1>B2>B3，C2>C1>C3。

2.2 方差分析

對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到各因素對指標(biāo)的影響顯著程度，其結(jié)果如表4所示。

表4 實驗結(jié)果方差運算分析表

表4方差分析結(jié)果表明：針對采凈率指標(biāo)，因素A齒間距離和因素B運行速度對其均為是高度顯著因素，其F檢驗值分別為149和24.6，均大于臨界值Fα，此時檢驗水平達(dá)到α=0.01，可信度達(dá)到99%；而因素C滾筒轉(zhuǎn)速對采凈率指標(biāo)的影響為不顯著因素。針對破損率指標(biāo)，因素B運行速度對其影響為高度顯著因素，其F檢驗值為19.2，大于臨界值Fα，其檢驗水平達(dá)到α=0.01，可信度達(dá)到99%；因素C滾筒轉(zhuǎn)速對其影響為顯著因素，其F檢驗值為15.2，可信度為95%；因素A齒間距離對其影響為不顯著因素。針對損失率指標(biāo)，因素B運行速度對其影響為高度顯著因素，其F檢驗值達(dá)到37.2，大于臨界值Fα，其檢驗水平達(dá)到α=0.01，可信度達(dá)到99%；因素A齒間距離對其影響為顯著因素，其F檢驗值為17.4，可信度為95%；只有因素C滾筒轉(zhuǎn)速對其影響為不顯著因素[12]。

結(jié)合極差分析結(jié)果和方差分析結(jié)果可知，影響彈齒滾筒式辣椒采摘裝置性能因素順序為：B運行速度、A齒間距離、C滾筒轉(zhuǎn)速。當(dāng)運行速度為3m/s、齒間距離為45mm、滾筒轉(zhuǎn)速為150r/min時，采摘裝置可獲得較優(yōu)的性能，此時采摘裝置的采凈率可達(dá)到95.39%，破損率降低為2.89%，損失率減少到6.47%。

2.3 回歸模型建立及檢驗[13]

針對體現(xiàn)采摘裝置主要性能的采凈率指標(biāo)，利用逐步回歸分析方法，研究各因素與采凈率指標(biāo)之間的線性統(tǒng)計規(guī)律，建立回歸方程，其逐步回歸分析結(jié)果如表5所示。

表5 逐步回歸分析統(tǒng)計表

表5表明：逐步回歸分析共進(jìn)行了3次擬合過程，因素X1齒間距離、X2運行速度、X3滾筒轉(zhuǎn)速先后進(jìn)入回歸方程，顯著性數(shù)目逐漸增多，各因素與指標(biāo)Y之間的相關(guān)系數(shù)由0.79逐漸增大到0.96，回歸擬合與試驗結(jié)果相符度逐漸增大，最終得到各因素與指標(biāo)之間的一元線性回歸方程為

Y=117.5-0.38X1-0.99X2-0.01X3

為了檢驗該方程的可信程度，對回歸方程進(jìn)行方差分析，并檢查各因素相關(guān)系數(shù)的顯著程度，其方差分析結(jié)果如表6所示。

由表6方差分析結(jié)果知：根據(jù)方差數(shù)值的大小，可判斷因素X1、X2均為高度顯著因素，且“回歸”項為高度顯著，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.983 3，說明回歸分析的效果較好。根據(jù)F檢驗值的大小可以判斷，因素X1、X2與指標(biāo)Y之間有較強的線性相關(guān)性，且因素X1齒間距離對指標(biāo)Y的影響程度大于因素X2運行速度，而因素X3滾筒轉(zhuǎn)速對Y的影響不顯著， 線性相關(guān)性較差。影響Y的3個因素主次順序為：X1、X2、X3?；貧w分析結(jié)果與方差分析結(jié)果相符。

表6 回歸方程方差分析

3 結(jié)論

1)結(jié)合試驗設(shè)計原理，采用三因素三水平正交試驗方法，對影響彈齒滾筒式辣椒采摘裝置性能的因素進(jìn)行分析，得到影響采凈率指標(biāo)的因素主次順序為齒間距離、運行速度、滾筒轉(zhuǎn)速。其中，齒間距離、運行速度對采凈率的影響顯著；影響破損率指標(biāo)的因素主次順序為運行速度、滾筒轉(zhuǎn)速、齒間距離，且運行速度、滾筒轉(zhuǎn)速對破損率影響顯著；影響損失率指標(biāo)的因素主次順序為運行速度、齒間距離、滾筒轉(zhuǎn)速，且運行速度、齒間距離對損失率的影響顯著。

2)試驗結(jié)果表明：當(dāng)運行速度為3m/s，齒間距離為45mm，滾筒轉(zhuǎn)速為150r/min時，采摘裝置的采凈率可達(dá)到95.39%，破損率降低為2.89%，損失率減少到6.47%。

3)建立了采凈率指標(biāo)與彈齒間距、進(jìn)給速度、滾筒轉(zhuǎn)速的一元回歸方程，分析了方程的可靠程度，為彈齒滾筒式辣椒采摘裝置采摘機理研究提供了必要的參數(shù)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 董汝晶,譙順彬.辣椒產(chǎn)業(yè)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國調(diào)味品,2009(10):32-36.

[2] 宋文勝,袁豐年,張新貴，等.新疆辣椒產(chǎn)業(yè)2007年發(fā)展形勢[C]//第二屆全國辣椒產(chǎn)業(yè)大會暨蔥姜蒜晨洽會專集,2007：13-15.

[3] 葛菊芬,顏彤,歐陽煒，等.新疆辣椒產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展對策建議[J].辣椒雜志,2010(2):8-10.

[4] 黃任中,黃啟中,呂中華，等.我國干制辣椒產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展對策[J].中國蔬菜,2015(2):9-11.

[5] Marshall D E.Designing a pepper for mechanical harvest[J].Capsicum and Eggplant Newsletter，1997，16:15-27.

[6] Marshall D E.Mechanized pepper harvesting and trash removal[C]//Proc.1st Int.Conf.on Fruit,Nut and Vegetable Harvesting Mechanization,Bet Dagan,1984.

[7] Steven B Shooter，Keit W Buffinton.Design and Development of the pik rite Chili Pepper Harvester:A Collaborative Project with the University,Industry,and Government[C]//ASEE/IEEE, 1999:19-24.

[8] E Palau,A Torregrosa.Mechanical Harvesting of Paprika Peppers in Spain[J].J. agric. Engng Res.,1997,66:195-201.

[9] 劉曉飛.彈齒滾筒式線辣椒采摘裝置研究[D].石河子:石河子大學(xué),2012.

[10] 鄭少華,姜奉華.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2004:52-53.

[11] 邱軼兵,張文麗.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2008:101-150.

[12] 雷明舉.4LS-1.6型辣椒采摘裝置的靈敏度分析及優(yōu)化設(shè)計[D].石河子:石河子大學(xué),2014.

[13] 王巖,隋思漣.實驗設(shè)計與MATLAB數(shù)據(jù)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社，2012:92-145.

AbstractID:1003-188X(2018)05-0142-EA