劉志遠(yuǎn) 金誠謙 袁文勝 馮玉崗 袁建明

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014； 2.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院， 武漢 430063)

0 引言

鮮食大豆俗稱毛豆，也稱青大豆，是種子在鼓粒盛期至初熟期作為一種蔬菜來采摘的大豆類型。20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)鮮食大豆的需求量不斷增加，從事鮮食大豆相關(guān)生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)增多，依靠傳統(tǒng)手工采摘豆莢這種方式成本高，效率低，嚴(yán)重制約著國內(nèi)鮮食大豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。因此，研發(fā)鮮食大豆收獲機(jī)械裝備，應(yīng)用推廣高效率、高質(zhì)量機(jī)械化收獲方式具有十分重要的意義。

鮮食大豆的收獲主要是采摘收集豆莢，收獲形式主要分為割后場(chǎng)上脫莢和田間直接脫莢等。在土地條件較差或種植模式不適合機(jī)器田間作業(yè)的地區(qū)，需要收割植株后再集中進(jìn)行脫莢。因此，鮮食大豆場(chǎng)上脫莢機(jī)具得到研發(fā)和應(yīng)用。場(chǎng)上脫莢機(jī)主要是由電機(jī)提供動(dòng)力，脫莢機(jī)構(gòu)將豆莢和豆葉一起從植株上脫下，再進(jìn)行篩選獲取干凈豆莢。秦廣明等[2]設(shè)計(jì)了5TD60型青大豆脫莢機(jī)，采用雙對(duì)輥脫莢機(jī)構(gòu)，與送料方向呈45°和70°夾角的兩對(duì)脫莢輥分次脫莢。王福義[3]設(shè)計(jì)了5MDZJ-380-1400型鮮食大豆摘莢機(jī)器，帶有橡膠指的滾筒與夾持機(jī)構(gòu)呈一定角度，實(shí)現(xiàn)由滾筒上膠指從株頂?shù)礁渴崦摱骨v的功能。場(chǎng)上脫莢機(jī)需要人工單株喂料，效率較低，且前期收割運(yùn)輸費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在提高鮮食大豆收獲效率方面作用有限。

與其它莢果類作物收獲機(jī)械發(fā)展相似[4-5]，效率更高的田間聯(lián)合收獲方式逐漸得到了重視和發(fā)展。莢果類作物聯(lián)合收獲采摘機(jī)構(gòu)通常可分為臥式滾筒機(jī)構(gòu)[6-8]和立式對(duì)輥機(jī)構(gòu)[9-11]，立式對(duì)輥機(jī)構(gòu)為對(duì)行作業(yè)，植株從輥間隙通過，在脫莢輥高速旋轉(zhuǎn)擊打和螺旋摘捋作用下分離莢果和莖稈。趙映等[12]對(duì)立式輥脫莢裝置構(gòu)建了莢-柄分離力學(xué)模型，確定了脫莢輥轉(zhuǎn)速、喂料速度和對(duì)輥間距為影響脫莢率和破損率的主要因素，并得出了因素最優(yōu)參數(shù)組合。金月等[13]對(duì)脫莢輥傾斜角度和類型做了試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明最佳輥型為螺旋式，傾斜角度為30°。大豆常采用起壟種植模式，使用不同種植和田間管理機(jī)械會(huì)造成行距不一致[14-16]，而立式對(duì)輥結(jié)構(gòu)受制于種植間距不一，很難有效同時(shí)多行采摘。于是兼具高效率和高適應(yīng)性的臥式滾筒機(jī)構(gòu)得到了更多的研究。MBUVI等[17]和ZANDONAD等[18]分別采用不同型號(hào)的滾筒式豌豆聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行鮮食大豆收獲，損失率最高達(dá)到45%，對(duì)鮮食大豆作業(yè)效果不理想。于是對(duì)鮮食大豆聯(lián)合收獲專用采摘裝置進(jìn)行研究。張凱等[19]設(shè)計(jì)了一種梳齒滾筒式采摘裝置虛擬樣機(jī)，對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡做出了模擬。王顯峰[20]對(duì)自走式鮮食大豆摘莢機(jī)進(jìn)行了整體初步設(shè)計(jì)，采摘裝置采用彈齒滾筒形式，并對(duì)彈齒排數(shù)和滾筒直徑取值進(jìn)行了初步分析，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺少理論依據(jù)，主要參數(shù)未得到試驗(yàn)驗(yàn)證。涂福泉等[21]設(shè)計(jì)了雙彈指采摘裝置，固定彈指和受偏心輪槽作用的伸縮彈指相互配合，用來模擬人工慢速采摘豆莢，但仍停留在虛擬樣機(jī)階段，實(shí)際作業(yè)效果未得到有效驗(yàn)證。

綜上所述，目前國內(nèi)針對(duì)鮮食大豆聯(lián)合收獲專用采摘裝置的研究大多停留在設(shè)計(jì)研發(fā)階段，所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)仍為虛擬樣機(jī)，其結(jié)構(gòu)合理性及作業(yè)效果未得到有效的驗(yàn)證。本文根據(jù)鮮食大豆種植模式和物理特性設(shè)計(jì)了彈齒滾筒式采摘機(jī)構(gòu)，對(duì)采摘裝置具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并通過實(shí)際試驗(yàn)優(yōu)化裝置工作參數(shù)，驗(yàn)證彈齒滾筒采摘裝置作業(yè)效果。以期為彈齒滾筒式鮮食大豆收獲裝備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 鮮食大豆植株物理特性參數(shù)

國內(nèi)鮮食大豆種植區(qū)域主要分布在江蘇、浙江、福建、東北、海南等地區(qū)[22]。選取測(cè)試的品種為浙江省慈溪市種植的“浙鮮86”，生育期75 d，采用起壟種植，于2020年7月7日選取長勢(shì)一致良好的田塊，采用五點(diǎn)法取樣，每個(gè)取樣點(diǎn)15株鮮食大豆植株。利用卷尺(量程2 m，精度1 mm)、數(shù)顯游標(biāo)卡尺(量程200 mm, 精度0.01 mm)、UTM6503型電子材料萬能試驗(yàn)機(jī)(傳感器規(guī)格為5 kN，位移分辨率為0.01 mm，加載速率為0.01～500 mm/min)等儀器進(jìn)行生長特性和物理特性測(cè)量(圖1)，得到參數(shù)如表1所示。莢-柄分離力為14.3 N，標(biāo)準(zhǔn)差為3.8 N，變異系數(shù)為26.6%。

圖1 植株物理特性測(cè)量Fig.1 Measurement of plant physical properties

2 采摘裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 采摘裝置總體結(jié)構(gòu)和作業(yè)原理

采摘機(jī)構(gòu)是鮮食大豆聯(lián)合收獲機(jī)的核心裝置，工作原理通常是用齒形梳刷的機(jī)構(gòu)將豆莢從植株上分離。生產(chǎn)應(yīng)用中，具有相似功能的梳刷齒形按結(jié)構(gòu)不同主要有梳齒滾筒、釘齒滾筒和彈齒滾筒等幾種。對(duì)比幾種結(jié)構(gòu)分別收獲洋甘菊、野生藍(lán)莓、辣椒等作物的效果，梳齒容易造成植物堵塞齒隙影響收獲，釘齒則容易損傷果莢，因此鮮食大豆收獲采用彈齒滾筒結(jié)構(gòu)來減少堵塞和損傷[23-27]。彈齒滾筒式采摘機(jī)構(gòu)總體由液壓機(jī)構(gòu)、分禾機(jī)構(gòu)、彈齒滾筒、罩殼、地輥等部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 鮮食大豆植株物理特性參數(shù)Tab.1 Vegetable soybean plants physical characteristics parameters

圖2 彈齒滾筒式鮮食大豆收獲機(jī)采摘機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of picking mechanism of spring-tooth drum vegetable soybean harvester1.分禾機(jī)構(gòu) 2.上蓋板 3.彈齒滾筒 4.地輥 5.側(cè)擋板 6、7.液壓裝置

工作原理如圖3所示，作業(yè)時(shí)機(jī)具向右前進(jìn)，滾筒逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。滾筒上的彈齒對(duì)豆莢產(chǎn)生由下向上的擊打作用力，使豆莢產(chǎn)生瞬時(shí)加速，沖擊力克服豆莢和莖稈之間的結(jié)合力，使豆莢從植株上分離。整個(gè)采收過程彈齒滾筒功能區(qū)分為4部分: ①a～b為接觸擊打區(qū)域，彈齒和豆莢接觸，通過擊打梳脫使豆莢和莖稈分開。②b～c為攜帶輸送區(qū)域，脫落的豆莢依靠慣性進(jìn)入滾筒上半部，在上蓋板滾筒之間，豆莢被攜帶到采摘臺(tái)后方。③c～d為卸料拋送區(qū)域，豆莢逐漸和彈齒分離，拋送到后下方輸送帶上。④d～a為空回區(qū)域，彈齒基本不與豆莢接觸。梳脫后的植株主莖稈仍留在地上，葉片、豆莢、分枝則被滾筒攜帶拋送到后方傳送帶上，進(jìn)入后續(xù)清選收集工作。

圖3 鮮食大豆彈齒滾筒采摘機(jī)構(gòu)作業(yè)原理圖Fig.3 Schematic of picking pods by spring-tooth drum mechanism1.彈齒滾筒 2.鮮食大豆植株 3.彈齒-底莢接觸點(diǎn)

2.2 彈齒滾筒參數(shù)設(shè)計(jì)及影響因素確定

2.2.1彈齒滾筒參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1.1滾筒半徑

鮮食大豆豆莢主要分布在植株中間，為確保采摘區(qū)域能夠覆蓋所有結(jié)莢區(qū)域，滾筒上彈齒端點(diǎn)到軸心的半徑(簡稱滾筒半徑R)應(yīng)適應(yīng)植株物理特性。滾筒半徑由結(jié)莢區(qū)域高度、底莢高度、彈齒和底莢接觸位置、滾筒距地高度等決定，為了擊脫后的豆莢不被彈出滾筒，能夠依靠慣性進(jìn)入上部的攜帶輸送區(qū)域，彈齒和底莢的接觸點(diǎn)應(yīng)在和彈齒最低點(diǎn)呈角度θ的點(diǎn)a(圖3)處，彈齒最低點(diǎn)應(yīng)低于底莢高度。且為避免發(fā)生鏟土現(xiàn)象，彈齒最低點(diǎn)與地面之間需要留有一定距離，滿足

(1)

式中H1——底莢高度，mm

為使?jié)L筒半徑能夠覆蓋整個(gè)結(jié)莢區(qū)域，需要滿足

Rcosθ≥H2

(2)

式中H2——結(jié)莢范圍高度，mm

整理可得滾筒半徑R的取值范圍為

(3)

此時(shí)，彈齒最低點(diǎn)距離地面高度為

H3=H1-(R-Rcosθ)

(4)

式中H3——彈齒最低點(diǎn)距地高度，mm

根據(jù)表1中所測(cè)量統(tǒng)計(jì)的物理參數(shù)，鮮食大豆植株結(jié)莢范圍長度H2定為28 cm，底莢高度H1定為10 cm。根據(jù)式(3)可以計(jì)算出角度θ需要小于42°。根據(jù)式(4)可知，當(dāng)滾筒半徑一定時(shí)，θ越大則距地高度越小，因此θ不宜過大，此處θ取 30°。滾筒半徑R的取值范圍為32.3～75.2 cm。當(dāng)θ為30°，距地高度5 cm，綜合考慮整體結(jié)構(gòu)尺寸，選取滾筒半徑R為40 cm。

2.2.1.2彈齒結(jié)構(gòu)

如圖4所示，滾筒上沿圓周均勻分布N排彈齒，彈齒由螺栓連接在固定梁上。彈齒可視為懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖4 滾筒結(jié)構(gòu)和彈齒布局Fig.4 Drum construction and spring tooth arrangement1.彈齒約束軸 2.滾筒軸 3.彈齒梁 4.彈齒

圖5 彈齒受力分析Fig.5 Force analysis of spring teeth1.彈齒梁 2.彈齒約束軸 3.彈齒

受外部周期沖擊載荷，正常工作時(shí)總沖擊載荷F可表示為

F=F1+F2+F3

(5)

式中F1——彈齒和植株摩擦力，N

F2——葉片莖稈阻力，N

F3——彈齒和豆莢碰撞力，N

彈齒所受彎矩M可表示為

M=L1Fcosφ

(6)

式中L1——彈齒端點(diǎn)到根部的力臂，cm

φ——合力與力臂法向夾角，(°)

彈齒端點(diǎn)撓度δ為

(7)

(8)

式中E——彈齒材料彈性模量，MPa

I——彈齒截面慣性矩，mm4

d——彈齒直徑，mm

最大靜應(yīng)力σ為

(9)

(10)

式中W——抗彎截面系數(shù)，mm3

彈齒材料為65 Mn彈簧鋼，楊氏模量為1.97×1011MPa，L1為20 cm，直徑為5 mm。彈齒所受合力來源主要是和豆莢碰撞克服莢-柄斷裂的力，由前期試驗(yàn)知莢柄斷裂需要的力為9～18 N，取最大值的1.5倍，在此記合力Fcosφ為27 N。根據(jù)式(7)計(jì)算出彈齒前端沖擊點(diǎn)靜撓度為10.86 mm。根據(jù)式(9)計(jì)算出彈齒根部最大靜應(yīng)力為407 MPa。為提高彈齒使用壽命，每排彈齒都通過約束軸來減小沖擊力臂(L2為彈齒端點(diǎn)到約束軸的力臂，cm)，限制彈齒的最大形變，減少彈齒根部應(yīng)力集中。

鮮食大豆行距40 cm，為了一次能夠收獲兩行豆莢，滾筒長度定為800 mm。彈齒間距為80 mm，相鄰兩排之間的彈齒錯(cuò)開布置。

豆莢橫向主要成簇集中在主莖干四周，為確保作業(yè)時(shí)每株豆莢都能梳脫干凈，需要多次擊打同一植株結(jié)莢區(qū)域。滾筒經(jīng)過植株結(jié)莢區(qū)域時(shí)間t可表示為

(11)

式中O——結(jié)莢區(qū)域?qū)挾龋琧m

vf——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

在此期間滾筒轉(zhuǎn)過角度λ為

(12)

式中ω——滾筒角速度，rad/s

設(shè)每簇豆莢經(jīng)過彈齒n次擊打能夠采摘干凈，則滾筒上彈齒總排數(shù)N和n之間關(guān)系可表示為

(13)

參考表1結(jié)莢區(qū)域?qū)挾萇定為8 cm，機(jī)具前進(jìn)速度參考一般收獲機(jī)械選為3 km/h，則彈齒總排數(shù)N和擊打次數(shù)n成正比，和滾筒轉(zhuǎn)速成反比。經(jīng)過彈齒擊打豆莢初步試驗(yàn)測(cè)試可知，當(dāng)彈齒線速度超過10 m/s時(shí)，豆莢破損率明顯增加。因此，滾筒轉(zhuǎn)速選擇較小值200 r/min，此時(shí)N可表示為

N=3n

(14)

由于鮮食大豆豆莢分布密集，為了較好的采摘效果，此處選取較大值n為6，則彈齒總排數(shù)定為18排。

2.2.2作業(yè)效果影響因素

為了豆莢能夠被有效的收集，需要對(duì)最底部豆莢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，底莢應(yīng)能夠順利進(jìn)入滾筒和上蓋板覆蓋區(qū)域。如圖6，彈齒在接觸豆莢時(shí)的速度是由跟隨滾筒旋轉(zhuǎn)和機(jī)具前進(jìn)兩部分速度合成的，即

vt=vr+vf

(15)

其中

vr=2πωR

(16)

(17)

式中vr——彈齒端點(diǎn)切向速度，m/s

vt——vr和vf的合速度，m/s

圖6 底莢運(yùn)動(dòng)方向示意圖Fig.6 Schematic of bottom pod velocity1.底莢 2.彈齒

撞擊后豆莢速度方向和彈齒速度一致，豆莢速度vp可表示為

vp=Kvt

(18)

式中K為系數(shù)，豆莢速度的水平和豎直分量分別表示為

vpx=vpcosβ=Kvtcosβvpy=vpsinβ=Kvtsinβ

(19)

式中β——豆莢速度和水平線夾角，(°)

如圖3，要使最底部豆莢不被彈出掉落在地，則底莢相對(duì)蓋板點(diǎn)b平位移為s時(shí)，相對(duì)蓋板點(diǎn)b處豎直位移Sy大于豎直距離Rcosθ。S和時(shí)間t1之間關(guān)系可表示為

S=vpxt1-vft1

(20)

(21)

在t1時(shí)間內(nèi)，底莢相對(duì)蓋板點(diǎn)b豎直距離和豎直位移關(guān)系式為

(22)

由式(22)可知，豎直位移Sy是與彈齒速度vt及機(jī)具前進(jìn)速度vf相關(guān)的函數(shù)，vt又與滾筒角速度ω、機(jī)具前進(jìn)速度vf、距地高度H3相關(guān)，因此可推出影響機(jī)具采收性能主要影響因素為滾筒轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度、割臺(tái)距地高度。為驗(yàn)證理論分析，提高采摘裝置作業(yè)性能，對(duì)齒滾筒式采摘裝置進(jìn)行單因素和多因素試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

2021年11月在浙江省杭州市蕭山區(qū)選取適收期“浙鮮86”鮮食大豆植株作為試驗(yàn)材料，選取的田塊鮮食大豆產(chǎn)量為11 250 kg/hm2，平均株高46.3 cm，平均底莢高度9.6 cm。試驗(yàn)儀器有自主設(shè)計(jì)彈齒滾筒采摘試驗(yàn)臺(tái)(圖7)、AR926型轉(zhuǎn)速表、電子天平、游標(biāo)卡尺(精度0.02 mm)、50 m皮尺、網(wǎng)袋等。每次試驗(yàn)夾持機(jī)構(gòu)固定3株植株，株距25 cm，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送帶并帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)按要求速度直線運(yùn)動(dòng)，變頻器調(diào)節(jié)頻率改變?nèi)嚯姍C(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒的轉(zhuǎn)速。

圖7 試驗(yàn)臺(tái)架和作業(yè)場(chǎng)景Fig.7 Photo of test bench and its working scene

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.2.1試驗(yàn)因素與指標(biāo)

試驗(yàn)因素選取前進(jìn)速度(物料進(jìn)給速度)、滾筒轉(zhuǎn)速、割臺(tái)高度。選取的試驗(yàn)指標(biāo)為豆莢掉落率Y1、掛枝率Y2和破損率Y3，分別表示為

(23)

(24)

(25)

總損失率YT為

YT=Y1+Y2+Y3

(26)

式中MT——每次試驗(yàn)全部豆莢總質(zhì)量，g

ML——每次試驗(yàn)后掉落地面上豆莢總質(zhì)量，g

MB——每次試驗(yàn)后仍和莖稈連接的豆莢總質(zhì)量，g

MD——每次試驗(yàn)后收集到的豆莢中破損豆莢質(zhì)量，g

3.2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方案采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)[28-30]，用多元二次方程來擬合因素和響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過對(duì)回歸方程的分析來尋求最優(yōu)參數(shù)組合，評(píng)估多因素的非線性影響。

對(duì)3個(gè)因素進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，并選取總損失率相對(duì)較低區(qū)域?qū)?yīng)的因素取值范圍，作為多因素組合試驗(yàn)參數(shù)范圍。預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明在前進(jìn)速度0.2～0.6 m/s，滾筒轉(zhuǎn)速200～300 r/min，割臺(tái)高度4～8 cm范圍時(shí)，總體損失較低，以此作為參考，組合試驗(yàn)因素編碼如表2所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Test factors code

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

整體試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，表中X1、X2、X3為因素編碼值。

用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，回歸模型方差分析結(jié)果如表4所示。在回歸方程和因素顯著性分析的基礎(chǔ)上，通過Matlab軟件生成響應(yīng)面圖，可直觀反映各因素的交互作用對(duì)掉落率、掛枝率和破損率的影響。

(1)豆莢掉落率

表3 多因素組合試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Multi-factor combination test plan and results

(27)

前進(jìn)速度和滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)掉落率的影響如圖8a所示。保持滾筒轉(zhuǎn)速不變，掉落率隨前進(jìn)速度增加呈先降低后增加的趨勢(shì)；當(dāng)固定前進(jìn)速度時(shí)，掉落率隨滾筒轉(zhuǎn)速增加呈先降低后增加的趨勢(shì)。前進(jìn)速度從0.4 m/s逐漸增加，滾筒轉(zhuǎn)速從250 r/min逐漸降低，因素間交互作用導(dǎo)致掉落率顯著增加。前進(jìn)速度由低到高，對(duì)應(yīng)的掉落率最低點(diǎn)的滾筒轉(zhuǎn)速在250 r/min逐漸加大到280 r/min，在較大前進(jìn)速度工作時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大滾筒轉(zhuǎn)速。從整體看掉落率最低區(qū)域?qū)?yīng)的滾筒轉(zhuǎn)速在250 r/min附近，前進(jìn)速度在0.3 m/s附近。

前進(jìn)速度和割臺(tái)高度對(duì)掉落率的影響如圖8b所示。當(dāng)前進(jìn)速度和割臺(tái)高度同時(shí)增加時(shí)，交互作用會(huì)導(dǎo)致掉落率顯著增加。前進(jìn)速度不超過0.4 m/s時(shí)，前進(jìn)速度和割臺(tái)高度對(duì)掉落率影響均比較小。在較大前進(jìn)速度時(shí)，割臺(tái)高度的降低會(huì)顯著減小掉落率。整體來看，掉落率最低區(qū)域?qū)?yīng)的割臺(tái)高度在4 cm附近，前進(jìn)速度為0.4 m/s。因此在土地平整度較差田塊，可以適當(dāng)降低機(jī)具前進(jìn)速

表4 回歸模型方差分析Tab.4 Variance analysis of regression model

圖8 因素交互作用對(duì)掉落率影響的響應(yīng)曲面Fig.8 Response surfaces for effect of factor interactions on drop rate

度，增加割臺(tái)高度來保證收獲質(zhì)量。

滾筒轉(zhuǎn)速和割臺(tái)高度對(duì)掉落率的影響如圖8c所示。在割臺(tái)高度處于較大值時(shí)，掉落率隨滾筒轉(zhuǎn)速增加呈先降低后增加的趨勢(shì)；割臺(tái)高度處于較小值時(shí)，掉落率和滾筒轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，掉落率和割臺(tái)高度呈負(fù)相關(guān)，割臺(tái)高度的減小可以顯著降低掉落率。整體來看，掉落率最低時(shí)對(duì)應(yīng)的滾筒轉(zhuǎn)速在280 r/min附近，割臺(tái)高度在4 cm附近。

(2)豆莢掛枝率

由表4可知，掛枝率整個(gè)模型具有顯著性(p<0.000 1)。各參數(shù)的線性、二次效應(yīng)及其交互作用對(duì)于掛枝率影響的主次順序?yàn)閄2、X3、X1X2，其中X1X2影響顯著，X2、X3影響極顯著，其他因素不顯著。失擬項(xiàng)p=0.192，不顯著。剔除不顯著交互項(xiàng)后，掛枝率回歸方程為

Y2=5.79-0.12X1+1.28X2+0.72X3-0.51X1X2

(28)

前進(jìn)速度和滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)掛枝率的影響如圖9所示。較大的滾筒轉(zhuǎn)速下彈齒容易打斷植株主莖干，導(dǎo)致豆莢不能從莖稈上有效梳脫，從而造成掛枝率增加。在低滾筒轉(zhuǎn)速下，隨著前進(jìn)速度增加，彈齒的單株梳脫次數(shù)會(huì)降低，也會(huì)導(dǎo)致掛枝率增加。但在較高滾筒轉(zhuǎn)速下，彈齒的單株梳脫次數(shù)總能高于閾值，此時(shí)前進(jìn)速度的變化對(duì)掛枝率的影響則不顯著。從整體看當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為200 r/min附近，前進(jìn)速度為0.2 m/s左右時(shí)掛枝率存在最低值。

圖9 因素交互作用對(duì)掛枝率影響的響應(yīng)曲面(X3=0)Fig.9 Response surface for effect of factor interactions on branching rate

(3)豆莢破損率

由表4可知，破損率整個(gè)模型具有極顯著性(p<0.000 1)。各參數(shù)的線性、二次效應(yīng)及其交互作用對(duì)于破損率影響顯著的主次順序?yàn)閄2、X1X2、X1，其中X2影響極顯著，X1X2、X1影響顯著，其他因素不顯著。失擬項(xiàng)p=0.190 3，不顯著。剔除不顯著交互項(xiàng)后，破損率回歸方程為

Y3=6.02-0.45X1+2.31X2-0.11X3-0.59X1X2

(29)

前進(jìn)速度和滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)破損率的影響如圖10所示。在前進(jìn)速度小于0.4 m/s時(shí)，破損率和滾筒轉(zhuǎn)速基本呈負(fù)相關(guān)；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速大于250 r/min時(shí)前進(jìn)速度和破損率負(fù)相關(guān)，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速小于250 r/min時(shí)為正相關(guān)。減小前進(jìn)速度會(huì)增加彈齒和豆莢碰撞次數(shù)，增大滾筒轉(zhuǎn)速會(huì)增加彈齒擊打力，兩者交互導(dǎo)致破損率顯著增加。隨著前進(jìn)速度增加，滾筒轉(zhuǎn)速的改變對(duì)減少破損率的作用效果減弱，對(duì)應(yīng)的破損率最低值也逐漸有小幅度增加。從響應(yīng)面圖總體可看出，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為200 r/min附近，前進(jìn)速度為0.2 m/s左右時(shí)破損率最低。

圖10 因素交互作用對(duì)破損率影響的響應(yīng)曲面(X3=0)Fig.10 Response surface for effect of factor interactions on breakage rate

3.4 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.4.1參數(shù)優(yōu)化

為獲得彈齒滾筒式鮮食大豆采摘裝置的最優(yōu)性能參數(shù)組合，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)3個(gè)回歸模型進(jìn)行最優(yōu)值求解，總損失函數(shù)YT約束條件為

(30)

初始化粒子數(shù)100個(gè)，迭代500次，適應(yīng)度曲線如圖11所示?？倱p失率最低時(shí)，掉落率為10.6%，掛枝率為4.4%，破損率為5.6%，對(duì)應(yīng)的前進(jìn)速度為0.43 m/s，滾筒轉(zhuǎn)速為245 r/min，割臺(tái)高度為4 cm。

圖11 粒子群優(yōu)化適應(yīng)度曲線Fig.11 Particle swarm optimization fitness curves

3.4.2驗(yàn)證試驗(yàn)

(1)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)得到的最優(yōu)組合參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)材料和試驗(yàn)儀器與上述臺(tái)架試驗(yàn)保持一致，以前進(jìn)速度0.43 m/s、滾筒轉(zhuǎn)速245 r/min、割臺(tái)高度4 cm進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)共進(jìn)行10次。結(jié)果如表5所示，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值得出，掉落率11.1%，掛枝率4.7%，破損率5.2%，與理論預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差均不高于7.6%。通過方差分析，各評(píng)價(jià)指標(biāo)10次臺(tái)架試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值之間不具有顯著性差異(p>0.05)。

表5 臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比Tab.5 Comparison of bench verification test value and predicted value %

(2)大田試驗(yàn)驗(yàn)證

圖12 田間試驗(yàn)Fig.12 Field experiment pictures

2022年8月29—31日在浙江省杭州市蕭山區(qū)進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)地塊與臺(tái)架試驗(yàn)取樣地一致。以前進(jìn)速度0.43 m/s、滾筒轉(zhuǎn)速245 r/min、割臺(tái)高度4 cm進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示，每隔10 m采收為一組試驗(yàn)，共進(jìn)行10次重復(fù)試驗(yàn)。結(jié)果如表6所示，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值得出，掉落率為11.8%，掛枝率4.0%，破損率6.1%。與理論預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差均不高于10.1%。通過方差分析，各評(píng)價(jià)指標(biāo)10次田間試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值之間不具有顯著性差異(p>0.05)。

表6 田間驗(yàn)證試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比Tab.6 Comparison of field validation test values and predicted values %

4 結(jié)論

(1)結(jié)合鮮食大豆種植模式和采摘期植株物理特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種彈齒滾筒式鮮食大豆采摘裝置。影響采摘因素主要為前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速、割臺(tái)高度，采摘損失主要為掉落、掛枝和破損。各參數(shù)的合適調(diào)節(jié)范圍為：前進(jìn)速度0.2～0.6 m/s、滾筒轉(zhuǎn)速200～300 r/min、割臺(tái)高度4～8 cm。

(2)分別建立了掉落率、掛枝率和破損率與因素間的數(shù)學(xué)模型。各因素對(duì)掉落率和掛枝率指標(biāo)的影響依次為：滾筒轉(zhuǎn)速、割臺(tái)高度、前進(jìn)速度；對(duì)破損率指標(biāo)的影響依次為：滾筒轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、割臺(tái)高度。以總損失最低為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明：最優(yōu)參數(shù)組合為前進(jìn)速度0.43 m/s、滾筒轉(zhuǎn)速245 r/min、割臺(tái)高度4 cm，掉落率、掛枝率和破損率田間試驗(yàn)值分別為11.8%、4.0%、6.1%。