邵偉興，王圓明，吳 瑜，宋樹(shù)民，龐有倫，李 英

(重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329)

0 引言

花椒作為一種經(jīng)濟(jì)作物，常種植在山坡和丘陵地區(qū)，因樹(shù)枝伸展長(zhǎng)，具皮刺，果實(shí)小，采摘困難。研究人員對(duì)花椒種植及采摘現(xiàn)狀已進(jìn)行了許多研究[1-7]。目前主要有化學(xué)藥劑噴灑、負(fù)壓采收、手持式采摘機(jī)和先剪枝后采摘等采收方法[8-13]?；瘜W(xué)藥劑噴灑法是將化學(xué)藥劑噴灑于果實(shí)上，使果實(shí)與樹(shù)枝在2 d內(nèi)發(fā)生分離，然后人工撿拾果實(shí)。此方法的主要優(yōu)點(diǎn)是高效方便且避免了花椒皮刺扎手等難題，缺點(diǎn)是撿拾工作量過(guò)大，遇上雨天未撿果易生霉，化學(xué)殘留嚴(yán)重影響產(chǎn)品品質(zhì)。負(fù)壓虹吸法只適用于較平坦的大型園林，能將產(chǎn)生較強(qiáng)負(fù)壓的大型動(dòng)力機(jī)械用農(nóng)用車(chē)開(kāi)進(jìn)林區(qū)，利用吸管對(duì)準(zhǔn)成熟果枝，將果實(shí)吸入儲(chǔ)果箱。其優(yōu)點(diǎn)是效率高，但同時(shí)會(huì)將花芽及嫩葉吸掉，影響來(lái)年產(chǎn)果量，耗能較大，花椒油包易破損，不適用于大部分丘陵、山坡和河灘地區(qū)。先剪枝后采摘方式是先對(duì)花椒樹(shù)進(jìn)行修枝，然后在樹(shù)下、場(chǎng)壩進(jìn)行采摘，相比樹(shù)上直接采摘已進(jìn)步較多，不僅提高效率也降低了成本。但是這種花椒采摘方式依然耗費(fèi)大量的人力物力，機(jī)械化程度低、效率不高，且采摘人員手臂易受傷。因此，青花椒的高效、低損失的機(jī)械化采收仍是亟待解決的一個(gè)技術(shù)難題。國(guó)外學(xué)者對(duì)咖啡豆物理學(xué)和生物學(xué)特性與其分離力之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，對(duì)花椒與枝條分離方法有一定參考意義[14]。

本文設(shè)計(jì)了一種環(huán)切式穗枝分離裝置，用于花椒的采收，通過(guò)單因素和二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行分析優(yōu)化，并通過(guò)樣機(jī)田間試驗(yàn)驗(yàn)證其作業(yè)性能。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

青花椒采收機(jī)主要由外殼、機(jī)架、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)組件、穗枝分離裝置和枝條粉碎裝置組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

外殼為鈑金折彎焊接件，通過(guò)螺釘安裝在機(jī)架上。傳動(dòng)組件由蝸輪蝸桿減速器、膠帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和錐齒輪傳動(dòng)構(gòu)成。穗枝分離裝置(圖2)由雙T型帶座軸承、環(huán)形刀和兩組相同的齒輪副和軸承座組成，下齒輪副可通過(guò)壓縮彈簧調(diào)節(jié)軸線高度。碎枝組件由兩組旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)和定刀組成，由螺栓安裝在機(jī)架后方。環(huán)形刀中心線、齒輪副嚙合點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)切割點(diǎn)安裝在同一水平線上。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)螺栓安裝在機(jī)架底部，其動(dòng)力通過(guò)膠帶傳輸?shù)綔p速器輸入軸、切削組件帶輪和錐齒輪副輸入軸。減速器輸出軸通過(guò)鏈傳動(dòng)將動(dòng)力輸送到輥壓組件齒輪副傳動(dòng)軸。錐齒輪副輸出軸通過(guò)帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳輸?shù)剿橹M件的旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)軸。

圖1 青花椒采收機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of green pricklyash harvester

1.環(huán)切刀 2.輥壓齒輪 3.彈簧 4.軸承座圖2 穗枝分離裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of spike branch separation unit

1.2 工作原理

環(huán)切式穗枝分離裝置是青花椒采收機(jī)最重要的結(jié)構(gòu)部分，枝條下樁后，由環(huán)切刀口喂入，環(huán)切刀高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的切削作用，將花椒穗從枝條上切割下來(lái)，實(shí)現(xiàn)花椒穗和枝條分離，同時(shí)輥壓齒輪副將枝條咬住，并向后方輸送。旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性砍切作用將枝條進(jìn)行粉碎。兩組喂入口由兩個(gè)不同尺寸的環(huán)形刀組成，以適應(yīng)不同直徑的枝條。輥壓齒輪副通過(guò)鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)等速相向旋轉(zhuǎn)，并都為主動(dòng)輪，增強(qiáng)了咬合喂入效果；下齒輪軸通過(guò)壓縮彈簧調(diào)節(jié)咬合口的大小，以保證不同直徑枝條的順利進(jìn)入。影響采收機(jī)效果的主要結(jié)構(gòu)是環(huán)切式穗枝分離裝置。

1.3 環(huán)切刀參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)青花椒枝條直徑統(tǒng)計(jì)分析和采收實(shí)際，直徑<5 mm枝條基本為主枝側(cè)枝，可以直接進(jìn)灶烘干，而直徑>20 mm枝條段多為老枝或基本無(wú)花椒果。因此，得出可采收枝條直徑分布范圍5～20 mm?；诓僮鞣奖阈院椭圃斐杀究紤]，環(huán)切刀設(shè)計(jì)為兩組，內(nèi)徑分別為14和20 mm。

1.4 輥壓齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)

輥壓齒輪齒形越細(xì)、越密集，咬合枝條越平穩(wěn)有力，根據(jù)前期試驗(yàn)和空間位置要求，取齒數(shù)模數(shù)3，齒數(shù)22，寬度30 mm。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)材料

花椒采摘還受到花椒物理特性的影響，如果實(shí)成熟度、含水率和抗拉強(qiáng)度等，因此需要選擇合適的時(shí)機(jī)對(duì)花椒進(jìn)行采收[15]。

本次試驗(yàn)花椒品種為江津九葉青花椒，下樁時(shí)間為江津統(tǒng)一采摘季。隨機(jī)選取10棵樹(shù)，每棵樹(shù)分別隨機(jī)下枝10枝，取回后及時(shí)完成試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)裝置

穗枝分離試驗(yàn)裝置為花椒采收機(jī)去除枝條粉碎裝置和發(fā)動(dòng)機(jī)。環(huán)切刀和輥壓齒動(dòng)力分別由三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并配置變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。使用轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)定終端轉(zhuǎn)速。

2.3 試驗(yàn)因素

環(huán)切式穗枝分離裝置進(jìn)行花椒采收工作過(guò)程中，影響其采收效果和效率的因素很多，主要包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)和花椒的物理特性。其中，結(jié)構(gòu)特性主要為環(huán)切刀類型(有齒開(kāi)刃型和無(wú)齒開(kāi)刃型)、環(huán)切刀刃口角度和輥壓齒輪參數(shù)(模數(shù)和齒數(shù))等；工作參數(shù)主要為環(huán)切刀轉(zhuǎn)速、枝條進(jìn)給速度；花椒的物理特性主要包括花椒穗柄長(zhǎng)度、穗柄抗拉強(qiáng)度、枝條直徑和枝條彎曲程度等。

青花椒采摘時(shí)期比較統(tǒng)一和集中，其自身的物理特性相對(duì)穩(wěn)定，影響穗枝分離機(jī)進(jìn)行花椒機(jī)械化采收效果的主要因素是機(jī)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)[16]。前期基礎(chǔ)試驗(yàn)表明，環(huán)切刀為無(wú)齒開(kāi)刃型時(shí)，花椒穗擺動(dòng)較小，對(duì)油苞損傷小，切削效果較好；碎枝旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)可根據(jù)枝條粉碎程度要求調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，不影響花椒采收效率和質(zhì)量。因此，影響花椒采收機(jī)工作效果的主要參數(shù)為環(huán)切刀刃口角度、環(huán)切刀轉(zhuǎn)速和枝條進(jìn)給速度，其他影響因素可以忽略。

2.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)康氖欠治霏h(huán)切刀刃口角度、環(huán)切刀轉(zhuǎn)速、枝條進(jìn)給速度對(duì)穗枝分離機(jī)花椒采收效果的影響，找出主控因素，進(jìn)而對(duì)花椒穗枝分離機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。采用花椒采收效率k1(kg/h)和油苞破損率k2(%)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別從花椒采收效率和油苞破損程度評(píng)價(jià)花椒穗枝分離機(jī)采收效果。計(jì)算公式分別為

(1)

(2)

式中m——花椒穗質(zhì)量，kg

t——花椒采收所用總時(shí)間，h

q1——單個(gè)花椒穗中油苞破損花椒籽粒數(shù)量

q2——單個(gè)花椒穗中總花椒籽粒數(shù)量

2.5 單因素試驗(yàn)及分析

2.5.1環(huán)切刀刃口角度對(duì)采收效果的影響

環(huán)切刀刃口角度直接影響刀的鋒利程度，在環(huán)切刀切割花椒穗柄過(guò)程中，不同的刃口角度對(duì)切割效率有直接影響。鑒于環(huán)刀壁厚和材質(zhì)，選取刃口角度為10°、15°、30°、45°和60°進(jìn)行單因素試驗(yàn)探求其影響規(guī)律，環(huán)切刀旋轉(zhuǎn)速度和枝條進(jìn)給速度分別固定在2 500 r/min和0.30 m/s。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著環(huán)切刀刃口角度增加，采收效率呈先增長(zhǎng)后平穩(wěn)下降趨勢(shì)，油苞破損率無(wú)明顯變化趨勢(shì)。這是因?yàn)榄h(huán)切刀刃口角度很小時(shí)，刀口極度鋒利，在切割花椒穗柄同時(shí)極易切入主枝條，從而切斷主枝條，造成枝條二次喂入，使得整體采收效率低下。隨著環(huán)切刀刃口角度增大，刀口變鈍，使得切削效率下降，從而采收效率下降。

2.5.2環(huán)切刀轉(zhuǎn)速對(duì)采收效果的影響

設(shè)定環(huán)切刀刃口角度30°、枝條進(jìn)給速度0.45 m/s。根據(jù)油機(jī)額定轉(zhuǎn)速(3 600 r/min)和經(jīng)濟(jì)性傳動(dòng)比設(shè)計(jì)，環(huán)切刀轉(zhuǎn)速在1 500～4 500 r/min范圍內(nèi)設(shè)計(jì)，可間隔500 r/min選取7個(gè)水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著環(huán)切刀轉(zhuǎn)速增加，采收效率呈先增大后平穩(wěn)變化的趨勢(shì)，油苞破損率呈先減小后平穩(wěn)的趨勢(shì)。這是因?yàn)?，環(huán)切刀轉(zhuǎn)速表征環(huán)切刀對(duì)花椒穗柄切割快慢的程度，當(dāng)環(huán)切刀以較低的轉(zhuǎn)速切削穗柄時(shí)，由于枝條的持續(xù)進(jìn)給，穗柄來(lái)不及被切斷就會(huì)通過(guò)切割位置，部分花椒穗被帶入環(huán)切刀內(nèi)部而無(wú)法與枝條分離，從而影響花椒穗凈采收量。被切割分離的部分花椒穗和花椒果由于相互擠壓碰撞，油苞破損率會(huì)增加。隨著環(huán)切刀轉(zhuǎn)速的增加上述現(xiàn)象會(huì)逐漸消失。

2.5.3枝條進(jìn)給速度對(duì)采收效果的影響

設(shè)定環(huán)切刀刃口角度30°、環(huán)切刀轉(zhuǎn)速3 000 r/min，枝條進(jìn)給速度為0.1～1.0 m/s范圍內(nèi)等間隔選取。

試驗(yàn)結(jié)果表明，花椒采收效率隨著枝條進(jìn)給速度的增加呈先增大后平穩(wěn)變化趨勢(shì)，油苞破損率隨著枝條進(jìn)給速度的增加，呈先小幅增大后趨于穩(wěn)定，最后急劇增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)?，增加枝條進(jìn)給速度，單位時(shí)間內(nèi)切割的花椒穗增多，但枝條進(jìn)給速度增加到一定程度后，由于環(huán)切刀轉(zhuǎn)速?zèng)]有相應(yīng)增加，部分穗柄來(lái)不及切割，相互碰撞擠壓，造成采收效率的損失和油苞破損現(xiàn)象。兩者因素相抵消，故而造成采收效率先增大后平穩(wěn)變化趨勢(shì)。

2.6 多因素試驗(yàn)

2.6.1多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為優(yōu)化穗枝分離機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，采用Design-Expert軟件中的二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)。每個(gè)因素水平變化范圍，可根據(jù)前期大量的單因素試驗(yàn)確定，以采收效率和油苞破損率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素水平如表1所示，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

2.6.2試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)Design-Expert軟件對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸擬合，得到花椒采收效率和油苞破損率的回歸方程，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

(1)花椒采收效率回歸模型與響應(yīng)曲面分析。

對(duì)采收效率進(jìn)行方差分析，試驗(yàn)?zāi)Ｐ惋@著，說(shuō)明所得的回歸數(shù)學(xué)模型擬合精度較高。通過(guò)比較p值判斷模型中各個(gè)因素的顯著程度，模型中因素B為極顯著項(xiàng)(p<0.000 1)，各因素對(duì)花椒采收效率的影響程度為B>A>C。

將不顯著項(xiàng)剔除，得到各因素對(duì)花椒采收效率的回歸方程為

k1=48.21+1.42A+8.92B-0.94C

(3)

分析因素A和B對(duì)花椒采收效率的影響程度，如圖3a所示，當(dāng)環(huán)切刀刃口角度30°時(shí)，環(huán)切刀轉(zhuǎn)速一定的情況下，隨著枝條進(jìn)給速度的增加，花椒采收效率迅速提高，這是因?yàn)殡S著枝條進(jìn)給速度增加，花椒穗喂入量增大，單位時(shí)間被切割下的花椒穗增加。在枝條進(jìn)給速度一定的情況下，隨著環(huán)切刀轉(zhuǎn)速的增加，花椒采收效率并無(wú)明顯增加，這是因?yàn)殡m然環(huán)切刀轉(zhuǎn)速的增加，但枝條喂入量并未相應(yīng)增加，只使得花椒穗瞬時(shí)快速切割，平均單位時(shí)間內(nèi)花椒穗切割量并未增加。

(2)花椒油苞破損率回歸模型與響應(yīng)曲面分析。

對(duì)油苞破損率進(jìn)行方差分析，試驗(yàn)?zāi)Ｐ惋@著(p<0.000 1)，說(shuō)明所得的回歸數(shù)學(xué)模型擬合精度較高，方差分析如表3所示。通過(guò)比較p值，判斷模型中各個(gè)因素的顯著程度，模型中因素B、AB為極顯著項(xiàng)(p<0.000 1)，各因素對(duì)花椒油苞破損率的影響程度為B>A>C。

將不顯著項(xiàng)剔除，得到各因素對(duì)花椒油苞破損率的回歸方程為

k2=6.22-1.46A+2.48B+0.69C-2.44AB-0.55AC-0.075BC+2.85A2+1.61B2+0.48C2

(4)

表3 方差分析

因交互項(xiàng)AB對(duì)花椒油苞破損率的影響顯著，取交互項(xiàng)AB對(duì)花椒油苞破損率進(jìn)行分析。如圖3b所示，當(dāng)環(huán)切刀刃口角度30°時(shí)，環(huán)切刀轉(zhuǎn)速為2 500～3 000 r/min時(shí)，隨著枝條進(jìn)給速度的增加，花椒油苞破損率先緩慢增加后急劇增加，這是因?yàn)樵黾又l進(jìn)給速度，單位時(shí)間內(nèi)切割的花椒穗增多，由于環(huán)切刀沒(méi)有達(dá)到與之匹配的切割速度，部分花椒穗柄來(lái)不及被切割，或切割后來(lái)不及下落，從而導(dǎo)致花椒籽粒相互碰撞擠壓，油苞破損增多。在枝條進(jìn)給速度<0.4 m/s時(shí)，花椒油苞破損率隨環(huán)切刀轉(zhuǎn)速增加先小幅減小后趨于平穩(wěn)最后小幅增加，在枝條進(jìn)給速度>0.4 m/s時(shí)，花椒油苞破損率隨環(huán)切刀轉(zhuǎn)速增加平穩(wěn)減小。這是因?yàn)橹l進(jìn)給速度較低時(shí)，環(huán)切刀切割速度增加過(guò)程中，有一個(gè)速度區(qū)間與枝條進(jìn)給速度相匹配，從而油苞破損率有一個(gè)小幅減小后趨于平穩(wěn)的過(guò)程；當(dāng)環(huán)切刀切割速度增加到一定值后，花椒穗柄被急速切割，出現(xiàn)甩動(dòng)現(xiàn)象，從而花椒油苞會(huì)出現(xiàn)少量破損現(xiàn)象。

2.7 參數(shù)優(yōu)化與樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)

2.7.1參數(shù)優(yōu)化

為獲得青花椒穗枝分離機(jī)各工作參數(shù)較優(yōu)的參數(shù)組合，根據(jù)采收效率和破損率要求和實(shí)際作業(yè)條件選定優(yōu)化約束條件，利用Design-Expert軟件的多目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，目標(biāo)及約束條件為

(5)

優(yōu)化結(jié)果：當(dāng)環(huán)切刀轉(zhuǎn)速2 880 r/min，枝條進(jìn)給速度0.48 m/s，環(huán)切刀刃口角度28°時(shí)，花椒采收效率50 kg/h，油苞破損率6.0%。

2.7.2樣機(jī)采收試驗(yàn)

考慮到動(dòng)力源額定轉(zhuǎn)速、帶輪和減速器傳動(dòng)比和輥壓齒輪尺寸，實(shí)際樣機(jī)測(cè)得環(huán)切刀轉(zhuǎn)速2 800 r/min，枝條進(jìn)給速度0.45 m/s，環(huán)刀根據(jù)材料和加工經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)為刃口角度25°。為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，2020年6月在重慶江津區(qū)刁家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采收試驗(yàn)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及花椒采收效果如圖4所示。取兩臺(tái)樣機(jī)在同一花椒園進(jìn)行采收作業(yè)，每隔30 min取樣1次，共計(jì)取樣5次，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方案計(jì)算樣機(jī)的采收效率和油苞破損率，并計(jì)算其平均值。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，青花椒穗枝分離機(jī)的采收效率和油苞破損率與優(yōu)化結(jié)果基本一致，樣機(jī)工作參數(shù)得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 結(jié)論

(1)基于青花椒采收特性，提出一種穗枝分離式采收裝置，該裝置具有較高的采收效率和較低的油苞破損率。

(2)隨著枝條進(jìn)給速度的增加，花椒采收效率迅速提高，花椒油苞破損率先緩慢增加后急劇增加。隨著環(huán)切刀轉(zhuǎn)速的增加，花椒采收效率并無(wú)明顯增加。在枝條進(jìn)給速度<0.4 m/s時(shí)，花椒油苞破損率隨環(huán)切刀轉(zhuǎn)速增加先小幅減小后趨于平穩(wěn)最后小幅增加。在枝條進(jìn)給速度>0.4 m/s時(shí)，花椒油苞破損率隨環(huán)切刀轉(zhuǎn)速增加平穩(wěn)減小。

(3)通過(guò)多因素試驗(yàn)得出各因素對(duì)花椒采收效率和油苞破損率的影響程度為枝條進(jìn)給速>環(huán)切刀轉(zhuǎn)速>環(huán)切刀刃口角度。

(4)通過(guò)優(yōu)化分析和樣機(jī)設(shè)計(jì)，得出最優(yōu)工作參數(shù)組合：環(huán)切刀轉(zhuǎn)速2 800 r/min，枝條進(jìn)給速度0.45 m/s、環(huán)切刀刃口角度25°。樣機(jī)采收作業(yè)試驗(yàn)表明，樣機(jī)的花椒采收效率和油苞破損率分別為50.7 kg/h和6.7%。樣機(jī)采收作業(yè)試驗(yàn)驗(yàn)證了樣機(jī)設(shè)計(jì)和臺(tái)架試驗(yàn)的正確性。