李 斌,李 君,陸華忠,呂恩利,楊益彬
(華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院,廣州 510642)
荔枝是我國南方的特色水果,主要分布于廣東、廣西、福建和海南等省份,少量分布在四川和云南[1]。當前,荔枝采摘仍以人工采摘為主,勞動強度大、作業(yè)成本高,采摘成本約占整個荔枝生產(chǎn)成本的50%~70%,采摘所用勞動力占全部所用勞動力的33%~50%[2-4]。
隨著荔枝采摘與用工成本上升的矛盾日益凸顯,荔枝機械化采收技術(shù)已成為產(chǎn)業(yè)研究的熱點方向之一。趙磊等[5]根據(jù)荔枝果實尺寸和枝條物理特性,研制了一種滾筒疏剪式荔枝采摘機。在此基礎(chǔ)上,姜焰鳴等[6]試驗獲得了滾筒疏剪式采摘機的最佳水平組合??讘c軍等[7]設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)剪刀式荔枝采摘機,并對切割刀片結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了可靠性分析。陳燕等設(shè)計了一種具有1個移動關(guān)節(jié)和4個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的5自由度荔枝采摘機械手。
國內(nèi)外對林果振動采摘方式的研究已有較長時間,在結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化方面取得了一定的進展。東北林業(yè)大學耿雷等[8]設(shè)計了一種“龍門”式藍莓采摘機,利用雙側(cè)梳妝指排拍打藍莓樹枝,形成穩(wěn)態(tài)受迫振動擊落樹上成熟藍莓果實。郭艷玲等[9]對藍莓采摘機收獲機理進行分析,采摘試驗結(jié)果表明:單臺采摘量為12kg/h,果實損壞率為10%,采凈率為86%。楊蘭濤等[10]設(shè)計了一種自走式釀酒葡萄收獲機,可一次性實現(xiàn)對釀酒葡萄的分離、輸送、除雜及集果等功能。周兵等[11]設(shè)計了一種模擬手枸杞采摘機,利用左右旋轉(zhuǎn)體和表面上的柔性膠環(huán)排模擬人手,柔性膠管捋下結(jié)合力較低的果實,完成果實的采摘。張最等[12]運用MatLab對振動式枸杞采摘機工作參數(shù)進行優(yōu)化和仿真試驗,優(yōu)化得到合理的迫振載荷和驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速組合。目前,機械振動在荔枝生產(chǎn)中的應(yīng)用報道僅限于初加工環(huán)節(jié)。王慰祖等[13]設(shè)計了一種機械式荔枝去梗機,研究發(fā)現(xiàn)機械去梗效果在振動頻率為20Hz時最好,去梗效率約為人工去梗的3倍,破損率低于6%。
為研究荔枝機械式振動采摘的可行性,針對國內(nèi)矮化密植模式的荔枝果園,基于樹冠仿形和柔性采摘的作業(yè)要求,設(shè)計了一種梳排振動式荔枝采摘機。同時,利用EDEM軟件進行仿真試驗確定梳擺頻率取值范圍,通過田間試驗分析采摘機的最佳作業(yè)參數(shù)組合,并進一步對比分析機械采摘和手工采摘的采后品質(zhì),以期為荔枝機械化收獲技術(shù)的研究提供參考。
梳排振動式荔枝采摘機由梳擺采摘機構(gòu)、曲柄雙搖桿機構(gòu)、液壓馬達組、液壓工作站、操縱控制面板、動力源及電磁閥組等組成,如圖1所示。
1.柔性梳棒組 2.基板 3.采摘液壓馬達 4.油箱
梳擺采摘機構(gòu)主要由柔性梳棒組、左右軸、基板、軸承及軸承座組成。其中,左右軸直徑25mm、長1 800mm,左右軸軸心距為320mm,700mm,梳棒間距、重合度可根據(jù)實際生產(chǎn)需要進行調(diào)整。曲柄雙搖桿機構(gòu)的主要作用是將傳動機構(gòu)圓周運動轉(zhuǎn)化為梳擺采摘機構(gòu)中左右軸的往復(fù)式運動。
采摘作業(yè)時,啟動柴油機向液壓工作站提供驅(qū)動力;液壓泵泵油經(jīng)過輸油管帶動底盤驅(qū)動液壓馬達工作,操控采摘機靠近目標果樹;根據(jù)果樹冠層的輪廓形狀以及果實分布的空間位置,控制角度調(diào)節(jié)機構(gòu)的仿形液壓馬達使梳擺采摘機構(gòu)傾斜相應(yīng)角度;調(diào)節(jié)采摘液壓馬達轉(zhuǎn)速,使搖桿做往復(fù)式擺動,從而帶動安裝于左軸、右軸上的柔性梳棒組振動式梳擺掛果枝條使果梗分離,實現(xiàn)荔枝的機械化采摘。
梳擺頻率是影響采摘機采摘效果的主要因素之一,合理的梳擺頻率能夠提高生產(chǎn)效率,降低果實破損率。荔枝果實的機械損傷程度與應(yīng)變能顯著相關(guān),隨著應(yīng)變能增加,荔枝的機械損傷程度越大[14],即隨著梳擺頻率增大,荔枝果實的內(nèi)能造成的機械損傷逐漸變大。為了探究采摘機適宜的梳擺頻率,將梳擺頻率設(shè)定為10、20、30Hz,利用EDEM軟件進行仿真試驗研究。
以“桂味”荔枝果實為例,在EDEM軟件中的Particles模塊創(chuàng)建荔枝果實顆粒模型,將模型的尺寸設(shè)置為直徑30mm的球體,如圖2(a)所示。
(a) 荔枝果實顆粒模型
(b) 采摘機幾何模型
荔枝球度系數(shù)達0.96以上,近似于球體,可將果實模型設(shè)置為整個表面硬度和橫縱向彈性模量相同的球體。仿真參數(shù)條件:果實硬度為1.63×106Pa,果實彈性模量設(shè)置為3.0×105Pa[14-15],果實密度、泊松比、剪切模量分別為1.0×103kg/m3、0.35、0.11MPa[16],果實間恢復(fù)系數(shù)、摩擦因數(shù)分別為0.4、1。梳棒組的運動設(shè)置為正弦平移運動,擺幅0.78rad,采摘機的運動設(shè)置為沿y軸正向以0.5m/s的速度勻速前進。
將EDEM顆粒工廠設(shè)置為BOX型式,用于模擬等效荔枝果實在果樹上的分布。如圖2(b)所示:將果樹分割成平行于地面若干個長方形,根據(jù)荔枝果實在果樹上的分布狀況確定長方形的尺寸和離地高度。每個長方形所包含的顆粒(即果實)數(shù)量參照果樹實際生長狀況設(shè)定。
根據(jù)荔枝果實的物理特性要求,果實之間的接觸模型定義為linear spring[17]。由于荔枝果實近似球形,果實顆粒與采摘機構(gòu)沒有粘附力,所以將采收機的接觸模型定義為hertz-mindlin(no-slip)無滑動接觸模型。由于采摘過程中的果樹是假想的若干個平行面,并非實體,因此將果樹等效模型設(shè)定為虛擬。為使創(chuàng)建的果樹模型盡可能接近真實情況,將果實在每一個虛擬平面產(chǎn)生的位置和速度設(shè)定為隨機。果樹模型置于采摘機前方,按照采摘機的設(shè)計尺寸和果樹等效模型距離地面的高度設(shè)定果樹距離地面的高度以及與采摘機的相對位置。
在仿真時長為5s的模擬采摘過程中,果實的壓縮力變化如圖3(a)所示。在0~2s時段,壓縮力出現(xiàn)多處波峰,原因是果實從掛果枝條分離后出現(xiàn)二次以上的跌落碰撞;隨著沖擊能的不斷衰減,2s后,果實進行滾動-靜止狀態(tài),壓縮力趨于穩(wěn)定。當f=10Hz時,果實的壓縮力值變化較??;當f=20Hz時,果實受到的壓縮力最大為26N;當f=30Hz時,果實平均壓縮力峰值達到了89.62N。荔枝果實的水平受壓的破裂力為81.25N[18],因此采摘機的適宜梳擺頻率應(yīng)小于30Hz,以減少對果實的物理傷害。果實所受合力的變化如圖3(b)所示。
(a) 果實壓縮力
(b) 果實合力
果實所受的合力主要由重力和壓縮力組成,由于重力不變,即只有壓縮力發(fā)生變化,因此果實的合力變化與壓縮力變化基本一致;2s后,果實的重力和壓縮力大小相等,方向相反,合力大小趨于0。
果實的平均動能變化如圖4(a)所示。果實與果樹分離后主要做自由落體運動,第1次跌落碰撞時的動能最大,此后多次跌落反彈,直至動能衰減到某一數(shù)值恒定不變。動能定理計算公式為
(1)
式中M—果實質(zhì)量(kg);
V—果實速度(m/s);
K—果實動能(J)。
果實內(nèi)能即果實在跌落過程中發(fā)生接觸碰撞被壓縮產(chǎn)生的內(nèi)能。果實的平均總能量為果實內(nèi)能和果實動能的總和平均,其變化如圖4(b)所示。初始時,果實受外界激勵,總能量急劇增加;0.2s后,果實的總能量逐漸降低,其中一部分動能轉(zhuǎn)化為果實的內(nèi)能,另一部分動能被樹枝吸收,最終果實總能量維持恒定。當f=10、20、30Hz時,果實的內(nèi)能計算值分別為0.376 25、0.506 25、1.271 25J。
(a) 果實的平均動能
(b) 果實的平均總能量
試驗于廣東省廣州市從化區(qū)鳳凰雙鳳山果園進行,試驗果園東經(jīng)113.9°,北緯23.8°,海拔31m,年平均氣溫19.5~21.4℃,年平均降雨量1 800~2 200mm,株行距為4m×3m。供試品種為桂味荔枝,樹齡20~25年。
試驗采用梳排振動式荔枝采摘機(華南農(nóng)業(yè)大學國家荔枝龍眼產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系果園機械化研究室試制),華儀MS6208B光電轉(zhuǎn)速表(測量精度0.3%),卷尺,編織收集網(wǎng),計時器及電子天平等。
1) 試驗因素與指標。試驗指標為采摘效率和破損率。
采摘效率為
(2)
破損率為
(3)
其中,E為采摘效率(kg/s);m為采摘果實質(zhì)量(kg);T為采摘作業(yè)時間(s);W為破損率(%);N1為采摘果實數(shù)量(個);N2為采摘果實破損數(shù)量(個)。
在統(tǒng)計采摘果實破損數(shù)量時,目測果皮破裂或損傷的果實均被視為破損果實,破損原因主要為采摘過程中被振動梳棒打傷破裂,或脫落過程中果皮被扯裂。
試驗步驟:每次試驗選取坐果數(shù)量相近的掛果區(qū)域作為試驗?zāi)繕?,調(diào)節(jié)采摘機參數(shù)為試驗所需水平,人工鋪設(shè)編織收集網(wǎng)于作業(yè)區(qū)域下方0.5m處;從采摘機梳排接觸荔枝掛果枝條開始計時,目標果實全部脫落停止計時,采摘后將收集網(wǎng)內(nèi)果實取出,記錄破損果實數(shù)。
為全面分析各因素的影響,選用正交試驗來減少試驗次數(shù)。基于三因素三水平組合方法,選用L9(34)正交表進行試驗,試驗因素與水平如表1所示。試驗共9處理,每個處理重復(fù)3次,取平均值,采用SPSS Version 21.0軟件進行統(tǒng)計分析。
采用SPSS Version 21.0軟件對表2的試驗數(shù)據(jù)進行方差和極差分析,分析結(jié)果如表3和表4所示。
表1 正交試驗因素和水平表
表2 正交試驗結(jié)果
表3 方差分析結(jié)果
F0.01(2,20)=5.85,F(xiàn)0.05(2,20)=3.49,F(xiàn)0.1(2,20)=2.59,影響顯著用*表示,影響極顯著用**表示。
表4 極差分析結(jié)果
由表3可知:梳排振動式采摘機梳打頻率、梳棒間距、梳棒重合度對采摘效率和破損率影響程度不同,在顯著性水平α=0.05的條件下,3個因素對采摘效率和破損率均有顯著性影響(P<0.05)。其中,梳打頻率、梳棒間距對采摘效率和破損率影響極顯著。
由表4可知:梳排振動式采摘機梳打頻率為19Hz、梳棒間距為100mm、梳棒重合度為60%時,采摘效率最優(yōu);采摘機梳打頻率為11Hz、梳棒間距為100mm、梳棒重合度為60%時,破損率最低。
為平衡采摘效率和破損率的得失,采用綜合加權(quán)評分法進行分析,以得出使采摘效率和破損率都盡可能達到最優(yōu)的組合。根據(jù)3個因素對衡量指標的重要程度,以100分作為總權(quán),采摘效率為60,破損率為40[19-20],每處理的綜合評分值為
(4)
其中,yi為第i號試驗所得計算值(加權(quán)評分指標);Wj為第j個指標的權(quán)值;yij為第i號試驗中第j個指標;ymj為第j個指標中的極小值;Rj為第j個指標的極差;λj為第j個指標的計算系數(shù),其既考慮權(quán)又考慮指標變動程度。
分析可知:影響綜合指標的主次因素排列為A>B>C,最佳水平組合為A2B3C2,即梳棒間距為100mm,梳棒重合度為60%。將采摘機構(gòu)的工作參數(shù)分別調(diào)整為采摘效率最高的工況下,進行采摘試驗。此工況下,采摘效率為1.94kg/min,破損率為3.14%。
為對比機械采摘和人工采摘兩種采摘方式的采后品質(zhì)差異,將采摘機和手工采摘的成熟桂味荔枝貯藏在果蔬保鮮試驗平臺[21-22]內(nèi)10天,采用PR-32α 型數(shù)字式折射計(可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)測量范圍0~32%,最小刻度0.1%,日本愛拓中國分公司)及DC-P型全自動測色色差計(北京市興光測色儀器公司)等儀器對荔枝品質(zhì)進行測定。
按照隨機抽取試驗區(qū)域的方法,采用機械采摘和人工采摘兩種方式各獲取300顆無破損荔枝果實,并于2h內(nèi)運到華南農(nóng)業(yè)大學,在5℃左右的冰水中預(yù)冷15min后于空調(diào)房(溫度25℃,空氣濕度60%)內(nèi)晾干。將采摘后目測果皮組織完好的荔枝分別裝在聚乙烯薄膜袋中,每袋15顆。按照振動采摘和手工采摘進行分組,每組20袋,置于同一果蔬保鮮試驗平臺中保存,保存溫度約為6℃,氧氣體積分數(shù)3%~6%,相對濕度90%~95%[23]。貯藏試驗共進行10天,每隔48h從每組各取兩袋,對荔枝色差(L、a*、b*值)、可溶性固型物(Total Soluble Solid,簡稱TSS)及可滴定酸(Titratable Acid,簡稱TA)含量5個指標進行測試[24]。為方便對試驗結(jié)果進行分析和比較,定義機械采摘和手工采摘處理分別為L1和L2。
由圖5可知:兩組荔枝的TSS含量都隨著時間的增加而減少。初始樣本L2組果實的TSS含量為19.42°Brix,L1組為19.27°Brix,兩組荔枝初始TSS含量不同可能是由于個體差異。2天后,兩組荔枝果肉TSS含量均略有上升,可能由于果肉內(nèi)淀粉等物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可溶性糖所致。前4天內(nèi)TSS含量下降速率沒有顯著性差異,4天后,L1兩組荔枝的TSS含量下降速度比L2組下降速度快。10天時,L1組的TSS含量為17.27,L2組的TSS含量為17.92。經(jīng)雙尾顯著性檢驗分析可知,兩組荔枝的TSS含量顯著性水平Sig=0.459>0.05,表明兩組荔枝果肉TSS含量變化無顯著差異。
如圖5所示:兩組荔枝的TA含量呈現(xiàn)出下降趨勢。初始樣本L1組與L2組荔枝果實的TA含量均為0.24%。2天后,L1組荔枝果肉TA含量下降到0.22%,L2組荔枝果肉TA含量下降到0.21%,兩者下降速率差異較小。4天后,L1組荔枝果肉TA含量略微上升到0.22%后持續(xù)下降;L2組荔枝果肉TA含量一直下降到0.19%, 6天時略微上升到0.20%, 6天后一直處于下降狀態(tài),且下降速率較L1組快。10天時,L1組和L2組的TA含量都下降到最低,L1組TA值為0.08%,L2組TA值為0.15%。經(jīng)顯著性檢驗分析可知,兩組荔枝TA含量的顯著性水平Sig=0.138>0.05,即兩組荔枝果肉TA含量變化無顯著差異。
圖 5 荔枝果實TSS和TA含量變化圖
如圖6所示:荔枝的色差L*值隨著保鮮時間的增加而降低,兩組樣本荔枝果實色差L*的初始值均為46.185,下降速度基本一致,無顯著差別(Sig=0.666>0.05);10天后,L1組荔枝色差L*值下降到40.185,L2組荔枝色差L*值下降到39.28。色差a*初始值為29.56,隨著保鮮時間的推移,兩組樣本荔枝果實的色差a*總體呈現(xiàn)下降趨勢;10天時,L1組荔枝色差a*值下降到25.63,L2組荔枝色差a*值下降到26.84。經(jīng)差異顯著性檢驗分析可知Sig=0.681>0.05,即兩組荔枝色差a*值變化無顯著差異。色差b*值的初始值均為27.465,兩組荔枝樣本果實的b*值總體上呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。
圖6 荔枝果實色差L*、a*、b*變化圖
前4天,色差b*值均呈上升趨勢,L2組荔枝色差b*上升幅度比L1組上升幅度大; 4天時,兩組樣本的色差b*都出現(xiàn)峰值,其中L2組色差b*為29.5,L1組色差b*為29.34;4天后,兩組樣本荔枝的色差b*均呈下降趨勢, 10天時達到最低值,L1組色差b*為27.28,L2組色差b*值為28.54。L1組與L2荔枝色差b*兩尾檢驗差異顯著性水平Sig=0.573>0.05,表明兩組荔枝色差b*值無顯著差異。
品質(zhì)試驗結(jié)果表明:在10天貯藏試驗條件下,與人工采摘方式對比,梳擺振動式采摘機采收的荔枝果實品質(zhì)無顯著性差異,可以用于鮮食或加工。
1)基于離散元法和顆粒接觸理論,運用EDEM軟件,對采摘機的采收過程進行了數(shù)值模擬。試驗結(jié)果表明,梳擺頻率f=30Hz時的果實所受平均壓縮力已超過荔枝破裂所需的最大力,因此適宜梳擺頻率應(yīng)小于30Hz。
2)正交試驗結(jié)果表明:梳排振動式采摘機的最佳作業(yè)參數(shù)條件為梳打頻率19Hz,梳棒間距為100mm,梳棒重合度為60%;測定的生產(chǎn)率為1.94kg/min,破損率為3.14%。
3)由機械采摘與手工采摘兩種方式的品質(zhì)對比試驗結(jié)果可知,在10天貯藏試驗中兩者的色差a*、b*、L*,以及果實果肉TSS、TA未見顯著性差異,說明梳排振動式采摘方式未對荔枝品質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。