耿令新 盧富運 張利娟 李 洋 王恒一

(1.河南科技大學農(nóng)業(yè)裝備工程學院， 洛陽 471003； 2.河南科技大學車輛與交通工程學院， 洛陽 471003)

0 引言

我國大蒜種植面積居世界首位[1-2]。蒜薹是大蒜的花莖，營養(yǎng)保健價值較高[3-4]。蒜薹采收具有很強的時效性，如不及時抽薹，對蒜薹的質(zhì)量及大蒜的產(chǎn)量都會產(chǎn)生嚴重影響[5-6]。目前，大蒜的播種及收獲過程基本實現(xiàn)機械化[7-10]。因蒜薹采摘過程需保證蒜薹采摘質(zhì)量及盡量避免傷害大蒜植株，造成其采摘要求較高，目前市面上還未出現(xiàn)比較成熟的蒜薹采摘機械，仍以人工采摘為主，不能滿足蒜薹及大蒜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求[11]。

靳奉奎等[12]設計了一種帶有單體仿形裝置的蒜薹切除機，通過切除蒜泡和部分蒜薹來促進大蒜的生長。此方法雖然能高效切薹，但將蒜薹作為大蒜的附屬品拋棄，不符合絕大多數(shù)種植用戶的意愿。屈哲等[13]設計了一種蒜薹收獲機械，主要通過夾持抽拔機構和曲柄針扎機構相互配合完成蒜薹收獲作業(yè)。通過ADAMS軟件對蒜薹收獲機的關鍵機構進行仿真分析，得到了相關運動參數(shù)。朱新華等[14]對收獲期蒜薹的不同部位進行了拉伸和壓縮試驗，得到了不同部位蒜薹能承受的最大載荷及蒜薹機械采摘的最佳夾持位置等關鍵參數(shù)，為蒜薹采摘機械手的設計提供了基礎數(shù)據(jù)。袁志華等[15]對蒜薹的拉伸特性進行試驗，采用灰色理論分析蒜薹拉伸強度與品種、含水率、加載速度等因素的關系，得到了相關參數(shù)規(guī)律。另外，還有一些關于蒜薹采摘機械的專利文獻[16-20]，因種種原因沒有推廣應用。因此，研發(fā)一種蒜薹采摘機械代替人工抽薹十分必要。

本研究基于人工采摘蒜薹的原理，設計一種蒜薹采摘機，主要包括劃莖夾薹裝置和拔薹裝置，可完成大蒜植株劃莖、夾斷蒜薹底部、蒜薹拔出和收集等作業(yè)。根據(jù)蒜薹及大蒜植株的物理特性參數(shù)，對劃莖夾薹裝置和拔薹裝置的結構進行設計；通過理論分析，確定機器前進速度與關鍵部件轉速的關系；對硅橡膠板夾薹過程進行ANSYS仿真分析，確定合適的夾薹間隙。利用試驗優(yōu)化出最佳參數(shù)組合，通過田間試驗驗證機器的可靠性。

1 整機結構與工作原理

蒜薹采摘機三維模型如圖1所示，主要由劃莖夾薹裝置和拔薹裝置組成，劃莖夾薹裝置主要包括分禾器、導向條、帶針鏈條、夾盤、橡膠撥棒等，拔薹裝置主要包括滾筒、夾手、槽板和凸輪盤等。

機器的全部動力來源于直流電機，電機通過帶輪將動力傳遞到中間軸，中間軸將動力分3路傳出：一路傳遞到行走輪，使機器向前移動；一路通過錐齒輪換向器傳遞到劃莖夾薹裝置，使一對帶針鏈條和一對夾盤反向旋轉；另一路通過一對齒輪將動力傳到滾筒，使?jié)L筒向后旋轉。機器工作時，大蒜植株在分禾器的輔助下進入帶針鏈條的間隙中，兩側鋼針扎進大蒜植株中，帶針鏈條整體向前下方傾斜，隨著帶針鏈條的向后移動，完成將大蒜植株從低到高的劃莖作業(yè)。在劃莖過程結束后，大蒜植株在引導條的引導和橡膠撥棒的撥動下，順利脫離帶針鏈條。緊接著一對夾盤在大蒜植株的劃莖區(qū)對其擠壓一次，將蒜薹夾斷。滾筒上的夾手在凸輪盤的控制下，在滾筒前方閉合將蒜薹夾住拔起，隨滾筒轉動一定角度，在滾筒的后方張開將蒜薹松開，蒜薹滑落到集薹箱中，完成蒜薹的采摘作業(yè)。

導向條在劃莖過程中限制鋼針的伸出長度，使大蒜植株盡量保持在一對帶針鏈條中間位置，減少大蒜植株向一側偏移導致蒜薹被劃傷的概率；在劃莖結束后，限制大蒜植株繼續(xù)向后移動，減輕帶針鏈條對其的回帶現(xiàn)象。橡膠撥棒克服了大蒜植株在劃莖結束后無動力向后輸送的缺點，有效地增強了劃莖夾薹裝置和拔薹裝置銜接配合。夾手接觸蒜薹的一面安裝有硅橡膠板，防止在拔薹過程中對蒜薹造成損傷。該機器模仿傳統(tǒng)人工采摘蒜薹的原理(如圖2所示)，分別使用帶針鏈條對大蒜植株劃莖、使用夾盤將蒜薹從底部夾斷、使用滾筒夾手完成對蒜薹的拔出輸送、使用集薹箱對蒜薹收集，各部件之間銜接緊密，有效地提高了采摘蒜薹的可靠性。

綜合考慮整機配置、收獲要求、作業(yè)效率等因素，參考相關塊莖狀蔬菜收獲機作業(yè)標準，設計確定整機主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 蒜薹采摘機主要技術參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of garlic bolt picking machine

2 劃莖夾薹裝置設計

2.1 裝置組成與設計原理

劃莖夾薹裝置主要實現(xiàn)對大蒜植株的劃莖和將蒜薹從底部夾斷的功能，是蒜薹采摘機的關鍵部件之一，其結構參數(shù)直接影響到拔薹損傷率和留葉合格率等多項性能指標。該劃莖夾薹裝置采用一端傳動方式，通過一根鏈條和一對相同鏈輪，將動力分別傳入劃莖夾薹裝置的兩根主傳動軸，實現(xiàn)一對帶針鏈條和一對夾盤的等速反向轉動，達到對大蒜植株劃莖及蒜薹夾斷的目的。該裝置主要包括分禾器、導向條、帶針鏈條、夾盤、張緊輪、橡膠撥棒和安裝架等部件，其結構如圖3所示。

帶針鏈條和夾盤是劃莖夾薹裝置的兩個關鍵部件。帶針鏈條是將直徑為2 mm的鋼針焊接在直板滾子帶耳鏈條上而制成，前端傾斜向下安裝，目的是將大蒜植株的假莖劃開。單個帶針鏈條安裝中心距為500 mm，針尖回轉半徑為55 mm。參考人工采摘蒜薹長度，設計帶針鏈條在機架上安裝后，其前端回轉中心距地高度為200 mm。測量距地200 mm以上被假莖包裹的蒜薹直徑范圍為5～7 mm，以此設計兩根帶針鏈條針尖間隙l1在0～10 mm范圍內(nèi)可調(diào)。其中，直板滾子帶耳鏈條單個鏈板寬度為23.3 mm，兩個相鄰鏈板間隙為2.1 mm。根據(jù)距地200 mm以上被假莖包裹的蒜薹直徑范圍5～7 mm，設計單個鏈板上等間距安裝4根鋼針，相鄰兩個鋼針中心距為6 mm，跨過鏈板間隙兩根鋼針中心距為7.4 mm，鋼針伸出鏈板長度為10 mm。具體結構如圖4a所示。

夾盤安裝距地高度在200～250 mm之間可調(diào)，目的是在大蒜植株的劃莖區(qū)將蒜薹夾斷，減少假莖包裹蒜薹的阻力，增加后續(xù)蒜薹被成功拔出的可能性。測量距地200 mm以上被假莖包裹的蒜薹直徑范圍為5～7 mm，以此設計一對夾盤間隙為3 mm，試驗驗證此間隙能夠滿足設計要求。由于帶針鏈條和夾盤由同一根傳動軸帶動，為保證夾盤間隙不變，設計加工多組夾盤，多組夾盤除夾盤直徑d1不同外，其他尺寸相同，具體結構如圖4c所示。

為防止在劃莖過程中大蒜植株偏離兩帶針鏈條中心面，導致蒜薹被鋼針劃傷的現(xiàn)象發(fā)生，安裝導向條來限制大蒜植株的左右移動。測量距地200 mm以上大蒜植株直徑范圍為6～14 mm，以此設計兩根導向條呈八字形固連在安裝架上，以前后轉動軸中心點位置為基準，單根前端與針尖間距為10 mm，后端與針尖間距為5 mm，導向條直徑為4 mm。為使被劃莖過的大蒜植株順利脫離帶針鏈條及增加劃莖夾薹裝置與拔薹裝置的銜接緊密性，在劃莖夾薹裝置的傳動軸上安裝橡膠撥棒。為保證撥棒能夠撥到大蒜植株，撥棒頂端回轉半徑需跨過帶針鏈條間隙，設計回轉半徑為75 mm，直徑為10 mm。為減少撥棒對大蒜植株的打擊次數(shù)，每根傳動軸上安裝一根撥棒，兩根撥棒交錯安裝。為防止帶針鏈條松動導致劃莖作業(yè)不徹底，安裝張緊輪對鏈進行張緊，安裝導鏈板限制針尖間隙。

2.2 劃莖工作過程分析

為保證大蒜植株在最佳狀態(tài)下完成劃莖作業(yè)，帶針鏈條速度需要與整機前進速度相匹配。以扎進大蒜植株的鋼針為研究對象，對其運動過程進行分析，如圖5a所示。

大蒜植株在劃莖過程中，扎進大蒜植株里的鋼針的絕對運動軌跡是機器前進速度與帶針鏈條的線速度疊加而成，其滿足關系

vt=vr+vs

(1)

式中vr——機器前進速度，m/s

vs——帶針鏈條線速度，m/s

vt——鋼針絕對速度，m/s

根據(jù)圖5a中三角關系可得

(2)

式中α——帶針鏈條旋轉平面與水平面之間夾角，(°)

β——帶針鏈條旋轉平面與鋼針絕對速度之間夾角，(°)

化簡得

(3)

由式(3)可知，當K<1時，即vs

為保證帶針鏈條高效可靠地工作，參考莖葉類夾持輸送機構傾角范圍為20°～30°[21]，設計α為25°，β為75°。當機器前進速度為0.24 m/s時，帶針鏈條的線速度應為0.26 m/s，此時處于最佳的劃莖狀態(tài)。

當鋼針在理想狀態(tài)下進行劃莖作業(yè)時，對大蒜植株受力分析，如圖5b所示，大蒜植株受鋼針的拉力(其拉力方向與鋼針的絕對運動方向一致)、土壤的拉力及自身重力，三力平衡。其滿足關系

F1=F+G

(4)

式中F1——鋼針對大蒜植株的拉力，N

F——土壤對大蒜植株的拉力，N

G——大蒜植株自身重力，N

由式(4)可知，需要求鋼針的拉力小于大蒜植株能承受的最大拉力。鋼針對大蒜植株的拉力取決于鋼針扎入大蒜植株的根數(shù)和鋼針扎入大蒜植株的深度，其中鋼針的排列疏密已確定，對于同一株大蒜植株，鋼針扎入大蒜植株數(shù)量相同，鋼針扎入大蒜植株的深度由針鏈間隙決定。故對于同一株大蒜植株劃莖時，鋼針對大蒜植株的拉力由針鏈間隙決定，即針鏈間隙是影響劃莖質(zhì)量的一個關鍵因素。

3 拔薹裝置設計

3.1 裝置組成及設計原理

拔薹裝置主要完成將蒜薹從大蒜植株中拔出并輸送到集薹箱的過程，是蒜薹采摘機的關鍵部件之一，其結構參數(shù)直接影響到拔薹損傷率和成功拔薹率等多項性能指標。該裝置主要包括夾手、尼龍滑輪、槽板、外軌盤、內(nèi)軌盤、U形連接板、空心半軸、固定軸和滾筒等部件，其結構如圖6所示。其中兩空心半軸、兩滾筒側板、兩槽板與滾筒固連，隨齒輪轉動；外軌盤和內(nèi)軌盤通過3個U形連接板固連，內(nèi)軌盤與固定軸固連，固定軸穿過空心半軸通過扇形調(diào)節(jié)板與機架固連。

該拔薹裝置采用一端傳動方式，通過一對齒輪將動力通過半軸傳遞到滾筒，帶動滾筒向后旋轉，達到機械夾手的動力需求。夾手臂構成菱形，一個鉸接點固定在滾筒上，其對角線上的鉸接點固定在同步軸上，同步軸兩端安裝有尼龍滑輪，尼龍滑輪被限制在內(nèi)外軌盤組成的凸輪槽內(nèi)，槽板限制滑輪只能相對滾筒作徑向運動。當滾筒轉動時，槽板也隨之轉動，尼龍滑輪被迫在內(nèi)外軌盤組成的凸輪槽內(nèi)移動，使夾手臂構成的菱形沿滾筒徑向對角線改變，從而控制夾手的開閉，完成對蒜薹的拔取和輸送過程。夾手工作原理如圖7所示。

綜合考慮機架寬度、大蒜植株行距及內(nèi)部零件尺寸，設計滾筒長度為620 mm，直徑為300 mm。測量未被假莖包裹的蒜薹距地高度為300～650 mm，以此設計滾筒安裝高度，滾筒中心軸線距地500 mm。滾筒圓周上均布安裝4套機械夾手，夾手隨著尼龍滑輪在凸輪槽內(nèi)移動，分別經(jīng)過4個區(qū)域：閉合區(qū)域、逐漸張開、張開區(qū)域和逐漸閉合。為保證夾手夾持住蒜薹后，能順利將其從大蒜植株中拔出并向后輸送一段距離，需保證夾手在閉合狀態(tài)維持一定時間，綜合考慮夾手從滾筒前端夾起蒜薹到滾筒后端松開蒜薹的角度要求，減去夾手逐漸張開及逐漸閉合的過渡角度，設計閉合區(qū)域和張開區(qū)域相對應的扇形角度為120°，可通過轉動扇形調(diào)節(jié)板來調(diào)節(jié)4個區(qū)域的相對位置。夾手臂構成的菱形邊長為30 mm，當夾手處于閉合區(qū)域時，徑向菱形對角線長為50 mm，夾手臂工作部分夾角為0°；當夾手處于張開區(qū)域時，徑向菱形對角線長為30 mm，此時兩夾手臂工作部分頂端之間的距離是夾手拔薹范圍區(qū)域，因劃莖夾薹裝置具有將大蒜植株扶正對中的功能，所以夾手拔薹范圍不必太大，綜合考慮設計夾手拔薹范圍為100 mm，此時夾手臂工作部分夾角為51.6°。L形調(diào)節(jié)板通過螺栓固定在夾手臂上，其工作部分安裝有硅橡膠板，目的是在拔取蒜薹的過程中，減小對蒜薹的損傷。L形調(diào)節(jié)板上開有腰孔，可調(diào)節(jié)夾手間隙以滿足對不同直徑的蒜薹拔取要求。按照大蒜植株種植株距為100 mm的農(nóng)藝要求進行設計，要求在拔薹過程中，每次只能拔取一根蒜薹，即夾手工作部分長度需小于100 mm，以此設計硅橡膠板的長、寬、厚分別為70、30、5 mm。

3.2 滾筒轉速

目前，農(nóng)戶種植大蒜的行距及株距各不相同，為降低蒜薹采摘機的收獲難度，需與大蒜種植農(nóng)藝相結合，整機按大蒜植株種植株距為100 mm、行距為200 mm的農(nóng)藝要求進行設計。滾筒轉速與機器前進速度vr需滿足一定關系。當大蒜植株種植株距為100 mm時，則需保證機器前進100 mm，至少有一個機械夾手完成對蒜薹的拔取。因滾筒一周安裝有4個夾手，滾筒轉速在數(shù)值上需不小于10vr/4。當機器前進速度為0.24 m/s時，滾筒轉速需不小于0.6 r/s，即不小于36 r/min。

3.3 蒜薹夾持過程有限元分析

3.3.1材料參數(shù)測定

夾手接觸蒜薹的一面需要安裝柔性材料，該柔性材料要求具有一定的柔性，保證不會損傷蒜薹，也要具有一定的硬度，保證有適當?shù)膴A持力。綜合考慮，該柔性材料選擇硅橡膠[22-23]，硬度為50邵氏A，密度為1.3 g/cm3，彈性模量為2.14 MPa，泊松比為0.48。

蒜薹選用大蒜品種為徐蒜918，考慮到對蒜薹進行機械采摘時，包裹在假莖中的蒜薹不適于機械夾手夾持，最理想的夾持位置是未被假莖包裹的蒜薹底部，所以截取蒜薹此部分作為測量樣品。利用精度為0.1 g的電子天平和精度為1 mL的量筒測量計算其密度，利用干燥法測量其含水率，重復5次試驗取平均值，測得其密度為1.05 g/cm3，其含水率為88.5%。

事先將蒜薹截成長度為10 mm左右的試驗樣品，利用TA.XTC-16型質(zhì)構儀對試驗樣品進行壓縮試驗，如圖8所示。

配合使用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標卡尺，計算蒜薹徑向能承受的最大壓應力σm、彈性模量E和泊松比μ，重復5次取平均值，分別得到σm=0.81 MPa，E=1.69 MPa，μ=0.44。

3.3.2仿真建模及結果分析

通過ANSYS 19.1軟件對硅橡膠板的夾薹過程進行仿真分析，確定合適的夾薹間隙[24-27]。首先在ANSYS Workbench中新建一個模型，在其Geometry中建立硅橡膠板和蒜薹三維模型，隨機測量15株蒜薹被假莖包裹最高點的直徑，其范圍為4.8～6.3 mm，其平均值為5.6 mm，為保證大多數(shù)蒜薹不被硅橡膠板夾傷，建模蒜薹直徑取6 mm。建模硅橡膠板的長、寬、厚分別取20、30、5 mm。然后在ANSYS的Engineering Date中新建兩種材料，分別將硅橡膠和蒜薹的參數(shù)輸入，在Model中賦予三維模型這兩種材料屬性，同時添加接觸及邊界約束條件。當硅橡膠板對蒜薹夾緊，夾薹間隙分別為1 mm和2 mm時，蒜薹和硅橡膠板的等效應力分布云圖如圖9所示。

從圖9a可以看出，當夾薹間隙為1 mm時，蒜薹的最大等效應力為0.916 83 MPa，大于蒜薹徑向能承受的最大壓應力σm=0.81 MPa，故蒜薹可能出現(xiàn)被夾傷的現(xiàn)象；從圖9b可以看出，當夾薹間隙為2 mm時，蒜薹的最大等效應力為0.746 07 MPa，小于蒜薹徑向能承受的最大壓應力σm=0.81 MPa，故蒜薹不會出現(xiàn)被夾傷的現(xiàn)象。綜合考慮，在保證蒜薹不被硅橡膠板夾傷的情況下，硅橡膠板對蒜薹的夾持力越大越好，提高蒜薹被抽出的可靠性，故設定夾薹間隙為2 mm。通過試驗驗證在夾薹間隙為2 mm時，使用硅橡膠板夾持蒜薹不會出現(xiàn)被夾傷的現(xiàn)象且滿足蒜薹拔出夾持力的要求，驗證了仿真結果的準確性。

4 試驗

4.1 試驗材料與方法

根據(jù)GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》試驗方法，于2021年4月在自行搭建的試驗臺上，對蒜薹采摘機(圖10)進行臺架試驗，試驗地點為河南省孟津縣，每組試驗使用50株大蒜，固定株距為100 mm。以徐蒜918為試驗對象，待蒜薹處于成熟期和拔薹期時，挑選長勢均勻、莖葉茂盛及生長狀況良好的大蒜植株作為試驗物料，測量統(tǒng)計大蒜植株平均自然高度為583 mm，蒜薹被假莖包裹最高點平均自然高度為386 mm，蒜薹被假莖包裹最高點平均直徑為5.6 mm，大蒜植株平均健康葉子數(shù)量為5.4個。

4.2 試驗因素與指標

在前期試驗觀察和理論分析基礎上，選取與機器工作性能密切相關的針鏈間隙(兩平行針鏈針尖之間的距離)、滾筒轉速和夾手閉合起始角(機械夾手剛開始閉合點與滾筒中心的連線和豎直方向的夾角)為試驗因素。經(jīng)過市場調(diào)研，蒜薹采摘機工作要求應該滿足：蒜薹從夾盤夾斷點以上被全部拔出，保證拔出蒜薹有一定的長度；蒜薹被拔出后不應該有機械損傷，保證蒜薹能夠方便儲存；拔薹后大蒜植株上完整留葉數(shù)應該在兩個以上，保證蒜頭還能繼續(xù)存活。因此選取成功拔薹率y1、拔薹損傷率y2和留葉合格率y3為試驗指標。

4.3 試驗方案與結果分析

4.3.1試驗方案與結果

采用二次回歸正交旋轉組合設計方法進行試驗，根據(jù)樣機實際工作情況，結合理論分析及單因素試驗結果，確定針鏈間隙范圍2～6 mm、滾筒轉速范圍36～66 r/min和夾手閉合起始角范圍50°～90°，以此設計試驗因素編碼如表2所示。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Coding of test factors

表3 試驗方案與結果Tab.3 Scheme and results of experiment

在試驗過程中，嚴格控制試驗因素外的其他結構參數(shù)一致性，避免其他無關因素對試驗指標造成影響。為方便對試驗過程的觀察，統(tǒng)一設定每次機器前進速度為0.24 m/s。試驗結束后，在收集統(tǒng)計的過程中應避免人為因素對蒜薹造成二次損傷，確保試驗結果的準確性。每個因素組合方案進行3次重復試驗，分別測定成功拔薹率、拔薹損傷率和留葉合格率，然后取平均值，其試驗方案與結果如表3所示[28]。X1、X2和X3為針鏈間隙x1、滾筒轉速x2和夾手閉合起始角x3的編碼值。通過對試驗數(shù)據(jù)的顯著性分析，對各因素組合進行優(yōu)化求解，分析因素交互作用對各指標的影響規(guī)律，得到最優(yōu)的因素組合，并進行試驗驗證。

4.3.2試驗結果分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對表3中試驗數(shù)據(jù)進行二次回歸分析，對各指標進行多元回歸擬合，得到試驗因素針鏈間隙、滾筒轉速和夾手閉合起始角與試驗指標成功拔薹率y1、拔薹損傷率y2、留葉合格率y3的函數(shù)關系，并進行顯著性檢驗[29]。各指標的方差分析結果如表4所示[30-31]。

表4 方差分析Tab.4 Analysis result of variance

(1)成功拔薹率y1

(5)

對方程(5)進行失擬檢驗，失擬項的P值為0.623 6(P>0.1)，說明模型擬合程度很高。模型的P值小于0.000 1(P<0.01)，表明模型極其顯著。其決定系數(shù)R2為0.869 8，表明86%以上響應值均可以由這個模型解釋，因此，回歸方程能夠比較準確地對該裝置的成功拔薹率指標進行預測。

(2)拔薹損傷率y2

(6)

對方程(6)進行失擬檢驗，失擬項的P值為0.681 8(P>0.1)，說明模型擬合程度很高。模型的P值為0.001(P<0.01)，表明模型極其顯著。其決定系數(shù)R2為0.717 4，表明71%以上響應值均可以由這個模型解釋，因此，回歸方程能夠比較準確地對該裝置的拔薹損傷率指標進行預測。

(3)留葉合格率y3

(7)

對方程(7)進行失擬檢驗，失擬項的P值為0.233 0(P>0.1)，說明模型擬合程度很高。模型的P值為0.000 5(P<0.01)，表明模型極其顯著。其決定系數(shù)R2為0.700 1，表明70%以上響應值均可以由這個模型解釋，因此，回歸方程能夠比較準確地對該裝置的留葉合格率指標進行預測。

4.3.3響應曲面分析

根據(jù)式(5)～(7)，通過Design-Expert 8.0.6軟件繪制出各試驗因素之間顯著交互作用對各指標影響的響應曲面，如圖11所示。

由圖11a可知，當針鏈間隙分別處于較高或較低水平時，夾手閉合起始角升高對成功拔薹率影響的變化趨勢不同，說明兩因素的交互作用對成功拔薹率影響顯著，并且夾手閉合起始角對成功拔薹率影響高于針鏈間隙，與方差分析結果一致。當針鏈間隙處于較低水平時，夾手閉合起始角起主導作用，因為此時針鏈間隙較小，對大蒜植株的劃莖效果較好，隨著夾手閉合起始角增大，夾手夾住葉子的概率降低，成功拔薹率逐漸升高；當針鏈間隙處于較高水平時，針鏈間隙起主導作用，因為此時針鏈間隙較大，對大蒜植株的劃莖效果較差，隨著夾手閉合起始角增大，夾手夾住葉子的概率降低，但蒜薹被拔斷的概率增加，導致成功拔薹率變化不明顯。

由圖11b可知，當滾筒轉速分別處于較高或較低水平時，針鏈間隙升高對拔薹損傷率影響的變化趨勢不同，說明兩因素的交互作用對拔薹損傷率影響顯著，并且針鏈間隙對拔薹損傷率影響高于滾筒轉速，與方差分析結果一致。當滾筒轉速處于較低水平時，隨著針鏈間隙的增大，針鏈對蒜薹的劃傷減小，但夾手對蒜薹的拔斷概率增加，導致拔薹損傷率變化不明顯；當滾筒轉速處于較高水平時，此時蒜薹與機架的碰撞程度加大，增加了蒜薹的損傷，隨著針鏈間隙的增大，減小了針鏈對蒜薹的劃傷，拔薹損傷率逐漸降低。

由圖11c可知，當針鏈間隙分別處于較高或較低水平時，夾手閉合起始角升高對留葉合格率影響的變化趨勢不同，說明兩因素的交互作用對留葉合格率影響顯著，并且針鏈間隙對留葉合格率影響高于夾手閉合起始角，與方差分析結果一致。當針鏈間隙處于較低水平時，夾手閉合起始角起主導作用，因為此時針鏈間隙較小，對大蒜植株的劃莖效果較好，隨著夾手閉合起始角增大，夾手夾住葉子的概率降低，留葉合格率逐漸升高；當針鏈間隙處于較高水平時，針鏈間隙起主導作用，隨著夾手閉合起始角增大，雖然夾手夾住葉子的概率降低，但因大蒜植株的劃莖效果較差，拔薹時更容易將夾盤夾斷點以上的包裹葉一起拔出，導致留葉合格率變化不明顯。

4.3.4參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

根據(jù)成功拔薹率y1、拔薹損傷率y2和留葉合格率y3的數(shù)學模型，可以在約束條件范圍內(nèi)對仿生蒜薹采摘機的試驗因素進行優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)組合并對回歸模型進行檢驗。以最大成功拔薹率、最小拔薹損傷率和最大留葉合格率為評價指標，建立優(yōu)化數(shù)學模型為

(8)

通過Design-Expert 8.0.6軟件對其優(yōu)化，其中成功拔薹率y1、拔薹損傷率y2和留葉合格率y3的權重分別為0.3、0.4和0.3，分析得到最優(yōu)參數(shù)組合為：針鏈間隙3.92 mm、滾筒轉速48.32 r/min和夾手閉合起止角78.53°，此時的成功拔薹率、拔薹損傷率和留葉合格率分別為89.10%、20.55%和77.34%。在實際操作中，為方便參數(shù)的調(diào)節(jié)，各參數(shù)取整得到最優(yōu)參數(shù)組合為：針鏈間隙4 mm、滾筒轉速48 r/min和夾手閉合起止角79°。

為了驗證優(yōu)化結果的可行性，對取整后最優(yōu)參數(shù)組合進行田間驗證試驗，每組試驗100株大蒜，保證其他因素不變的情況下，重復3次取平均值，試驗驗證結果如表5所示，即成功拔薹率、拔薹損傷率和留葉合格率分別為90%、22%和75%，與最優(yōu)參數(shù)組合預測值接近。

表5 試驗驗證結果Tab.5 Verification tests results %

5 結論

(1)基于傳統(tǒng)人工采摘蒜薹的方法，設計一種蒜薹采摘機，通過劃莖夾薹裝置完成大蒜植株的劃莖及將蒜薹從底部夾斷的過程，通過拔薹裝置完成蒜薹的拔出與輸送過程，各部件之間銜接緊密，有效地提高了采摘蒜薹的可靠性。

(2)根據(jù)蒜薹及大蒜植株的物理特性參數(shù)，設計了劃莖夾薹裝置和拔薹裝置的結構參數(shù)；通過理論分析，確定了帶針鏈條及滾筒的轉速范圍；對硅橡膠板夾薹過程進行ANSYS仿真分析，確定了夾薹間隙為2 mm。

(3)由三元二次正交旋轉組合試驗得最優(yōu)參數(shù)組合為：針鏈間隙3.92 mm、滾筒轉速48.32 r/min和夾手閉合起始角78.53°，此時的成功拔薹率、拔薹損傷率和留葉合格率分別為89.10%、20.55%和77.34%。對取整后最優(yōu)參數(shù)組合進行田間驗證試驗，證明了最優(yōu)參數(shù)組合的可靠性。