謝承健 曹成茂 吳佳勝 伍德林

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036)

油茶是一種木本油料樹種，主要分布于中國南方丘陵地區(qū)，與油棕、油橄欖、椰子被譽(yù)為世界四大木本油料作物[1-3]。茶油具有極高的保健和營養(yǎng)價(jià)值，受到越來越多的消費(fèi)者青睞[4-5]。隨著中國對油茶產(chǎn)業(yè)的重視和相關(guān)政策的扶持，油茶種植面積逐年擴(kuò)大，截至2016年末，中國實(shí)有油茶林面積已達(dá)到4.01×106hm2。目前油茶采摘主要是以傳統(tǒng)的手工采摘為主，采摘困難、勞動(dòng)強(qiáng)度大，市場還未見成熟的采摘機(jī)具[6]。油茶果的采摘問題已經(jīng)成為中國油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。因此，實(shí)現(xiàn)油茶果的機(jī)械化收獲已經(jīng)成為解決此類問題的有效途徑。

油茶果—果柄分離力是油茶果與果柄分離所需要的拉力[7]，其大小反映了油茶果與果柄分離的難易程度，也是油茶果收獲機(jī)械研制的重要參考因素。國外學(xué)者在林果果柄分離力上做了大量的研究[8-9]，Elfving等[10]分析了乙烯利對甜櫻桃果實(shí)分離力的影響；Coppock等[11]分析比較了不同成熟度橙子的分離力以確定甜橙的機(jī)械化收獲方式；Sessiz等[12]為了確定橄欖振動(dòng)采收效果，分析了橄欖分離力與果實(shí)重量、成熟度以及化學(xué)脫落劑對分離力的影響。

中國學(xué)者對番茄[13]、杏[14]、藍(lán)莓[15]等的分離力也進(jìn)行了研究，但針對油茶果—果柄分離力的研究很少。其中，馮國坤等[16]設(shè)計(jì)了一款可用于野外測量的齒梳式油茶果測量裝置，但是在野外作業(yè)時(shí)可能會受到外界環(huán)境的影響，從而影響其測量精度。本研究基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)一款測量裝置用以測試油茶果—果柄分離力[17-18]，并通過正交試驗(yàn)對其影響因素進(jìn)行研究。旨在為后期油茶果收獲機(jī)的設(shè)計(jì)提供力學(xué)理論依據(jù)。

1 分離力測量裝置結(jié)構(gòu)及原理

1.1 測量裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)油茶果實(shí)際采摘時(shí)拉斷的力學(xué)原理[19]，設(shè)計(jì)了該測量裝置。該測量裝置主要由機(jī)械和測試系統(tǒng)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)見圖1。數(shù)據(jù)采集主要由測試系統(tǒng)來完成，測試系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩部分，硬件主要由拉壓傳感器、變送器、NI采集卡和筆記本電腦組成，軟件部分主要由LabVIEW實(shí)現(xiàn)。

1. 螺旋升降臺 2. 拉壓傳感器 3. 專用夾具 4. 變送器 5. NI采集卡 6. 上位機(jī)

圖1 測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 1 Schematic diagram of measuring device structure

1.2 測量裝置工作原理

該裝置采用手動(dòng)控制，利用細(xì)繩牽引拉斷果柄進(jìn)行測試[20]。為保證測量精度，細(xì)繩采用細(xì)軟鋼絲繩，其剛性大，在受力后形變很小，對試驗(yàn)結(jié)果幾乎沒有影響。試驗(yàn)時(shí)將帶枝的油茶果樣品用專用夾具進(jìn)行固定，測試時(shí)將細(xì)繩一端系于傳感器上，另一端掛在油茶果上，使細(xì)繩運(yùn)動(dòng)方向與果實(shí)垂直。然后勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手輪帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠帶動(dòng)行程板和傳感器上升，達(dá)到一定高度時(shí)果柄被拉斷，傳感器測出分離力。該測量裝置能夠?qū)崟r(shí)反映從開始到果實(shí)分離任意時(shí)刻拉力的變化情況。

2 測量裝置的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了避免拉斷速度和角度誤差，選取螺旋升降臺作為機(jī)架。由于在油茶果牽引拉斷時(shí)果枝會產(chǎn)生一定的形變，該形變可能會對測試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。所以，為了保證測量精度，絲杠螺紋采用細(xì)牙螺紋，使得在轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)傳感器能夠勻速緩慢提升。同時(shí)，采用專用夾具用以固定油茶果樣品。其機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖2。

1. 支架 2. 角鋁 3. 專用夾具 4. 底座 5. 絲杠 6. 行程板 7. 限位板 8. 手輪

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 2 Schematic diagram of mechanical structure

2.2 測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1 測試硬件系統(tǒng)組成 該測試系統(tǒng)由拉壓傳感器、變送器、采集卡、上位機(jī)等組成，見圖3。測試過程中，在油茶果與果柄從開始受拉到分離過程中，拉壓傳感器檢測到拉力信號，傳輸至變送器，轉(zhuǎn)換成0～10 V的模擬電壓信號，采集卡對模擬電壓信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過USB傳輸至上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理和顯示。

圖3 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用DAQ模塊對數(shù)據(jù)采集硬件進(jìn)行參數(shù)配置，DAQmx創(chuàng)建通道VI用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集的物理通道，模擬量輸入通道選用AI0，在DAQmx定時(shí)VI中設(shè)定采樣率為10 k，采樣模式為連續(xù)采樣，采用單端接地的RSE 模式。DAQmx讀取VI用于虛擬通道中數(shù)據(jù)的讀取，數(shù)值函數(shù)將采集到的電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到油茶果柄分離過程中的實(shí)際拉力(見圖4)，采集到的數(shù)據(jù)以TDM Streaming文件的形式存儲。寫操作完畢后可調(diào)用TDMS File Viewer VI函數(shù)打開TDMS文件內(nèi)容瀏覽器，以存儲的時(shí)間為文件名，方便后期的歷史查詢，避免數(shù)據(jù)丟失。

圖4 用戶界面

3 分離力測試試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)對象

2017年10月在安徽省舒城縣德昌苗木有限公司對油茶果-果柄分離力進(jìn)行了測試試驗(yàn)。試驗(yàn)對象分別為皖舒1號、長林1號、大別山1號3種油茶果品種。為了方便測量，將油茶果剪枝帶回，長度為15～25 mm。為了避免果枝水分流失等原因?qū)υ囼?yàn)造成影響，將果枝帶回后立即進(jìn)行試驗(yàn)。油茶果相關(guān)物理性質(zhì)見表1。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，大別山1號和長林1號的果實(shí)重量都較大，分別為10.8，14.9 g，皖舒1號最輕；從幾何平均直徑上來看，大別山1號和長林1號的外形尺寸都比皖舒1號大；大別山1號和皖舒1號果柄直徑相差不大，長林1號果柄直徑較大。

表1 油茶果物理性質(zhì)

3.2 試驗(yàn)方法

為減少試驗(yàn)次數(shù)，本試驗(yàn)選取果柄直徑、油茶果幾何平均直徑以及成熟度為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平，以果柄分離力為試驗(yàn)指標(biāo)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。每組試驗(yàn)取10次數(shù)據(jù)的平均值，試驗(yàn)結(jié)果采用SPSS軟件處理分析。

由于油茶果的成熟度一般是根據(jù)其開裂程度判斷的，很難做出定量描述。目前常用果實(shí)顏色來衡量其成熟度[21]，通過對比也發(fā)現(xiàn)不同成熟度的油茶籽表面顏色區(qū)別較大，故本試驗(yàn)利用RGB分析技術(shù)來標(biāo)定油茶籽成熟度。

將上述4組不同成熟度的油茶籽進(jìn)行拍照取樣(見圖5)，然后利用RGB分析技術(shù)對其彩色圖像進(jìn)行像素提取。通過對比4組油茶籽圖像R(red)、G(green)、B(blue)3個(gè)分量值的均值，發(fā)現(xiàn)4組不同成熟度的油茶籽圖像中的R分量值的均值區(qū)別明顯(見圖6)，所以本研究中采用R分量的均值來標(biāo)定油茶果的成熟度。選取處于適采期不同成熟度的油茶籽進(jìn)行拍照取樣，在所測樣品中R分量均值的值域?yàn)?0.76～120.16，R均值越小，表示其顏色越深成熟度越高，反之越低。

油茶果柄分離力正交試驗(yàn)因素與水平見表2。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果及極差分析見表3。由表3可知：成熟度對指標(biāo)的影響最大，其次是果柄直徑，油茶果幾何平均直徑對果柄分離力影響最小。

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析見表4。在顯著性水平α=0.05 下，果柄直徑和油茶果幾何平均直徑對油茶果-果柄分離力的P值均大于0.05，說明果柄直徑和油茶果幾何平均直徑對果柄分離力沒有顯著性影響。3種油茶成熟度P值均小于0.05，說明成熟度對油茶果柄分離力具有顯著性影響。

圖5 不同成熟度的油茶果

表2 試驗(yàn)因素水平

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

圖6 RGB分析分量值

4 結(jié)論

(1) 本研究基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了一款油茶果—果柄分離力測量裝置，該測量裝置主要由螺旋升降臺、拉壓傳感器以及NI采集卡組成，依托LabVIEW軟件編寫了數(shù)據(jù)采集程序。

(2) 處于適采期的不同油茶果品種的果柄分離力約為7～17 N，各品種間的果柄分離力有明顯差異，其中，皖舒1號果柄分離力最大，長林1號次之，大別山1號果柄分離力最小。

(3) 通過正交試驗(yàn)結(jié)果分析，果柄直徑、油茶果幾何平均直徑和成熟度對油茶果-果柄分離的影響程度不同。成熟度是影響果柄分離力的主要因素，而油茶果幾何平均直徑和果柄直徑對分離力影響較小。

(4) 不同成熟度的油茶果—果柄分離力差別較大，成熟度越高其果柄分離力越小，所需的采摘力越小。成熟度越低分離力越大，所需的采摘力越大。

表4 方差分析?

? 均值差的顯著性水平為 0.05。