樹(shù)莓振動(dòng)采收工作參數(shù)的優(yōu)化研究

傅巖州，孫培靈，王業(yè)成

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱　150030)

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樹(shù)莓振動(dòng)采收工作參數(shù)的優(yōu)化研究

傅巖州，孫培靈，王業(yè)成

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱150030)

摘要：為了獲得樹(shù)莓振動(dòng)采收時(shí)的工作參數(shù)，選取果枝振動(dòng)夾持位置、振幅、頻率為影響因素，樹(shù)莓的采收率、采青率為性能指標(biāo)，采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法，建立了各因素與采收率、采青率的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，通過(guò)響應(yīng)曲面分析各因素對(duì)各性能指標(biāo)的影響，并對(duì)采收參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得振動(dòng)采收的最佳工作參數(shù)。結(jié)果表明：當(dāng)振動(dòng)頻率15～19Hz、振幅21～26mm、振動(dòng)位置0.5時(shí)，樹(shù)莓的采收率大于70%，采青率小于16%。試驗(yàn)所獲得的振動(dòng)采收工作參數(shù)為樹(shù)莓采收機(jī)械的研制提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：樹(shù)莓；采收；正交試驗(yàn)；參數(shù)優(yōu)化

0引言

樹(shù)莓(raspberry)又稱覆盆子，是多年生小灌木類落葉果樹(shù)。其果實(shí)為聚合漿果，風(fēng)味獨(dú)特，可鮮食和再加工，被譽(yù)為“黃金漿果”，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和良好的發(fā)展前景[1]。

樹(shù)莓的成熟果實(shí)鮮嫩多汁，摘果時(shí)間短、保鮮期短、鮮果不宜貯存。目前，我國(guó)樹(shù)莓主要以人工采收為主，每千克人工樹(shù)莓收獲費(fèi)用約占到鮮果售價(jià)的1/4[2]。2010年以來(lái)，國(guó)際市場(chǎng)的樹(shù)莓需求量逐年遞增，需求缺口不斷擴(kuò)大，而樹(shù)莓種植、采收、加工屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，隨著勞動(dòng)力成本的增加，樹(shù)莓栽培面積逐年遞減[3]。樹(shù)莓機(jī)械化采收已成為阻礙樹(shù)莓規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的難點(diǎn)，機(jī)械化問(wèn)題采收亟待解決[4]。樹(shù)莓振動(dòng)采收工作參數(shù)的研究是機(jī)械化采收系統(tǒng)研制與開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，可為樹(shù)莓采收機(jī)械系統(tǒng)的研制提供參考。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

選擇東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝試驗(yàn)站種植樹(shù)莓品種為托拉蜜(Tulameen)樣本，此品種樹(shù)莓果實(shí)中等大小、聚合果粒緊湊[5]。兩品種樹(shù)莓成熟期約在7-9月，試驗(yàn)于2014年8月1-6日在園藝試驗(yàn)站完成[6]。

1.2試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用自制的偏心連桿式振動(dòng)裝置[7]，如圖1所示。振動(dòng)頻率通過(guò)變頻器改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，振幅大小通過(guò)改變偏心輪的偏心距來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，振動(dòng)位置通過(guò)果枝夾頭夾持果枝不同位置來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)[8]。漿果質(zhì)量采用電子分析天平(型號(hào)Sartorius BS2202S，精度0.01 g)進(jìn)行測(cè)量。

1.果枝夾頭　2.連桿　3.偏心輪　4.偏心距

1.3試驗(yàn)方法

樹(shù)莓的果實(shí)成熟期不一致，需分批采收。采收過(guò)程中，應(yīng)對(duì)成熟的漿果盡可能全部采收，而對(duì)不成熟的青果應(yīng)避免采收，這是因?yàn)椴怀墒烨喙牟墒諏⒅苯佑绊憹{果的產(chǎn)量及品質(zhì)。選取漿果采收率y1和漿果采青率y2為性能指標(biāo)[9]，其計(jì)算公式為

其中，m1為已實(shí)現(xiàn)采收的成熟果實(shí)的質(zhì)量(g)；m2為果樹(shù)上未采收的剩余成熟果實(shí)的質(zhì)量(g)；m3為采收的未成熟果實(shí)的質(zhì)量(g)。

振動(dòng)采收時(shí)，樹(shù)莓果枝某處受到果枝夾頭的振動(dòng)作用，振動(dòng)通過(guò)果枝傳遞給各個(gè)漿果。當(dāng)漿果受到的慣性力大于漿果與果枝的連接強(qiáng)度時(shí)，漿果脫離果樹(shù)完成采收。漿果激振力的大小主要由振幅和頻率決定。樹(shù)莓果實(shí)主要分布于果枝的中上處，果枝振動(dòng)夾持位置影響振動(dòng)傳遞的效率。本試驗(yàn)選取振動(dòng)位置、振幅、頻率為影響因素，其中振動(dòng)位置用果枝夾持位置距離地面高度與果枝長(zhǎng)度的比值來(lái)表示。試驗(yàn)采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法，試驗(yàn)因素與水平編碼表如表1所示，試驗(yàn)方案如表2所示。共進(jìn)行23組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取3次試驗(yàn)的平均值作為該組試驗(yàn)結(jié)果[10]。

表1　試驗(yàn)因素水平編碼表

表2　試驗(yàn)方案及結(jié)果

續(xù)表2

2試驗(yàn)結(jié)果分析與優(yōu)化

2.1漿果采收率

對(duì)漿果采收率進(jìn)行方差分析，在置信度α=0.05下，模型極顯著，而失擬項(xiàng)殘差項(xiàng)不顯著，回歸數(shù)學(xué)模型與實(shí)際結(jié)果擬合良好。剔除模型中不顯著項(xiàng)，獲得漿果采收率的回歸數(shù)學(xué)模型為

y1=-104.43+345.14x1+2.70x2+

(1)

振動(dòng)位置x1、振幅x2、頻率x3各因素對(duì)漿果采收率的貢獻(xiàn)率分別為Δx1=1.43、Δx2=1.82、Δx3=1.53，各因素對(duì)漿果采收率的影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋赫穹鵻2、頻率x3、振動(dòng)位置x1。

各因素對(duì)漿果采收率的響應(yīng)曲面如圖2所示，各因素之間無(wú)交互作用。

圖2　各因素對(duì)采收率影響的響應(yīng)曲面

由圖2(a)可知：隨著振幅的增大，漿果采收率明顯增加。當(dāng)果枝夾持處的振幅增大時(shí)，果枝各給位置的振幅也隨之增大，漿果受到的慣性力同時(shí)增大；當(dāng)慣性力大于果柄與漿果連接強(qiáng)度時(shí)，果實(shí)與果柄脫離，完成采收[11]。由圖2(b)可知：當(dāng)振動(dòng)頻率增大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)對(duì)果枝的振蕩次數(shù)增加，果實(shí)受到更多的振蕩，慣性力增大，采收率增大。由圖2(c)可知：隨振動(dòng)位置的升高，采收率逐漸增大；在采收率達(dá)到最高值后變化平緩，是由于大部分的果實(shí)位于果枝的中上部，振動(dòng)位置的升高使大部分果實(shí)受到有效的激振作用而實(shí)現(xiàn)較高的采收率。

2.2采青率

對(duì)采青率進(jìn)行方差分析，在置信度α=0.05下，模型極顯著，而失擬項(xiàng)殘差項(xiàng)不顯著，說(shuō)明所得的回歸數(shù)學(xué)模型與實(shí)際結(jié)果擬合良好。剔除模型中不顯著項(xiàng)，獲得采青率的回歸數(shù)學(xué)模型為

y1=74.53-210.10x1-0.69x2-1.43x3+

(2)

振動(dòng)位置x1、振幅x2、頻率x3各因素對(duì)采青率的貢獻(xiàn)率分別為Δx1=1.71、Δx2=1.87、Δx3=1.62。由此可得各因素對(duì)采青率的影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋赫穹鵻2、振動(dòng)位置x1、振動(dòng)頻率x3。

各因素對(duì)采青率的響應(yīng)曲面如圖3所示。

圖3　各因素對(duì)采青率影響的響應(yīng)曲面

由圖3可知：各因素之間并無(wú)交互作用。由圖3(a)和圖3(b)可知：隨著振蕩頻率和振幅的增加，果枝在單位時(shí)間內(nèi)受到的振蕩次數(shù)和振蕩幅度增加，果實(shí)受到較大的激振力；當(dāng)激振力大于果柄慣性力時(shí)，果實(shí)脫離果柄，采青率呈明顯增大的趨勢(shì)。由圖3(c)可知：在前半段，隨著振動(dòng)位置的升高，采青率基本不變；在后半段，隨著振動(dòng)位置的升高，采青率逐漸增加。由于大部分的未成熟果實(shí)位于果枝的端部，振動(dòng)位置升高果實(shí)所受激振力增大，采青率增加[12]。

2.3參數(shù)優(yōu)化

選取振動(dòng)頻率為8～33Hz，振幅為6～50mm，振動(dòng)位置為0.5，使采收率大于70%、采青率小于16%，進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：當(dāng)振動(dòng)頻率為15～19Hz、振幅為21～26mm、振動(dòng)位置為0.5時(shí)，采收率大于70%，采青率小于16 %，如圖4所示。于2014年8月15日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝試驗(yàn)站進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)選取振動(dòng)位置為0.5、振幅為23mm、振動(dòng)頻率為18Hz，取5次試驗(yàn)的平均值，試驗(yàn)結(jié)果為采收率72.3%、采青率15.7%。

圖4　優(yōu)化分析

3結(jié)論

1)采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，建立了振動(dòng)位置、振幅、頻率與果實(shí)采收率、采青率間的數(shù)學(xué)模型。各因素對(duì)漿果采收率的影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋赫穹鵻2、頻率x3、振動(dòng)位置x1。

各因素對(duì)采青率的影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋赫穹鵻2、振動(dòng)位置x1、振動(dòng)頻率x3。

2)當(dāng)振動(dòng)頻率15～19Hz、振幅21～26mm、振動(dòng)位置0.5時(shí)，采收率大于70%，采青率小于16%。

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Optimization of Raspberry Vibration Harvesting Parameters

Fu Yanzhou， Sun Peiling， Wang Yecheng

(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：In order to obtain the outstanding performance and the optimal parameters of the raspberry harvesting mechanism, quadratic orthogonal rotational combinational design was conducted. The factors in this research were selected as location, amplitude and frequency. Raspberry harvesting rate and immature raspberry harvesting rate were objective indexes. The regression models between indexes and factors were developed by using design-expert software. The interactions of factors on the indexes were analyzed by the response surface method. An optimum combination of input parameters was obtained with the region of frequency 15～19Hz, amplitude 21～26mm and a location of 0.50. The optimum combination parameters may result in the raspberry harvesting rate above 70%, immature raspberry harvesting rate under 16%. The results offer the information for the development and design of raspberries harvest mechanical system.

Key words：raspberry; harvest; quadratic orthogonal rotational combinational design; optimal parameter combination

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0141-04

中圖分類號(hào)：S225.93

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：傅巖州(1987-)，男，山東青島人，碩士研究生，(E-mail)418345605@qq.com。通訊作者：孫培靈(1965-)，女，哈爾濱人，副教授，博士，(E-mail)spl1965@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51205057)

收稿日期：2015-03-19