何永強，賀俊林*，房大偉，杜曉斌，杜俊杰

(1.山西農(nóng)業(yè)大學 工學院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學 園藝學院，山西 太谷 030801)

鈣果是我國新型的、特有的水果植物資源[1,2]，其果實富含礦物質(zhì)、維生素、氨基酸，具有極高的食用、藥用價值，發(fā)展前景廣闊[3,4]。但成熟期單株掛果枝條質(zhì)量較大，倒伏現(xiàn)象非常嚴重[5]。受枝條倒伏限制，機械收獲困難，主要靠人工采摘，勞動強度大、采收效率低，容易延誤最佳采摘時機，造成經(jīng)濟損失[6,7]。枝條倒伏制約了鈣果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，扶禾成為鈣果收獲亟待解決的問題。

目前國內(nèi)外學者對作物倒伏問題進行了大量研究。陳海濤等[8]利用虛擬樣機對大豆扶禾器進行了參數(shù)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)扶禾器傾角、作業(yè)速度對扶禾性能有較大影響。牟向偉等[9]發(fā)現(xiàn)臺車前進速度、撥指線速度、扶蔗器導軌傾角和扶蔗器導軌偏角對倒伏甘蔗扶起后倒伏角具有顯著影響。古樂樂等[10]設計了一種紅花絲采收機扶禾器仿形升降裝置，使扶禾器和紅花植株相對位置保持一致，提高了采收效率。賀俊林等[11]發(fā)現(xiàn)在扶禾桿的作用下玉米莖稈可以保持較好的直立姿態(tài)進入摘穗機構，實現(xiàn)植株的有序喂入。郝付平等[12]設計了撥禾星輪式玉米收獲臺，可將傾斜的玉米稈迅速扶正并有序地喂入摘穗?yún)^(qū)。Holler等[13]研制了一種谷物扶禾器，對側(cè)向倒伏的谷子作物扶起效果顯著。

上述學者研究對象大多為莖稈粗壯、彎曲程度小的作物，扶禾過程多以引導、喂入為目的，而鈣果枝條纖弱，且單株枝條結(jié)果數(shù)量多、質(zhì)量大、彎曲程度大，枝條彎曲點與地面間隙小，現(xiàn)有扶禾裝置難以伸入倒伏鈣果枝條底部將其扶起，更不能保持直立狀態(tài)。目前關于鈣果扶禾方面的研究鮮見報道。本文針對鈣果枝條倒伏問題，結(jié)合其生長特性，設計撥指式鈣果扶禾試驗臺。以采凈率和破損率為評價指標，仰角、偏角、扶禾速比、撥指間距為試驗因素進行試驗研究，以期得到最優(yōu)的結(jié)構和工作參數(shù)組合，為鈣果采摘機械設計提供參考。

1 試驗臺整體方案設計

1.1 鈣果枝條生長特性

成熟期鈣果枝條直徑D1為4～6 mm，枝條長L1為600～800 mm，掛果區(qū)長L2為400～500 mm，掛果區(qū)直徑D2為50～60 mm，如圖1(a)所示。單枝掛果枝條質(zhì)量為0.8～1.2 kg，重力作用下，倒伏狀態(tài)如圖1(b)所示，枝條彎曲點至地面高度H為200～300 mm，枝條頂端與根部間距L3為500～600 mm。

圖1 鈣果枝條生長特性Fig.1 The characteristics of Cerasus humilis branches

1.2 倒伏鈣果枝條扶禾原理

扶禾作業(yè)是扶禾裝置把待收獲的鈣果掛果枝條向脫果裝置方向引導，并在引導的過程中將其扶正。結(jié)合掛果枝條質(zhì)量大、結(jié)果區(qū)直徑大、彎曲程度嚴重的特點，扶禾裝置要從倒伏枝條與地面間的空隙插入，撥指自下而上撥動枝條，使其保持直立狀態(tài)。并在扶禾裝置前進過程中，引導枝條喂入脫果裝置。

1.3 扶禾裝置設計

扶禾裝置是鈣果扶禾試驗臺的核心部件，其結(jié)構和作業(yè)參數(shù)的設計，決定了作業(yè)性能，影響采凈率、破損率等指標。

1.3.1 結(jié)構及工作原理

扶禾裝置主要由撥指、鏈輪、雙邊帶耳滾子鏈條、步進電機、仰角調(diào)節(jié)板、偏角調(diào)節(jié)板等部件組成，如圖2所示。參照鈣果枝條長度設計撥指最大作業(yè)高度900 mm。為提高扶禾性能，采用雙排撥指設計，長鏈條鏈輪中心距700 mm，短鏈條鏈輪中心距340 mm，鏈輪中心距可調(diào)范圍0～80 mm。

撥指形狀設計為三角形狀，利于從多根掛果枝條間插入，根據(jù)結(jié)果區(qū)直徑50～60 mm，設計撥指長h為70 mm、底部寬w為60 mm，厚度4 mm。撥指線速度vt可調(diào)范圍0～2.4 m·s-1，枝條輸送速度范圍為0.1～1.0 m·s-1。作業(yè)時，扶禾板前端伸入倒伏枝條下部，當撥指與鈣果枝條接觸后，枝條在多個撥指連續(xù)作用下被扶起，為后續(xù)脫果作業(yè)提供有利條件。

圖2 扶禾裝置Fig.2 The Stalk lifter1—鉸接點a； 2—鉸接點b； 3—仰角調(diào)節(jié)板； 4—弧形調(diào)節(jié)槽c； 5—偏角調(diào)節(jié)板； 6—調(diào)節(jié)槽d； 7—鏈輪步進電機； 8—撥指； 9—扶禾板； 10—鈣果枝條； 11—撥指安裝孔。1—Hinge point a； 2—Hinge point b； 3—Elevation adjusting plate； 4—Arcuate adjusting slot c； 5—Deflection adjusting plate； 6—Adjusting slot d； 7—Sprocket stepper motor； 8—Poking finger； 9—Plate of stalk lifter； 10—The Cerasus humilis branch； 11—Poking fingers mounting hole.

1.3.2 鈣果枝條受力分析

撥指扶禾作業(yè)時，枝條受到撥指支持力FN、摩擦力Ff及枝條重力G，如圖3所示。撥指作用枝條初期，合力F大于枝條彎曲阻力，彎曲狀倒伏的枝條被逐漸扶起，倒伏程度減小。隨著倒伏程度減小，枝條內(nèi)部拉力增大，當枝條內(nèi)部拉力大于枝條受到的摩擦力，枝條將從撥指表面滑落，脫離當前撥指作用，此時鈣果枝條處于被拉直的狀態(tài)，隨后進入下一個撥指的作用，直至枝條完全脫離扶禾裝置。

枝條受繞x軸方向的力矩Tx、相對初始位置繞z軸方向的扭轉(zhuǎn)角△ξ分別為：

Tx=(FN+G+Ff)·l1

(1)

(2)

式中，Tx/N·m為枝條受到繞x軸方向的力矩；FN/N為枝條受到撥指的支持力；G/N為枝條重量；Ff/N為枝條受到撥指的摩擦力；l1/m為力臂；△ξ/°為枝條相對初始位置繞z軸方向的扭轉(zhuǎn)角；T/N·m為枝條受到的扭轉(zhuǎn)力矩；l2/m為枝條受力點與地面的距離；G’/Pa為枝條剪切彈性模量；Ip/m4為枝條的極慣性矩。

圖3 鈣果枝條受力圖Fig.3 Force diagram of the Cerasus humilis branch注：vt/m·s-1為撥指線速度；FN/N為枝條受到撥指的支持力；G/N為枝條重量；Ff/N為枝條受到撥指的摩擦力；F’/N為G和Ff的合力；F/N為枝條受到的合力；l1/m為力臂長；l2/m為枝條受力點與地面的間距；△ξ/°為枝條相對初始位置的扭轉(zhuǎn)角；T/N·m為枝條受到的扭轉(zhuǎn)力矩；Note: vt/m·s-1 is the poking fingers speed; FN/N is the finger support force for the branches; G/N is the weight of the branches; Ff is the fingers friction for the branches; F'/N is the resultant force of G and Ff; F/N is the resultant force for branches; l1/m is arm length; l2 is the distance from the ground to the force of the branches; △ξ/° is the torsion angle of branch relative to the initial position; T/N·m is the branches twisting.

1.3.3 撥指扶禾運動軌跡理論分析

撥指隨鏈條繞上、下鏈輪回轉(zhuǎn)運動，撥指的每一循環(huán)過程均由摟禾、扶禾和空行3個階段組成。摟禾是撥指繞下鏈輪回轉(zhuǎn)與整機前進運動的合成；扶禾是撥指斜向上直線運動與整機前進運動的合成；空行是撥指向下直線運動與整機前進運動的合成。撥指扶禾運動軌跡為一條直線，如圖4所示。撥指扶禾運動軌跡方向由扶禾撥指線速度、整機前進速度、仰角及偏角決定，其關系如式(3)～式(5)所示。

α1=α0

(3)

(4)

vt=πn1(d1+2h)

(5)

式中n1/r·min-1為鏈輪轉(zhuǎn)速；d1為鏈輪齒頂圓直徑92 mm；h/mm為撥指長。扶禾過程中撥指位置隨時間變化的方程為：

(6)

式中X/mm為撥指頂端點在x軸正方向上隨時間的位移；Y/mm為撥指頂端點在y軸正方向上隨時間的位移；Z/mm為撥指頂端點在z軸正方向上隨時間的位移；t/s為撥指扶禾時間。

圖4 撥指扶禾階段運動軌跡Fig.4 The tracks of poking fingers at lifting stage1—撥指扶禾運動軌跡； 2—撥指； 3—扶禾裝置。1—The tracks of fingers lifting； 2—Poking finger; 3—Stalk lifter.注：-vm/m·s-1為整機相對枝條的前進速度；vt/m·s-1為撥指線速度；α0/°為仰角；β0/°為偏角；α1/°為撥指扶禾運動軌跡與水平面的夾角；β1/°為撥指扶禾運動軌跡與枝條速度方向的夾角。Note: vm/ m·s-1 is the speed of the whole machine relative to the branches; vt/m·s-1 is poking fingers speed; α0 /°is elevation angle; β0 /°is declination angle; α1/° is the angle between the track of poking fingers and horizontal plane; β1/° is the angle between the poking fingers track and conveying speed.

1.3.4 撥指運動軌跡仿真分析

利用Solidworks 2016軟件建立試驗臺三維模型，設置扶禾裝置仰角45°、偏角45°、撥指間距170 mm，撥指長70 mm。將建好的模型簡化后導入ADAMS 2013軟件，添加運動副和驅(qū)動，設置整機前進速度0.4 m·s-1、鏈輪轉(zhuǎn)速120 r·min-1，得到撥指運動軌跡仿真分析結(jié)果如圖5所示。AB為摟禾階段，撥指速度迅速減小，能有效避免撥指對鈣果果實的沖擊損傷。BC為扶禾階段，撥指速度低且平穩(wěn)，對鈣果的作用力均勻一致，不宜損傷鈣果果實。CD為空行階段，撥指速度較大，利于提高扶禾作業(yè)效率。撥指線速度與整機前進速度的比值和撥指間距決定了撥指軌跡的疏密程度，對扶禾效果有影響。

圖5 撥指運動軌跡仿真分析結(jié)果Fig.5 Simulation results of poking fingers motion1—撥指運動軌跡； 2—撥指。1—The tracks of poking fingers； 2—Poking finger。

1.4 撥指式鈣果扶禾試驗臺的設計

針對鈣果枝條倒伏造成機械收獲時采凈率低、破損率高的問題，結(jié)合鈣果枝條生長特性，設計撥指式鈣果扶禾試驗臺，如圖6所示，主要由機架、扶禾裝置、夾持輸送裝置、控制系統(tǒng)等組成。

圖6 撥指式鈣果扶禾試驗臺Fig.6 The fingers-type lifter test bench of Cerasus humilis1—機架；2—控制系統(tǒng)；3—撥指；4—扶禾裝置;5—分禾板;6—行程開關;7—鈣果枝條;8—夾持輸送裝置。1—Rack；2—Control system；3—Poking finger；4—Stalk lifter；5—Dividing plate；6—Limit switch;7—Cerasus humilis branch;8—Gripping delivery device.注：仰角α/°為扶禾裝置與水平面的夾角；偏角β/°為撥指扶禾運動方向與枝條輸送速度方向的夾角。vt/m·s-1為撥指線速度；vm/m·s-1為枝條輸送速度。Note: α/° is the angle between the track of stalk lifter and horizontal plane; β/° is the angle between the poking fingers motion direction and conveying speed direction; vt/m·s-1 is poking fingers speed; vm/m·s-1 is conveying speed.

其中扶禾裝置的仰角調(diào)節(jié)板鉸接點a及其調(diào)節(jié)槽d與機架用螺栓連接，可以調(diào)節(jié)仰角調(diào)節(jié)板的仰角大小，可調(diào)范圍20°～90°。偏角調(diào)節(jié)板下端與仰角調(diào)節(jié)板鉸接于b點，偏角調(diào)節(jié)板上端與仰角調(diào)節(jié)板的弧形調(diào)節(jié)槽c用螺栓連接，可以調(diào)節(jié)偏角調(diào)節(jié)板相對仰角調(diào)節(jié)板的位置，從而調(diào)節(jié)偏角大小，可調(diào)范圍30°～60°。通過改變仰角和偏角大小，達到調(diào)節(jié)撥指運動方向的目的。為使扶禾板前端伸入枝條下部，根據(jù)枝條倒伏程度設計扶禾板下端與地面間距100 mm。

各運動部件均由步進電機單獨驅(qū)動，扶禾裝置的仰角α、偏角β、撥指線速度vt、枝條輸送速度vm和撥指間距e均可調(diào)，試驗臺主要技術參數(shù)見表1。將倒伏狀鈣果枝條根部固定于夾持輸送裝置，夾持輸送平臺直線運動把枝條喂入扶禾裝置，鏈條上的撥指將枝條連續(xù)向上撥動，枝條最終以適宜的角度到達扶禾裝置尾部，為后續(xù)鈣果脫果裝置提供良好的位姿條件。該試驗臺可根據(jù)試驗方案調(diào)整各項參數(shù)，優(yōu)化扶禾性能。

表1 試驗臺主要技術參數(shù)表Table 1 Main technical parameters of test bench

2 性能試驗

2.1 試驗條件

試驗用鈣果掛果枝條取自山西省太谷縣巨鑫現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基地，品種為“農(nóng)大6號”，收獲日期2018年8月20日，及時對收獲后的枝條進行試驗，自制試驗設備如圖7所示。

圖7 扶禾性能試驗設備Fig.7 Lifting performance test equipment1—撥指式鈣果扶禾試驗臺；2—脫果裝置；3—鈣果枝條。1—The fingers-type lifter test bench of Cerasus humilis；2—Fruit removal device：3—Cerasus humilis branch.

2.2 試驗參數(shù)與評價指標的確定

根據(jù)撥指運動軌跡對倒伏枝條位姿的影響，參照式(3)～式(6)，選取影響扶禾性能的關鍵因素仰角α、偏角β、扶禾速比k(撥指線速度與輸送速度的比值)、撥指間距e進行試驗，利用收獲過程中重要指標采凈率和破損率對扶禾性能進行評價，采凈率和破損率的計算方法如式(7)、式(8)所示，每組試驗進行3次，結(jié)果取平均值。

(7)

(8)

式中Y1/%為采凈率；Y2/%為破損率；N/個為試驗前枝條上鈣果總數(shù)量。N1/個為鈣果脫落數(shù)量；N2/個為被脫下鈣果中破損鈣果數(shù)量。

2.3 單因素試驗結(jié)果與分析

為明確仰角、偏角、扶禾速比、撥指間距分別對采凈率和破損率的影響，結(jié)合前期研究確定試驗參數(shù)范圍，進行單因素試驗，結(jié)果如圖8所示。

由圖8(a)可知，當偏角45°、扶禾速比4、撥指間距160 mm時，隨著仰角的增大，采凈率先增大后減小，破損率呈下降趨勢。仰角較小時，枝條不易被扶起，仰角較大時，枝條容易從撥指表面滑落，不能保持直立狀態(tài)，脫果裝置采果困難；由圖8(b)可知，當仰角50°、扶禾速比4、撥指間距160 mm時，偏角對采凈率和破損率影響均不明顯；由圖8(c)可知，仰角50°、偏角45°、撥指間距160 mm時，隨著扶禾速比的增大，采凈率呈明顯上升趨勢，破損率先減小后增大。扶禾速比在2～4之間增大時，撥指作用枝條的頻率增加，有利于枝條保持直立狀態(tài)，提高脫果量。枝條保持直立狀態(tài)可有效避免脫果裝置對鈣果果實的損傷。但當扶禾速比大于4時，撥指對鈣果果實作用頻率的增加會導致果實破損率增加；由圖8(d)可知，仰角50°、偏角45°、扶禾速比4時，隨著撥指間距的增大，采凈率先增大后減小，破損率先減小后增大。撥指間距較小時，撥指對枝條作用頻率較高，有利于枝條保持直立狀態(tài)。撥指間距較大時，撥指不能持續(xù)作用枝條，很難保持直立狀態(tài)，脫果裝置脫果困難，果實破損率增加。撥指間距在160 mm左右時，扶禾性能較好。

圖8 單因素試驗結(jié)果Fig.8 Single factor test results

2.4 正交試驗結(jié)果與分析

由單因素試驗可知，在試驗范圍內(nèi)偏角對采凈率和破損率影響均不顯著，而仰角、扶禾速比、撥指間距對采凈率和破損率均有較大影響。為研究交互因素對扶禾性能的影響，進行三因素三水平正交試驗，對仰角、扶禾速比、撥指間距展開試驗研究，試驗因素和水平如表2所示。

表2 正交試驗因素與水平表Table 2 Orthogonal test factors and levels

2.5 正交試驗結(jié)果與分析

本試驗采用Design-Expert 8.0.5軟件進行三因素三水平正交試驗方案設計和統(tǒng)計分析[15,16]，安排9組試驗，試驗方案及結(jié)果如表3所示。

極差分析表明，各因素對采凈率影響的主次作用順序為仰角、扶禾速比、撥指間距，較優(yōu)參數(shù)組合為A1B3C2；各因素對破損率影響主次作用順序為扶禾速比、仰角、撥指間距，較優(yōu)參數(shù)組合為A1B3C3。由表4方差分析可知，仰角、扶禾速比、撥指間距對采凈率影響顯著(P<0.05)；仰角、撥指間距對破損率影響顯著，扶禾速比對破損率影響極顯著(P<0.01)。

2.6 參數(shù)優(yōu)化

為確保扶禾裝置具有更好的工作性能，根據(jù)高采凈率、低破損率的采收目標，利用Design-Expert 8.0.5軟件中Optimization-Numerical模塊進行優(yōu)化求解[17,18]，其目標函數(shù)與約束條件為：

(9)

優(yōu)化后得到最佳參數(shù)組合為：仰角50°、扶禾速比4、撥指間距160 mm，此時采凈率為96.06%、破損率為4.47%。

2.7 試驗驗證

以優(yōu)化參數(shù)組合：仰角50°、扶禾速比4、撥指間距160 mm，在撥指式鈣果扶禾試驗臺上進行驗證試驗，為消除隨機誤差，進行3次重復試驗取均值，得到采凈率96.77%，破損率4.79%，與軟件優(yōu)化結(jié)果基本吻合。

表3 試驗方案與結(jié)果分析Table 3 Testing program and interpretation results

表4 正交試驗方差分析Table 4 Variance analysis of orthogonal test

注：P<0.01(極顯著)，P<0.05(顯著)。

Note:P<0.01(Highly significant)，P<0.05(Very significant).

3 結(jié)論

(1)針對鈣果枝條倒伏造成機械收獲時采凈率低、破損率高的問題，結(jié)合鈣果枝條生長特性，設計了撥指式鈣果扶禾試驗臺，主要由機架、扶禾裝置、夾持輸送裝置、控制系統(tǒng)等組成。

(2)單因素試驗結(jié)果表明，仰角為30°～70°時，隨著仰角的增大，采凈率先增大后減小，破損率呈下降趨勢；扶禾速比為2～6時，隨著扶禾速比的增大，采凈率呈明顯上升趨勢，破損率先減小后增大；撥指間距為140～180 mm時，隨著撥指間距的增大，采凈率先增大后減小，破損率先減小后增大。偏角對采凈率、破損率均無顯著影響。

(3)正交試驗結(jié)果表明：各因素對采凈率影響的主次順序為仰角、扶禾速比、撥指間距，最優(yōu)參數(shù)組合為仰角40°、扶禾速比6、撥指間距160 mm；各因素對破損率影響主次作用順序為扶禾速比、仰角、撥指間距，較優(yōu)參數(shù)組合為仰角40°、扶禾速比6、撥指間距180 mm。

(4)利用Design-Expert 8.0.5軟件優(yōu)化分析得到鈣果扶禾作業(yè)最佳參數(shù)組合為：仰角50°、扶禾速比4、撥指間距160 mm。以軟件優(yōu)化得到的參數(shù)組合進行臺架驗證試驗，采凈率為96.77%、破損率為4.79%，與軟件優(yōu)化結(jié)果基本吻合。該研究可為鈣果收獲機械結(jié)構及作業(yè)參數(shù)的設計、優(yōu)化提供參考依據(jù)。