孔德剛，江達(dá)，江東博，弋景剛，孫立成，王鵬飛

(1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河北保定,071001; 2. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院,河北保定,071001)

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械對(duì)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、增加農(nóng)民收入等具有重要意義[1-2]。其中小型水果產(chǎn)量大,形狀一般為類橢球狀,如冬棗、草莓、桂圓、金桔、楊梅、李子、圣女果、杏等,采收工作是整個(gè)生產(chǎn)鏈最耗時(shí)、費(fèi)力的環(huán)節(jié)[3-4]。采收工作存在單體數(shù)量多、效率低、登高采收危險(xiǎn)系數(shù)大、機(jī)械化水平低的問(wèn)題[5-6]。因此,急需設(shè)計(jì)一種小型水果采收裝置以提高我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)具機(jī)械化程度[7-9]。

挪威生命科學(xué)大學(xué)與Noronn公司研發(fā)的采摘機(jī)器人[10-11],通過(guò)包裹切割式末端執(zhí)行器將果梗剪斷,并吸入收集果實(shí);美國(guó)加州柑橘研究委員會(huì)和華盛頓蘋果委員會(huì)合作研發(fā)的水果采摘機(jī)器人依靠液壓技術(shù)和數(shù)字成像,使機(jī)械手臂具有近似人手的靈敏度,可檢測(cè)果實(shí)位置及果實(shí)成熟度并完成優(yōu)質(zhì)果實(shí)采摘。張振亞[12]使用固定帶固定在棗樹(shù)上,通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)棗樹(shù)振動(dòng),使冬棗掉落;河北農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的剛?cè)峄炻?lián)采摘機(jī)械手,利用柔順機(jī)構(gòu)的彈性變形輸出運(yùn)動(dòng)和力,增加運(yùn)動(dòng)的靈活性,完成果實(shí)包絡(luò)夾持,驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作扭斷果梗,完成采摘。

為解決小型水果采收工作存在效率低、危險(xiǎn)系數(shù)大、采收分級(jí)工作繁瑣、機(jī)械化水平低等問(wèn)題,本文仿人手采摘設(shè)計(jì)梳齒采摘爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行果實(shí)采摘;采用對(duì)轉(zhuǎn)橡膠輥進(jìn)行枝葉分離;利用同步帶之間不同間距進(jìn)行果實(shí)分級(jí),并對(duì)不同梳齒采摘爪間距、枝葉分離對(duì)輥轉(zhuǎn)速、分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速進(jìn)行單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面分析,以確定裝置采收最佳工作參數(shù)。

1 小型水果多功能采收裝置工作機(jī)理

本文設(shè)計(jì)的小型水果多功能采收裝置由采摘部分、輸送部分、分級(jí)部分組成,實(shí)現(xiàn)小型水果邊采摘邊收集工作,且在采收同時(shí),實(shí)現(xiàn)小型水果枝葉分離、分級(jí)工作,采收者只需手持伸縮桿即可完成采收工作,提高工作效率且保證采收工作者人身安全。綜合考慮小型水果多功能采收裝置的工作要求及效率等問(wèn)題,確定主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。小型水果多功能采收裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 小型水果采收裝置整體結(jié)構(gòu)圖

表1 主要技術(shù)參數(shù)表Tab. 1 Main technical parameters

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 采摘部分

采摘部分主要由梳齒采摘爪、V形枝葉分離對(duì)輥、伸縮桿組成。梳齒采摘爪仿人手設(shè)計(jì),分為帶孔尼龍棒軸和梳齒爪兩部分。采摘作業(yè)時(shí),梳齒爪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)到帶有小型水果的樹(shù)枝后,樹(shù)枝通過(guò)梳齒采摘爪間隙,果實(shí)被卡住,進(jìn)而將果實(shí)采摘下來(lái)。V形枝葉分離對(duì)輥以尼龍棒材料為軸,軸外包裹橡膠用以保證小型水果不受傷害。上輥與下輥外圓相切布置,當(dāng)梳齒采摘爪完成采摘工作時(shí),部分小型水果帶有一定枝葉,在V形橡膠對(duì)輥的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)下將枝葉帶入兩輥之間,果實(shí)留在V形區(qū)域內(nèi),實(shí)現(xiàn)了果實(shí)和枝葉分離。伸縮桿布置在采摘部分底部,用于采摘者手持使梳齒采摘爪靠近小型水果果實(shí)。采摘部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采摘部分結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 梳齒采摘爪

通過(guò)對(duì)小型水果中典型的桂圓、金桔、冬棗、楊梅、李子、圣女果進(jìn)行尺寸測(cè)量,得到小型水果果實(shí)直徑為20～30 mm,果實(shí)高度為20～40 mm,為保證梳齒采摘爪在采摘過(guò)程中不劃傷水果,且采摘過(guò)程中能將果實(shí)卡住,本文設(shè)計(jì)的梳齒采摘爪爪長(zhǎng)為50 mm。為實(shí)現(xiàn)仿人手采摘,設(shè)計(jì)梳齒爪爪端弧形角度為130°。

考慮到電機(jī)工作場(chǎng)景為帶動(dòng)梳齒采摘爪轉(zhuǎn)動(dòng)將小型水果果實(shí)采摘下來(lái),不需要梳齒采摘爪產(chǎn)生較大采摘力,裝置整體由電池電源提供動(dòng)力,額定電壓在3～12 V,因此選用小功率直流減速電機(jī),初選電機(jī)轉(zhuǎn)速為100 r/min。

通過(guò)查閱文獻(xiàn)可知[13],小型水果采摘分離力平均大小為9.435 N,采摘過(guò)程中果實(shí)距梳齒采摘爪軸最大距離為40 mm,梳齒采摘爪完成采摘工作所需轉(zhuǎn)矩

M=F×r

式中:F——果實(shí)采摘分離力;

r——果實(shí)距梳齒采摘爪軸最大距離。

代入數(shù)據(jù)可得采摘所需扭矩M為0.377 4 N·m。

所需電機(jī)角速度

式中:n——電機(jī)轉(zhuǎn)速;

T——運(yùn)動(dòng)周期。

代入數(shù)據(jù)可得電機(jī)角速度ω為10.467 rad/s。

電機(jī)功率計(jì)算公式為

P=M×ω

代入數(shù)據(jù)可得電機(jī)功率P為3.95 W。

因此選用ZGB37RG直流電機(jī),額定電壓為12 V,額定轉(zhuǎn)速為100 r/min,額定功率為10 W。

2.1.2 V形枝葉分離對(duì)輥

V形枝葉分離對(duì)輥的設(shè)計(jì)要保證不損傷果實(shí)的前提下將枝葉帶入V形區(qū)域兩側(cè)上下兩輥之間,實(shí)現(xiàn)枝葉與果實(shí)分離,V形區(qū)域兩側(cè)上下兩輥外圓為相切,且枝葉分離對(duì)輥外層為橡膠材質(zhì),避免在枝葉分離時(shí)對(duì)果實(shí)產(chǎn)生損傷,V形枝葉分離對(duì)輥布置方式如圖3所示。

圖3 枝葉分離對(duì)輥結(jié)構(gòu)圖

小型水果果實(shí)枝葉分離力與采摘分離力大小相同,V形枝葉分離對(duì)輥直徑為20 mm,由上述公式可得出所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩M1為0.188 7 N,因此V形枝葉分離對(duì)輥電機(jī)可選用與梳齒采摘爪電機(jī)同型號(hào)的ZGB37RG直流電機(jī)。

2.2 輸送部分

輸送部分用于將小型水果輸送到分級(jí)部分入口,輸送部分選材為食品級(jí)輸送網(wǎng)袋,減少人工對(duì)小型水果的收集工作,縮短小型水果采摘作業(yè)時(shí)間提高工作效率。為避免果實(shí)輸送過(guò)程中出現(xiàn)堵塞情況,通過(guò)對(duì)不同種類小型水果周向尺寸和軸向尺寸進(jìn)行測(cè)量,最終確定輸送部分接口內(nèi)徑為50 mm。

2.3 分級(jí)部分

目前小型水果分級(jí)工作一般是通過(guò)板篩分級(jí),但這種方式對(duì)于電機(jī)性能要求比較高,且不斷震動(dòng)的板篩會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)和噪聲。本文設(shè)計(jì)的小型水果分級(jí)部分根據(jù)皮帶間不同距離對(duì)不同大小果實(shí)分級(jí),考慮到工作狀況及電源電壓,皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力由與上述同型號(hào)ZGB37RG直流電機(jī)提供,不同層皮帶由同步帶帶動(dòng)保證同步傳動(dòng)。小型水果進(jìn)入分級(jí)部分后,由減速毛刷對(duì)小型水果減速,再由不同間距的分級(jí)皮帶進(jìn)行分級(jí)。不同大小的小型水果按級(jí)別進(jìn)入相應(yīng)果實(shí)收集箱,實(shí)現(xiàn)分級(jí)收集工作。分級(jí)部分結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 分級(jí)部分結(jié)構(gòu)圖

2.3.1 小型水果生物學(xué)數(shù)據(jù)分析

以試驗(yàn)樣本冬棗為例,對(duì)各個(gè)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì),通過(guò)Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)描述,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 冬棗特征統(tǒng)計(jì)Tab. 2 Statistics of various characteristics of winter jujube

對(duì)冬棗各個(gè)特征值進(jìn)行相關(guān)性分析,通過(guò)SPSSAU軟件得到相關(guān)性分析如表3所示,可以看出,各個(gè)特征值均為正相關(guān)且為顯著水平,表明試驗(yàn)特征值的相關(guān)性分析的實(shí)際意義,形態(tài)特征因素和果實(shí)重量的相關(guān)性大小排序?yàn)?果實(shí)直徑>果實(shí)高度,從而表明果實(shí)直徑對(duì)果實(shí)質(zhì)量的影響最大,確定果實(shí)直徑為分級(jí)工作的重要參數(shù)。

表3 各個(gè)特征值的相關(guān)性Tab. 3 Correlation of each eigenvalue

2.3.2 分級(jí)等級(jí)的確定

為確定小型水果重量隨果實(shí)直徑的變化趨勢(shì),采用SPSS軟件中曲線估計(jì)功能對(duì)曲線趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè),通過(guò)初步估計(jì),選用以下模型進(jìn)行分析。

線性模型為y=b0+b1x+ε

二次曲線模型為y=b0+b1x+b2x2+ε

三次曲線模型為y=b0+b1x+b2x2+b3x3+ε

指數(shù)曲線模型為y=b0eb1x+ε

對(duì)數(shù)曲線模型為y=b0+b1lnx+ε

式中:x——小型水果直徑;

y——果實(shí)重量;

bi——回歸系數(shù);

ε——隨機(jī)變量。

在SPSS軟件中,以小型水果果實(shí)直徑為自變量,以果實(shí)重量為因變量,在模型選項(xiàng)中勾選以上五種模型,通過(guò)軟件分析建立小型水果果實(shí)直徑與果實(shí)重量的回歸模型為

y=-38.5+1.362x+ε

由回歸模型可知,果實(shí)直徑較大,則果實(shí)重量較重,即按果實(shí)直徑進(jìn)行分級(jí)合理,回歸模型的建立對(duì)進(jìn)一步研究小型水果分級(jí)部分關(guān)鍵部件提供理論支撐。

對(duì)于小型水果的分級(jí)工作標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有制定出一套通用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。通過(guò)比較其他林果的分級(jí)工作,其他林果的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可以是單個(gè)果實(shí)的直徑、高度、重量或新鮮程度等。考慮到小型水果的形態(tài)特征和尺寸大小,果實(shí)直徑對(duì)小型水果的重量影響最大,因此選用果實(shí)直徑作為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 小型水果分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab. 4 Classification standards for small fruits

2.4 電氣控制系統(tǒng)

因需對(duì)采收裝置不同工作參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)確定,所以要求所選電機(jī)可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速,同時(shí)為使裝置整體結(jié)構(gòu)緊湊,方便移動(dòng),采用直流電機(jī)連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,再與控制器單片機(jī)相連,電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片與單片機(jī)電頻一致,通過(guò)改變PWM脈寬信號(hào),在電源電壓Ud不變的情況下,控制占空比D大小,改變電樞端電壓平均值,達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的,從而使枝葉分離輥轉(zhuǎn)速、分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速可調(diào),通過(guò)編碼器完成電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋。

在采收裝置上,枝葉分離輥、分級(jí)皮帶輪軸與電機(jī)相連,當(dāng)控制系統(tǒng)上電后,單片機(jī)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài),通過(guò)按下加速或減速按鈕,定時(shí)器增加或減小占空比,進(jìn)而控制電壓大小,改變枝葉分離輥、分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)材料

本文設(shè)計(jì)的小型水果多功能采收裝置可適用于桂圓、金桔、冬棗、楊梅、李子、圣女果等多種小型水果,以冬棗為例進(jìn)行裝置試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)由采摘者持采摘伸縮桿使采摘部分靠近小型水果果實(shí),梳齒采摘爪繞到帶有果實(shí)樹(shù)枝后,啟動(dòng)裝置,梳齒采摘爪旋轉(zhuǎn)將果實(shí)從果樹(shù)分離落入V形枝葉分離對(duì)輥中間,實(shí)現(xiàn)枝葉與果實(shí)分離,果實(shí)隨輸送部分滑入分級(jí)部分,經(jīng)毛刷減速、皮帶分級(jí)后落入不同尺寸級(jí)別收集箱中。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)設(shè)計(jì)不同梳齒采摘爪,達(dá)到改變梳齒采摘爪爪間距離的目的,通過(guò)電氣控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,達(dá)到控制V形枝葉分離對(duì)輥轉(zhuǎn)速、分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速的目的,使裝置在不同參數(shù)條件下進(jìn)行試驗(yàn),得出采收工作最佳工作參數(shù)。

對(duì)小型水果進(jìn)行采收試驗(yàn),最終確定小型水果枝葉分離干凈程度、采摘分級(jí)精度、果實(shí)損傷為試驗(yàn)主要參照指標(biāo)。采用感官觀測(cè)評(píng)價(jià)對(duì)小型水果采收工作進(jìn)行評(píng)定,確定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)小型水果分級(jí)精度評(píng)定,確定裝置不同采收工作參數(shù)對(duì)采收工作的影響。小型水果采收無(wú)明顯枝葉殘留,果實(shí)無(wú)損傷,每一分級(jí)等級(jí)無(wú)大小明顯不一致現(xiàn)象為采收效果合格。

以采摘分級(jí)準(zhǔn)確度、果實(shí)損傷程度、枝葉殘留情況為感官評(píng)價(jià)指標(biāo),邀請(qǐng)20名經(jīng)過(guò)感官評(píng)價(jià)訓(xùn)練的工作者對(duì)采收果實(shí)評(píng)價(jià),滿分為100分,采收感官評(píng)分如表5所示。

表5 采收感官評(píng)分表Tab. 5 Harvesting sensory score table

3.3 單因素試驗(yàn)

3.3.1 梳齒采摘爪間距對(duì)采摘效果的影響

梳齒采摘爪仿人手結(jié)構(gòu),應(yīng)盡可能抓住大部分小型水果,爪間距太大,會(huì)導(dǎo)致采摘率下降,爪間距太小,會(huì)出現(xiàn)采摘爪卡到枝葉現(xiàn)象,影響采摘效率,因此以梳齒采摘爪間距為試驗(yàn)因素進(jìn)行試驗(yàn),在爪間距為8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm條件下進(jìn)行試驗(yàn),測(cè)試不同條件下小型水果采摘率及卡枝率,結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同爪間距對(duì)采摘效果的影響

綜合采摘率與卡枝率考慮,確定本裝置兩爪距離為16 mm,電機(jī)帶動(dòng)梳齒采摘爪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),當(dāng)爪子旋轉(zhuǎn)到帶有小型水果的樹(shù)枝后,樹(shù)枝順利通過(guò)梳齒采摘爪,而小型水果被兩爪卡住,將其采摘下來(lái)。

3.3.2 V形枝葉分離對(duì)輥轉(zhuǎn)速對(duì)采收效果的影響

小型水果采收過(guò)程中枝葉分離輥轉(zhuǎn)速是影響采收效果感官評(píng)分的重要因素,轉(zhuǎn)速過(guò)低會(huì)導(dǎo)致果實(shí)與枝葉不能分離的現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)造成對(duì)果實(shí)果肉的損傷,因此選取V形枝葉分離對(duì)輥電機(jī)不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)。在轉(zhuǎn)速為20 r/min、40 r/min、60 r/min、80 r/min、100 r/min、120 r/min、140 r/min條件下,通過(guò)對(duì)比枝葉分離前后果實(shí)中混有的枝葉量,得到不同V形枝葉分離對(duì)輥轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的枝葉分離率,結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同枝葉分離輥轉(zhuǎn)速對(duì)枝葉分離效果的影響

枝葉分離率隨枝葉分離對(duì)輥轉(zhuǎn)速增加而升高,但在電機(jī)轉(zhuǎn)速為100 r/min之后分離率增長(zhǎng)幅度變化微小,且枝葉分離率為95%可以滿足小型水果采收工作要求。因此確定枝葉分離對(duì)輥轉(zhuǎn)速為100 r/min。

3.3.3 分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速對(duì)分級(jí)效果的影響

小型水果采摘后在不同間距分級(jí)皮帶作用下完成分級(jí),分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速是影響分級(jí)效果的重要因素,分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速過(guò)低能保證準(zhǔn)確分級(jí)但會(huì)造成果實(shí)擁堵,不易于分級(jí);分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)導(dǎo)致分級(jí)誤差大的現(xiàn)象,因此以分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素,測(cè)定不同分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速對(duì)小型水果的分級(jí)效果,結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速對(duì)分級(jí)效果的影響

通過(guò)試驗(yàn)可知,隨電機(jī)轉(zhuǎn)速增加,小型水果分級(jí)準(zhǔn)確率和擁堵率都在不斷下降。綜合考慮準(zhǔn)確率和擁堵率,確定分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速為100 r/min。

3.3.4 Box-Behnken模型建立與分析

在單因素試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面分析,以感官評(píng)分Y為響應(yīng)值,對(duì)采收分級(jí)效果影響顯著的三個(gè)因素梳齒爪間距、分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速、枝葉分離輥轉(zhuǎn)速為考察因素。試驗(yàn)因素與水平如表6所示。

表6 Box-Behnken試驗(yàn)因素水平表Tab. 6 Box-Behnken test factor level table

小型水果多功能采收裝置Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果與感官得分如表7所示。

表7 Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果與感官得分Tab. 7 Box-Behnken test results and sensory scores

運(yùn)用Design Expert軟件對(duì)表7中試驗(yàn)與評(píng)分結(jié)果擬合,得到回歸方程

Y=85.60+1.13X1+0.82X2+1.18X3-

1.24X1X2+0.68X1X3+0.84X2X3-

1.06X12-1.45X22-0.89X32

對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析如表8所示。

表8 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab. 8 Variance analysis of response surface test results

由表8可知,所建立模型顯著,失擬項(xiàng)P>0.05不顯著,說(shuō)明此模型具有較高可靠性。經(jīng)方差分析,三個(gè)因素對(duì)采收分級(jí)效果的影響順序?yàn)橹θ~分離輥轉(zhuǎn)速>梳齒爪間距>分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速。

梳齒爪間距、分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速、枝葉分離輥轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)采收效果感官評(píng)分影響的響應(yīng)面曲線如圖8所示。

(a) 爪間距與分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速

(b) 爪間距與枝葉分離輥轉(zhuǎn)速

(c) 分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速與枝葉分離輥轉(zhuǎn)速

由圖8(a)可知,當(dāng)固定枝葉分離輥轉(zhuǎn)速時(shí),隨著梳齒爪間距和分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速的增大,采收分級(jí)效果感官評(píng)分均呈先增加后下降的趨勢(shì),梳齒爪間距在15～17 mm和分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速在90～110 r/min的范圍內(nèi)比較合適,響應(yīng)面呈凸形說(shuō)明交互作用較強(qiáng)且有最大值。同理,當(dāng)固定其他兩因素時(shí),變化因素均呈先增加后下降的趨勢(shì),可找到采收分級(jí)效果最佳時(shí)對(duì)應(yīng)的影響因素變化范圍。

利用Design-Expert軟件對(duì)所得回歸方程進(jìn)行逐步回歸,并考慮實(shí)際操作與工作情況,將最佳工藝參數(shù)修訂為梳齒爪間距為16 mm、分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速為100 r/min、枝葉分離輥轉(zhuǎn)速為100 r/min,在此條件下,采收分級(jí)效果好,且與模型預(yù)測(cè)值較一致,驗(yàn)證模型的可靠性。

3.4 采收分級(jí)試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的小型水果多功能采收裝置,根據(jù)仿人手設(shè)計(jì)的梳齒爪采摘小型水果,利用V形分離對(duì)輥分離隨果實(shí)一起采摘下來(lái)的枝葉。通過(guò)對(duì)每小時(shí)采收下來(lái)的果實(shí)進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量,并進(jìn)行多次試驗(yàn)取其數(shù)據(jù)均值,得到裝置采收效率;利用不同皮帶的不同間距實(shí)現(xiàn)小型水果分級(jí)收集,通過(guò)測(cè)量分級(jí)后每一級(jí)別中小型水果整體數(shù)量和此級(jí)小型水果中尺寸不在該級(jí)別尺寸范圍內(nèi)的果實(shí)數(shù)量,進(jìn)而得到小型水果分級(jí)精度。

對(duì)本裝置進(jìn)行采收分級(jí)試驗(yàn),通過(guò)裝置計(jì)數(shù)部分統(tǒng)計(jì)冬棗數(shù)量,觀測(cè)小型水果多功能采收裝置對(duì)冬棗的采收質(zhì)量與分級(jí)精度。通過(guò)質(zhì)量測(cè)定,得到裝置采收效率達(dá)到120 kg/h。并將裝置采摘與人工采摘進(jìn)行對(duì)比,兩種采摘方式同時(shí)采摘1 000個(gè)冬棗,對(duì)比結(jié)果如表9所示,通過(guò)感官觀測(cè)評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn),小型水果多功能采收裝置工作效率高,采摘10 min即可完成工作,采摘基本無(wú)枝葉殘留,不會(huì)造成果實(shí)損傷,可達(dá)到小型水果采收工作標(biāo)準(zhǔn)。

表9 裝置采摘與人工采摘對(duì)比Tab. 9 Comparison of device picking and manual picking

同時(shí)再分析小型水果對(duì)1 000個(gè)冬棗分級(jí)工作效果,統(tǒng)計(jì)三個(gè)分級(jí)箱中冬棗大小不在對(duì)應(yīng)分級(jí)箱尺寸級(jí)別范圍的果實(shí)數(shù)量,計(jì)算每一級(jí)別分級(jí)精度,并對(duì)數(shù)據(jù)取均值,得到裝置分級(jí)精度達(dá)到95%。并將裝置分級(jí)與人工分級(jí)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表10所示,可以看出裝置分級(jí)的精度與水果破損率和人工分級(jí)相差不大,可達(dá)到分級(jí)工作要求,但耗時(shí)短,做到邊采摘邊分級(jí),提高工作效率。

表10 裝置分級(jí)與人工分級(jí)效果對(duì)比Tab. 10 Comparison of the effect of device classification and manual classification

4 結(jié)論

1) 根據(jù)小型水果的生長(zhǎng)特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)特性,設(shè)計(jì)本小型水果多功能采收裝置,分為采摘部分、輸送部分、分級(jí)部分組成,可完成小型水果采摘、枝葉分離、果實(shí)分級(jí)工作。梳齒采摘爪爪長(zhǎng)為50 mm,梳齒采摘爪爪端弧形角度為130°,輸送部分管口內(nèi)徑為50 mm。

2) 通過(guò)試驗(yàn)分析確定小型水果多功能采收裝置的最佳工作參數(shù)為梳齒采摘爪兩爪間距16 mm,V形枝葉分離對(duì)輥轉(zhuǎn)速為100 r/min,分級(jí)皮帶轉(zhuǎn)速為100 r/min。本裝置的采摘效率可達(dá)120 kg/h,分級(jí)精度可達(dá)到95%,可滿足小型水果采收工作需要。

3) 本裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,集采摘、枝葉分離、分級(jí)工作于一體,減少小型水果采收工作步驟,減輕采摘者工作負(fù)擔(dān),填補(bǔ)小型水果采摘過(guò)程設(shè)備空缺,加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化步伐,在我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械多功能化的發(fā)展中具有寬闊的發(fā)展前景。