加工番茄果實采摘力測試分析

羅新豫 王吉奎 羅勇軍 羅 威

(1. 石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003；2. 農業部西北農業裝備重點實驗室，新疆 石河子 832003)

番茄采摘必須克服番茄與果秧的連接力[1-3]，番茄果實與果秧通過果柄連接，果實連接在果柄末端的花萼上。果柄含有木質纖維，抗拉強度較大，花萼主要成分是木質素，隨著果實的成熟，花萼與果實的連接面逐漸老化，連接力降低，果實在外力作用下一般從花萼與果實的連接處脫落。果實的采摘力主要指果實在花萼處從果柄上分離的最大作用力，該力可以通過對果柄施加作用力測得。

目前對加工番茄(包括普通番茄)采摘力的研究主要有黃國偉等[4]對番茄果實與莖稈分離力的影響因素進行了分析，得出不同類型的番茄品種、不同角度的拉力、不同質量等對果實與莖稈的分離力都有影響，且隨著質量和角度的增加分離力逐漸增加，同一品種的番茄在徑向拉伸時分離力最大。張進等[5]以新疆大規模種植的加工番茄為對象，研究了加工番茄果莖分離力，得出不同番茄品種的果莖分離力不同，但差距不是很明顯，番茄果莖分離力隨著果實成熟度的增加而變小，隨著重量的增大而增大，隨著番茄長度的增加而減小。劉繼展等[6]對番茄果實果柄進行了折斷和拉斷試驗，發現果梗均從離層處斷裂，與拉斷相比，折斷方式更省力和易于實現機器人采摘。

現有研究主要對番茄果實拉伸采摘力的大小及影響因素做了試驗和分析[7-9]。因番茄果實的采摘可以通過拉伸和扭轉的方式摘落[10-12]，本研究采用試驗方法測定番茄果實拉伸和扭轉采摘力的大小，并依據果柄受力與作用行程，采用積分的方法測算番茄采摘做功。以期研究結果有助于加工番茄采摘，對類似果蔬的機械化采摘機構研究提供一定的借鑒。

1 材料與方法

加工番茄的種類較多，但各種番茄與果柄的連接方式和成熟后的屬性基本相似，因此，本試驗僅選取一種番茄作為試驗對象。在機械化采摘過程中，果實相對果秧發生位移、扭轉和翻滾，使果柄對果實的作用力表現為果柄在花萼處對果實進行拉伸、扭轉和彎折作用，在這些力的作用下果柄在花萼處斷裂，果實完成采摘。由于果柄柔軟，果柄對花萼的拉伸和彎折作用相似，所以彎折作用可以看作垂直拉伸，即果柄對花萼的拉伸作用力方向垂直于果柄。由此可以得出果實的采摘力可以分為果柄對果實(花萼)的拉伸采摘力和扭轉采摘力。

1.1 拉伸采摘

試驗番茄：新番36號，石河子墾區，試驗前將帶果實的整株番茄秧從田間帶回實驗室，試驗時再將帶果柄的成熟果實從果秧莖稈上剪下，樣品存放時間不超過24 h。試驗分3組，每組拉伸方向分別為徑向拉伸(0°拉伸)、傾斜45°拉伸和垂直拉伸(90°拉伸)，每組取試驗樣本15顆，分組測試果實從果柄上摘落所需的拉伸采摘力。果柄拉伸方向見圖1。

圖中箭頭表示拉伸作用力方向圖1 拉伸方向Figure 1 Stretch direction

微機電子萬能試驗機：HY0580型，上海衡翼精密儀器有限公司，量程0～5 000 N，試驗速度范圍0.001～500.000 mm/min，有效行程0.01～400.00 mm，數據的采集和處理由計算機自動完成。試驗于2017年8月在石河子大學機械電氣工程學院農機試驗準備室進行，測試時果實按試驗要求用卡具固定，試驗機夾具夾持果柄向上拉伸。采摘力測試現場見圖2。

1. 底座試臺 2. 卡臺 3. 立柱 4. 卡鉗 5. 傳感器 6. 滑塊7. 啟動按鈕 8. 電腦圖2 采摘力測試Figure 2 Picking force test

1.2 扭轉采摘

試驗儀器和果秧分離扭力的測量見圖3。

果實夾持夾具和數顯式扭矩測量儀：HT-10型，愛德堡儀器有限公司，精度0.001 N·m，量程0.001～1.000 N·m。

試驗用材料、樣品的制作與拉伸力測試相同，選取帶果柄成熟番茄果實10 顆進行試驗。試驗時果實用卡具夾住，果柄固定在扭矩測量儀扭力測試接頭上，轉動果實夾具即可得出果實采摘扭力矩，扭矩測量儀可以顯示記錄扭矩值。

1. 底座 2. 扭矩測量儀 3. 顯示面板 4. 搖柄 5. 夾持器6. 卡夾圖3 果秧分離扭力的測量Figure 3 The measurement of fruit separation torsion

2 結果與分析

2.1 拉伸采摘力

拉伸采摘力測試結果見圖4。

對于試驗樣品，由試驗可得采摘力與拉伸作用力方向有關，徑向拉伸果柄采摘力最大為22.13 N，平均值為13.766 N；45°拉伸果柄時采摘力最大為15.58 N，平均值為9.435 N；垂直拉伸果柄采摘力最大為9.74 N，平均值為4.765 N。

對拉伸力和位移曲線進行積分運算可得拉伸采摘番茄果實所做的功。去除異常數據后，經計算徑向拉伸、45°拉伸和垂直拉伸做功分別為0.021，0.020，0.021 J，由此可以得出拉伸方向對果實采摘做功影響不大。

(1) 由試驗觀察可知，果柄傾斜拉伸果實時，花萼受果柄彎折作用，果柄的一側受擠壓，另一側受拉伸作用，受拉伸一側花萼產生應力集中，花萼易開裂，致使果實采摘力減小，且隨著果柄傾斜角度越大采摘力越小。由此可以得出，果實從果秧上摘落時的采摘力與果柄的作用力方向有關，果柄拉伸傾斜角度越大，采摘力越小。

由試驗知,當拉伸角度為0，π/4，π/2時，平均拉伸采摘力為13.76，9.43，4.76 N；由拉伸角度和采摘力的散點圖可以看出,拉伸角度與平均拉伸采摘力線性相關。由此可以得出，拉伸采摘力與拉伸角度的回歸方程：

F=-5.73x+13.82，

(1)

式中：

F——平均采摘力，N；

x——拉伸角度，(°)。

經顯著性檢驗，在α=0.02水平平均采摘力F與拉伸角度x之間線性回歸顯著，故可用式(1)表達平均采摘力F與拉伸角度x之間的相關關系。

(2) 隨著拉伸傾斜角度的增大，拉伸采摘力減小，但拉伸采摘做功變化不大，主要是拉伸位移隨拉伸角度的增大而增大。

(3) 實際果實采摘作業時果秧相對靜止，果實在外力作用下遠離果秧，連接果秧和果實的果柄受力，果實在花萼處與果柄分離，實現采摘。果實的運動方向對果實采摘難易程度有重要影響，運動方向垂直于果柄方向最有利于采摘。這也適用于與番茄相似的果蔬采摘。

曲線表示果實從花萼處脫離果柄過程中果柄受力值與果柄拉伸位移的關系，每一條曲線對應一個試驗果實的拉伸過程，曲線最高點的值表示最大采摘力

圖4 采摘力

Figure 4 Picking force

2.2 扭轉采摘力

由試驗可知，在成熟期扭轉采摘番茄果實，扭矩大小為0.014 6～0.024 2 N·m，平均值為0.019 1 N·m。

經試驗觀察，采摘力個體差異較大的主要原因有：

(1) 果柄直徑。若番茄果柄粗短，則其剛度大，扭轉采摘時轉過的角度小，果實容易采摘，反之則由于扭轉角度過大，不易采摘果實。

(2) 試驗樣本個體尺寸大小。一般情況下樣本體積大，則果柄粗，花萼大，果柄與果實連接面積大，使扭轉采摘力矩增大。

(3) 果實和果柄的含水率。若果實在成熟期間水肥充足，則成熟后的果實及果柄含水率高，花萼老化成度低，果實與果柄的連接強度高。

本試驗僅對成熟番茄扭矩做了測試，實際上番茄不同成熟期果柄與果實的連接力強度不同，采摘扭矩亦應該不同。另外，由于條件所限，試驗未能測得扭轉采摘扭矩值與果柄扭轉角度的關系，因此不能得出扭轉采摘做功。

3 結論

(1) 成熟加工番茄采摘力大小與采摘作業時果實的運動方向有關，果實沿某一方向運動時，果柄受拉伸傾斜角度越大，采摘力越小，且番茄果實的采摘力與拉伸傾斜角線性相關。

(2) 以不同方向拉伸采摘果實，番茄果實采摘做功基本相同。

(3) 對于果柄粗短、剛度大的果實，扭轉采摘時轉過的角度小，果實容易采摘。