梳刷振動式枸杞收獲裝置設計與運行參數優化

徐麗明，陳俊威，吳 剛，袁全春，馬 帥，于暢暢，段壯壯，邢潔潔，劉旭東

（中國農業大學工學院，北京 100083）

0 引 言

枸杞系茄科、枸杞屬。研究表明，枸杞中的枸杞多糖具有延緩衰老、抗腫瘤、抗疲勞、控制血糖、防護青光眼等多種作用[1]。中國枸杞主要產區有寧夏、內蒙古、新疆、河北、青海、湖北、西藏等，近10 a，枸杞種植面積每年以11%的速度遞增，枸杞平均產量達到3 000 kg/hm2以上[2]。幾個主產區的種植面積也是逐年增大，僅寧夏主產區2016年枸杞干果總產量便達到了9.3 萬t，年綜合產值 130 億元[3]，而中國枸杞的出口量總體上也呈上升趨勢[4]。枸杞無限花序，每年6月底至10月初為枸杞的采摘期。采摘期內枸杞連續開花結果，平均采摘周期為7 d。枸杞采摘目前仍然依賴人工，人工作業效率低、成本高是最突出的問題，人工采摘枸杞的效率僅為3～5 kg/h，而費用高達3.45萬元/hm2，約占生產成本的50%以上[5]。隨著枸杞種植面積逐漸增大，勞動力將供不應求，采摘問題成為制約枸杞產業持續發展的瓶頸。因此，增大對于枸杞采收機械的研究力度是大勢所趨。

枸杞在國外的分布較少，因此國外對枸杞進行規模化栽培和機械化采摘的研究不多。So[6]針對韓國枸杞進行了振動特性的相關分析，并設計了一種振動式枸杞收獲裝置，但是該裝置作業效率僅為 4.71 kg/h，與人工作業效率相差無幾。國內對于枸杞采摘機械的研究始于21世紀初，主要在幾個主產區展開研究。目前按照采摘原理的不同，枸杞采摘機械原理主要可分為 4種：剪切式、梳刷式、振動式以及氣流式。趙偉康等[7]發明了滾刀式枸杞可選擇采摘機，利用正、反滾刀相互作用切斷果柄；曾小虎[8]設計了一種新型枸杞采摘器，利用采摘頭抓住枝條，再由采摘刀進行剪切；劉文海等[9]設計了一種多點均勻分布振搖式全自動枸杞采摘機；肖宏儒等[10]設計了自走式枸杞采摘機，通過偏心滑塊帶動振動桿往復運動，完成收獲；郭志東等[11]發明了一種自走氣吸梳齒式枸杞采摘收獲機；徐麗明[12]發明了一種背負式枸杞采摘機，通過氣吸式管道與轉輥結構，實現果實與枝條的分離；張換高等[13]發明了一種氣吸式枸杞采摘機，利用負壓將果實吸入的同時利用高壓氣體排開枝葉；周宏平等[14]發明了一種氣流式枸杞采摘裝置，通過改變氣流的流向或通斷，促使枸杞果實擺動掉落。在目前的采摘機械中，大多為剪切式和振動式采摘機，這 2種采摘機收獲效率較高，但同時成熟枸杞的破損率也較高。梳刷式采摘機目前多為手持裝置，仍然依賴于人工，采收效率低；氣流式采摘機不直接接觸果實，破損率較低，但機械能耗大。綜上所述，各種采摘原理的采摘機械都有明顯的不足之處。

本文擬研究梳刷、振動綜合作用的采收機理，設計一種梳刷振動式枸杞收獲裝置，并進行仿真與田間試驗，以期獲得收獲裝置的最優工作參數，為枸杞采摘機械化的發展提供參考。

1 收獲裝置結構與工作原理

1.1 收獲裝置結構

梳刷振動式枸杞收獲裝置由收獲單元和升降移動單元2部分組成（圖1a）。收獲單元主要由梳刷振動機構、機架、直流電機和同步帶輪組成。機架兩側分別對稱安裝有功率為300與500 W的直流電機，可分別獨立調節梳刷振動機構的梳刷轉速與振動頻率；梳刷振動機構主要由左輸入軸、右輸入軸、收獲桿、T型減速機、圓盤、滑塊、滑軌和滑動殼組成（圖1b），是采收單元的關鍵工作部件，其中 4排收獲桿與滑動殼采用螺栓固定，滑動殼與滑塊同樣采用螺栓固定，滑塊與滑軌配合，可沿滑軌做直線運動，連接桿兩端分別與滑動殼、圓盤鉸接；同步帶輪的傳動比為1∶2，左右兩側各有1組，分別作為梳刷旋轉與往復振動的傳動機構；機架上側通過軸承座支撐梳刷振動機構，內側設置有擋板，防止采摘下的枸杞果實于內部堆積；機架底部與液壓升降車平臺通過螺栓固定。升降移動單元為一個液壓升降車，經實地調研，枸杞種植園行距為1.0 m、株距為0.5 m，單株枸杞垂直掛果范圍為0.5～1.4 m，故選擇液壓升降車平臺尺寸為1.2 m×0.6 m（長×寬），升降范圍為0.35～1.5 m，以實現裝置的縱向升降與水平移動。

圖1 裝置結構Fig.1 Harvesting device structure

1.2 工作原理

該收獲裝置屬于單側采收，工作時，梳刷振動機構的運動分為 2個方面：一方面是機構的整體運動，即以左輸入軸為旋轉軸，做轉速可調的勻速旋轉，轉速調節范圍為0～150 rad/min。其實現過程為左側300 W直流電機開啟，通過同步帶傳動控制左輸入軸的轉速，借由左輸入軸帶動整個梳刷振動機構進行旋轉；另一方面是內部運動，即滑動殼以及滑動殼上的 4排收獲桿沿輸入軸軸線方向以一定的頻率與幅度往復振動，其實現過程為：右側500 W直流電機開啟，通過同步帶傳動控制右輸入軸的轉速，右輸入軸與 T型減速機輸入軸通過聯軸器連接，T型減速機兩側輸出軸帶動圓盤旋轉，圓盤通過連接桿將圓周運動轉化為滑動殼的往復直線振動，其中圓盤轉速的調節范圍為0~150 rad/min。在對枸杞的收獲過程中，機構的整體運動起到旋轉梳刷的作用，內部收獲桿的運動起到輔助振動作用，梳刷與振動同時作用，可以令枸杞果實從枝條上快速掉落，實現梳刷振動組合式采收。

1.3 梳刷振動機構的關鍵部件參數

梳刷振動機構是該裝置實現采收功能的關鍵機構[15-16]，機構的梳刷運動轉速（下文簡稱梳刷轉速）、振動頻率、振動振幅和收獲桿間距對枸杞的采摘效果均有影響，需要對其關鍵部件進行設計。

機構中，滑動殼（圖2a）主要具有2個方面的作用。一方面是支撐固定收獲桿，在滑動殼的 4個側表面均固定有收獲桿固定板，每個固定板上均布著29對螺栓孔，相鄰孔間隔12 mm，實現收獲桿間距的可調節。另一方面是作為連接件，滑動殼 2個側表面上鉆有小孔，用于與滑塊固定連接，右側焊接 2個帶孔連接塊，用于與連接桿鉸接。

圓盤與連接桿、滑動殼以及直線滑軌組成了曲柄滑塊機構，將 T型減速機輸出軸上圓盤的圓周運動轉變為直線滑軌上滑動殼的往復直線運動。其中圓盤每分鐘轉速值與振動頻率值呈正比，比值為 60（下文分析均以圓盤轉速代表振動頻率）。圓盤（圖2b、圖2c）直徑100 mm、厚20 mm，端面分布有6個螺栓孔，與圓心的距離分別為 40、35、30、25、20、15 mm，從外到內逆時針依次遞減，相鄰螺栓孔間隔角為60°。連接桿通過與圓盤端面不同螺栓孔鉸接，實現梳刷振動機構振動幅度在80、70、60、50、40、30以及20 mm之間的階梯式調節。

圖2 滑動殼與圓盤Fig.2 Sliding shell and disc

工作過程中，收獲桿是直接與枸杞枝條以及枸杞果實接觸的部件，其長度與安裝分布情況需要根據枸杞樹形參數決定。根據前期調研測量數據與文獻資料查閱可知，枸杞園枸杞植株株距為1.0 m，單株枸杞的單側橫向幅寬為0.5 m，其中掛果部分的幅寬為0.25 m左右。據此確定單根收獲桿桿長為0.25 m，直徑12 mm，收獲桿共4排，相鄰2排成90°，從而避免采摘過程中出現空轉時間。同時收獲桿的剛度對于實際采收效果有著較大影響，剛度過大，收獲桿不易彎曲變形，容易損傷枝條，同時會增大成熟枸杞的破損率。需要對收獲桿的材料進行選擇。本文在不銹鋼棒材、PU棒材以及木質棒材3種材料中進行選擇。各材料的彈性模量如表 1所示，剛度上，不銹鋼棒材>木質棒材>聚氨酯棒材。在預試驗中選擇一致的工作參數，不銹鋼棒材、木質棒材均容易打折枸杞枝條，且采收下的成熟枸杞破損較多，相比較下，聚氨酯棒效果最好。因此，收獲裝置的收獲桿選擇聚氨酯棒材。

表1 收獲桿材料屬性Table 1 Harvest rod material properties

2 梳刷振動收獲過程仿真

根據梳刷振動式枸杞收獲裝置的結構特點，主要有4個因素可能影響實際采收效果[17-18]，分別是梳刷轉速、圓盤轉速（振動頻率）、振動幅度以及相鄰收獲桿間距。利用ADAMS進行枸杞梳刷振動收獲過程的仿真試驗[19-22]，得到各因素對采收效果的影響大小，為裝置樣機的優化及試驗因素的選擇提供參考依據。

2.1 建立模型

仿真模型主要由梳刷振動機構、枸杞枝條[23]以及枸杞果實 3部分組成，為簡化模型，提高仿真效率，梳刷振動機構模型只包括與枸杞相接觸的滑動殼和收獲桿。為了保證仿真試驗的準確性，枸杞枝條需要進行柔性建模[24-25]。在ADAMS中，柔性體的建模方法有3種：離散法、模態中性文件法和利用ADAMS/AutoFlex模塊建立柔性體[26]。仿真采用將連續的實體枝條離散成高度為5 mm的小圓臺，圓臺之間采用BUSH連接，從而實現枝條的柔性建模。枸杞果實模型橫軸長度為7.6 mm，縱軸長度為14.5 mm。

2.2 定義約束

收獲裝置梳刷振動過程中，致使枸杞果實脫落的受力形式主要有4種：1）枸杞枝條受力致使果實振搖，當振搖果實-果柄處受力超過結合力時，果實脫落。2）收獲桿直接作用于枸杞果實。3）枸杞之間相互擠壓碰撞、摩擦。4）枸杞枝條運動中與枸杞果實之間的碰撞、摩擦。

仿真中在枸杞果實與果柄之間添加廣義力，果柄與枝條之間添加彈簧阻尼模型；為梳刷振動機構的滑動殼添加勻速旋轉驅動與直線往復驅動，模擬梳刷和振動的功能，參數化轉速、振幅與頻率。在果實與收獲桿之間、果實之間、枝條與果實之間、枝條與收獲桿之間、果柄與收獲桿之間均添加接觸力關系。所建梳刷振動仿真模型如圖3所示。

圖3 虛擬樣機三維模型Fig.3 Three-Dimentional model of virtual prototype

2.3 枸杞果實模型脫落的判定

枸杞果實脫落的形式主要有 2種：一種是因果柄組織脆弱處斷裂致使果柄和果實整體從枝條上脫落；另一種是因果刷纖維從果粒中拉出或斷裂致使果實與果柄脫離[27]。其中主要以果實-果柄連接處分離脫落為主，且隨著枸杞果實成熟度的增加，果實更容易掙脫果實-果柄結合力而脫落[28-30]。仿真中的脫落形式選擇后者。采用廣義力與傳感器函數控制的思路[31]，實現多顆枸杞果實脫落的獨立控制。

枸杞果實與果柄之間的連接，是采用添加廣義力連接的形式，果柄與枝條之間采用彈簧阻尼模型連接，同時設置傳感器以實時監測力的變化。當廣義力的值大于果實-果柄連接力的值，廣義力的值變為 0，即判定枸杞果實脫落。廣義力由 3個分量力和 3個分量力矩(Fx，F y， F z，T x， T y， T z )組成。其中，設置廣義力中Fx的函數為：

STEP（）為矩陣函數，產生階躍信號；SENVAL（）表示返回傳感器觸發時的時間值；AX（）表示角位移函數；WX（）表示角速度函數；sensor_1為檢測廣義力2個作用點距離的傳感器；K為剛度系數，C為阻尼系數；pedicel_1. force_center為果柄連接點；Lycium_1.cylinder_center為果實連接點。

廣義力中其他分量力和力矩函數以此類推。

2.4 仿真試驗與分析

仿真試驗以梳刷轉速、圓盤轉速、振動幅度和收獲桿間距 4個因素為研究對象，查閱相關文獻資料并經過預實驗，確定每個研究對象取5水平（表2），以15 s內枸杞脫落的數量為評價指標，分別進行單因素試驗，從而分析各因素對采收效果的影響程度。仿真結果如圖 4所示。

由圖 4分析可得，在所選水平范圍內，隨著梳刷轉速的增大，掉落枸杞的數量呈上升趨勢；隨著圓盤轉速的增大，掉落枸杞的數量呈下降趨勢；隨著振動幅度的增大，枸杞掉落的數量先上升后下降，同樣有著較明顯的變化。而隨著收獲桿間距的增大，掉落枸杞的數量無明顯變化。確定梳刷轉速、圓盤轉速以及振動幅度為采收效果的主要影響因素。

表2 仿真試驗的因素水平Table 2 Factors and levels of simulation tests

圖4 仿真試驗結果折線圖Fig.4 Figure of simulation results

3 田間試驗

3.1 試驗條件與方法

試驗地點為河北省秦皇島市青龍滿族自治縣枸杞種植園，試驗時間為2017年9月22—28日，試驗對象為10 a樹齡枸杞樹，種植行距1 m，株距0.5 m。試驗設備包括：梳刷振動式枸杞收獲裝置、PC、秒表。收獲裝置外形尺寸為1.2 m×0.6 m（長×寬），升降范圍為0.35～1.5 m。樣機試驗如圖 5所示。試驗時隨機選取采摘點處的枸杞植株，依據試驗設計的因素水平組合進行試驗。每個因素水平組合下的采摘時間為15 s，以15 s內采摘的成熟枸杞與未成熟枸杞的數量為1組數據。每進行1組試驗時，預先調整好各試驗因素水平，穩定后進行枸杞采摘，15 s后關閉直流電機并使收獲裝置離開試驗區。收集采摘下的枸杞果實并人工統計采摘下的成熟枸杞、未成熟枸杞、破損枸杞的數目與未采摘下的成熟枸杞、未成熟枸杞、破損枸杞的數目。

圖5 收獲裝置田間試驗Fig.5 Field test of harvesting device

根據實際生產中枸杞采收的農藝要求，本次試驗以采收效率η采、成熟枸杞采收率η熟、青果脫落率η青、成熟枸杞破損率η破為評價指標。各指標定義如下：15 s內采摘下的成熟枸杞數目為n熟、15 s內采摘下的未成熟枸杞數目n未熟、15 s內未采摘下的成熟枸杞數目為n’熟、15 s內未采摘下的未成熟枸杞數目 n’未熟、成熟枸杞中損傷的枸杞數目n損傷、枸杞百粒質量w。

采收效率：η采= 4× (n熟w/100)×60/1 000

成熟枸杞采收率：η熟=n熟/(n熟+n’熟)×100%

青果脫落率：η青=n未熟/(n未熟+n’未熟)×100%

成熟枸杞破損率：η破=n損傷/(n熟+n’熟)×100%

3.2 正交試驗的因素選擇

經過初步的仿真分析與預試驗，得出影響采收效果的主要因素有：梳刷轉速、圓盤轉速以及振動幅度。每個因素分別取3個水平，因素水平表如表3所示。

表3 田間試驗因素水平Table 3 Factors and levels of field tests

3.3 正交試驗

試驗考慮了任意 2個因素之間的交互作用，故選用L27（313）表進行正交試驗，試驗組數N=27，每組試驗重復3次，取3次的平均值作為該組的試驗結果，得出每組的采收效率η采、成熟枸杞采收率η熟、青果脫落率η青、成熟枸杞破損率η破等指標。試驗方案與結果如表4所示，試驗結果的直觀分析如表5所示。

3.4 結果分析

對試驗方案中 4個評價指標進行逐一分析，結果如表6、表7所示。對于成熟枸杞采摘率這一指標，由表7可知，梳刷轉速 A為顯著性因素，梳刷轉速與振動幅度的交互作用AC、圓盤轉速與振動幅度的交互作用BC為顯著性交互作用。顯著性大小為A>AC>BC。顯著性因素的最優水平可通過比較 3個水平下的數據均值獲得，顯著的交互作用的最優組合，則先計算兩因素所有水平組合的均值，再通過比較獲得最優的水平組合，根據顯著性大小來依次確定各因素的水平。由表 5的直觀分析可知，因素A的最優水平為3水平。根據表6可知，當A取3水平，C取3水平時，均值最大。在C選取3水平前提下的最優搭配為B2C3。綜上可知，最佳因素水平組合為A3B2C3，此時成熟枸杞采收率達到最高，為94.24%，但青果脫落率較高，為64.22%。

對于采收效率這一指標，由表7可知，梳刷轉速A、圓盤轉速 B為顯著性因素，梳刷轉速與振動幅度的交互作用AC為顯著性交互作用。顯著性大小為A>AC>B。其中，因素A的最優水平為3水平，根據表6，當A取3水平時，C取2水平，均值最大。因素B的最優水平為3水平，故最佳因素組合為 A3B3C2，此時采收效率為15.88 kg/h，但成熟枸杞破損率較高，為11.54%。

表4 試驗方案與結果Table 4 Test plan and result

表5 各指標直觀分析Table 5 Intuitive analysis of each index

表6 各因素交互作用的指標值Table 6 Index value of factors interaction

表7 各指標的方差分析Table 7 Variance analysis for indices

對于青果脫落率與成熟枸杞破損率2個指標，由表7可知，梳刷轉速 A為唯一的顯著性因素。其中，青果脫落率指標下A的最優水平為1水平，在A為1水平的前提下，根據表6、表7得最佳因素組合為A1B2C3，此時青果脫落率為3.4%，但成熟枸杞采收率僅為49.62%；成熟枸杞破損率指標下A的最優水平為1水平，在A為1水平的前提下，根據表 6、表 7其最佳因素組合為A1B1C1，此時成熟枸杞破損率為 0.88%，但采收效率僅為2.70 kg/h。

結合實際采摘要求，需要綜合考慮枸杞采收各項指標：優先保證高成熟枸杞采收率、高采收效率的前提下使青果脫落率、成熟枸杞破損率盡可能低。由此確定 3個因素的最優水平組合為 A2B2C3，在此因素水平組合下，枸杞的采收效率為13.12 kg/h，與最高值相差2.76 kg/h，但同時青果脫落率有明顯降低；成熟枸杞采收率為87.46%，與最高值相差6.78%，但同時成熟枸杞破損率有明顯降低；青果脫落率為13.81%，比最低值高10.41%，但同時成熟枸杞采收率有顯著提高；成熟枸杞破損率為2.82%，比最低值高1.94%，但同時采收效率有顯著提高。此時綜合效益達到最佳。

目前已有的采摘機械的成熟枸杞采收率約為 80%，青果脫落率約為10%，成熟枸杞破損率約為 10%，采摘效率平均是人工作業的 3~5倍。對比之下，本裝置在成熟枸杞采收率與成熟枸杞破損率2個方面有較明顯地改善。

4 結 論

1）設計了一種梳刷振動式枸杞收獲裝置，裝置主要包括收獲單元與升降移動單元兩部分，收獲單元中的梳刷振動機構為裝置的關鍵工作部件。收獲裝置實現了以梳刷原理為主，振動原理輔助的快速收獲過程。

2）基于ADAMS 軟件，采用參數化建模，建立了枸杞果實、枝條模型以及梳刷振動機構模型。果柄與枝條之間添加彈簧阻尼模型，采用廣義力建立枸杞果實、果柄之間的連接力，利用傳感器監測斷裂條件，通過函數控制，實現了枸杞果實在外力作用下的脫粒過程控制。仿真分析了梳刷振動式枸杞收獲裝置的收獲過程，確定了收獲裝置的梳刷轉速、圓盤轉速（振動頻率）和振動幅度 3個因素對于枸杞果實脫落的影響程度較大，為裝置樣機的優化及試驗提供參考依據。

3）搭建了梳刷振動式枸杞收獲裝置樣機，進行了田間試驗，試驗結果表明：在梳刷轉速80 r/min，圓盤轉速100 r/min，振動幅度80 mm的因素水平組合下，枸杞的采收效率為13.12 kg/h，成熟枸杞采收率為87.46%，青果脫落率為13.81%，成熟枸杞破損率為2.82%。

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