振刷式枸杞采收機設計與試驗優化

陳 軍 趙 健 陳 云 卜令昕 胡廣銳 張恩宇

(西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100)

0 引言

傳統的枸杞采收以人工采收為主[1]，采收速度慢，勞動力需求量大，使枸杞生產成本居高不下。隨著枸杞種植面積的增大，枸杞采收問題已成為制約枸杞產業持續健康發展的瓶頸[2]。因此，需要研發一種高效低損的枸杞采收機[3]。

在國外，SO[4-5]設計了一種枸杞振動采收裝置，采收效率是人工采收的4.2倍，但是由于該裝置是根據韓國枸杞生物力學特性設計的，并不適用于寧夏枸杞的機械化采收。枸杞在國外種植分布較少，但美國等國家針對藍莓、黑莓、櫻桃等漿果類果實采收機的相關成果值得借鑒[6-9]。在國內，根據采收原理的不同，枸杞采收機的類型主要有振動式、梳刷式、剪切式和氣流式。張最等[10]建立了枸杞振動采摘力學模型并設計了一種自走式枸杞采摘機；周兵等[11]設計了一種模擬手枸杞采摘機；徐麗明等[2]設計了一種大型梳刷振動式枸杞收獲裝置；張文強等[12-13]設計了一種振搖枸杞采收機和一種變間距梳刷式枸杞采收裝置；趙健等[14]設計了一種便攜式枸杞振動采收裝置。由不同類型枸杞采收機的田間試驗可知，振動式效率高、損傷大；剪切式和梳刷式損傷小、效率低；氣流式效率低、氣源供應穩定性差。因此，將振動和梳刷兩種形式融合是解決枸杞機械采收高效、低損的優選方法。同時，現階段枸杞種植模式尚未標準化，導致大型機械田間通過性差，便攜式枸杞采收機是目前解決枸杞機械采收的適宜方法。

本文融合振動和梳刷原理設計一種便攜振刷式枸杞采收機，同時，根據枸杞鮮果與果柄脫離機理，采用單個集中質量力學模型建立采收機動力學模型，運用ADAMS對采收機進行運動學與動力學仿真，得到各參數的取值范圍。在此基礎上，開展田間試驗，優化振刷式枸杞采收機結構與工作參數。

1 總體方案

1.1 結構與工作原理

振刷式枸杞采收機結構如圖1所示，主要由振動系統、梳刷系統、回位系統及控制系統4部分組成。振動系統主要包括凸輪、軸、聯軸器、電機Ⅰ等，梳刷系統主要包括梳刷、齒輪傳動系、電機Ⅱ、從動件等，回位系統主要包括滑塊、導軌、回位彈簧等，控制系統主要包括電機Ⅰ電源、電機Ⅱ電源、電機Ⅰ調速器、電機Ⅱ調速器等。工作時，手持機架外殼手柄，將掛果枝條置于兩梳刷間，啟動采收機，電機Ⅰ轉速由電機Ⅰ調速器調節，電機Ⅰ帶動凸輪轉動，從動件受迫振動，其在最遠行程處受到回位彈簧作用作往復直線運動，電機Ⅱ在電機Ⅱ調速器的控制下通過齒輪傳動系帶動梳刷轉動，當對枸杞鮮果的作用力大于枸杞鮮果與果柄的結合力時，枸杞鮮果與果柄脫離，靠自身重力下落并沿從動件中斜槽滑入到收集箱中，采收機繼續沿掛果枝條移動，從而完成枸杞振刷采收。

圖1 振刷式枸杞采收機結構示意圖Fig.1 Structure diagram of vibrating and comb brushing harvester for L. barbarum1.軸 2.回位彈簧 3.凸輪 4.梳刷 5.聯軸器 6.電機Ⅰ支架 7.電機Ⅰ調速器 8.電機Ⅰ 9.電機Ⅰ電源 10.電機Ⅱ調速器 11.電機Ⅱ電源 12.電機Ⅱ 13.齒輪傳動系 14.收集箱 15.從動件 16.滑塊 17.導軌 18.機架

1.2 動力學模型

如圖2所示，當枸杞鮮果與梳刷接觸時，枸杞鮮果受到重力G、梳刷轉動對其的垂直向下作用力P和從動件因凸輪轉動產生的振動對其的水平作用力T這3個力的作用[15-17]。在3個力的作用下，枸杞鮮果對果柄有水平切和垂直拉的作用效果，當合力大于枸杞鮮果與果柄的結合力時，枸杞鮮果與果柄脫離[18-21]。

圖2 枸杞鮮果受力分析圖Fig.2 Diagram of force analysis of L. barbarum

為了保證采收機對枸杞鮮果的作用力大于枸杞鮮果與果柄的結合力，須建立采收機動力學模型。由于回位彈簧水平安裝，從動件等平移物體只存在橫向變形，故采用單個集中質量力學模型[22]。由達朗貝爾原理可知，整體的外力(矩)與慣性力(矩)處于平衡狀態，即

(1)

式中F——慣性力，N

M——慣性力矩，N·m

在不計摩擦力的情況下，凸輪機構動力學方程為

(2)

式中m——從動件等平移物體總質量，kg

s1——從動件輸出位移，m

k1——從動件等效剛度，N/m

s2——從動件輸入位移，m

k2——凸輪等效剛度，N/m

(3)

s2=s2(θ1)

(4)

θ1=ω1t

(5)

式中ω——凸輪機構自然圓頻率，rad/s

θ1——凸輪轉角，(°)

ω1——凸輪角速度，rad/s

t——時間，s

將式(3)、(4)代入式(2)，得

(6)

對于從動件運動規律是余弦加速度型的，從動件輸入位移為

(7)

式中h——從動件升程，m

θ0——達到升程時凸輪的轉角，(°)

將式(7)代入式(6)，得從動件運動規律是余弦加速度型的凸輪機構動力學方程為

(8)

此方程的全解為

(9)

(10)

此時方程的解為

(11)

由于梳刷是勻速圓周運動，其運動學方程為

s3=ω2Rt

(12)

式中s3——梳刷輸出位移，m

ω2——梳刷角速度，rad/s

R——梳刷半徑，m

因此，采收機作用于枸杞鮮果的接觸點運動學方程為

(13)

式(13)對t求導得其速度和加速度方程為

(14)

(15)

式中s4——采收機輸出位移，m

v4——采收機輸出速度，m/s

a4——采收機輸出加速度，m/s2

2 主要系統設計

2.1 振動系統

振動源主要來自凸輪轉動與從動件碰撞產生的振動，凸輪設計尤為重要。從動件等平移物體總質量0.7 kg，凸輪對從動件的作用力為

(16)

式中W——凸輪對從動件的作用力，N

N——從動件等平移物體總重力，N

α——壓力角，(°)

φ1——凸輪摩擦角，(°)

l——導軌長度，mmb——懸臂長度，mm

φ2——從動件摩擦角，(°)

在凸輪機構中，壓力角α是一個重要參數，若壓力角α過大，機構將發生自鎖，此時壓力角稱臨界壓力角[23]，其值為

(17)

式中αc——臨界壓力角，(°)

在推程時，直動推桿類型凸輪機構通常取許用壓力角[α]=30°，在回程時，對于力封閉的凸輪機構，由于這時使從動件運動的是封閉力，不存在自鎖的問題，[α]=70°，同時，由于凸輪機構為中低速重載，其運動規律選擇余弦加速度型，推程時運動學方程為

(18)

回程時運動學方程為

(19)

式中v2——凸輪輸出速度，m/s

a2——凸輪輸出加速度，m/s2

因此，凸輪設計參數如表1所示。

2.2 梳刷系統

梳刷系統的傳動部分中關鍵是齒輪傳動系的設計，分度圓上的壓力角為

(20)

式中β——分度圓上的壓力角，(°)

rb——漸開線基圓半徑，mm

r——分度圓半徑，mm

在主動齒輪的設計中，β取標準值20°，從動齒輪根據主動齒輪參數確定，齒輪傳動系運動簡圖如圖3所示。

表1 凸輪設計參數Tab.1 Design parameters of cam

圖3 齒輪傳動系運動簡圖Fig.3 Diagram of movement of gear system

梳刷作為采收機末端執行關鍵部件，直接影響枸杞綜合采收效果，經前期預試驗可知，如圖4所示的3種樣式效果較為理想，材料采用硅酸凝膠，齒高11 mm，每圈齒數8個，其中，Ⅰ型梳刷為斜齒、Ⅱ型梳刷為直齒、Ⅲ型梳刷為人字齒。

圖4 梳刷樣式Fig.4 Styles of comb brush

2.3 回位系統

從動件等平移物體在運動過程中受到阻尼介質的阻力K的作用，其方向與運動方向相反，當運動速度不大時，其大小與從動件等平移物體運動的速度成正比，設比例系數為μ，則有

(21)

由胡克定律可知，彈簧使從動件等平移物體回到平衡位置的彈性恢復力f與從動件等平移物體離開平衡位置的距離成正比，即

f=-cs1

(22)

式中c——彈簧的彈性系數

由牛頓第二定律得

(23)

因此，回位彈簧采用4個8.73×46.8標準彈簧，分別安裝在從動件4個頂點處，滑塊采用HGW20CC型法蘭滑塊，導軌采用HGR20×100標準導軌。

2.4 控制系統

采收機控制系統電路圖如圖5所示，電機Ⅰ采用JS-42GA775型DC24V直流減速電機，額定轉速600 r/min，由DC-24120型大容量鋰聚合物電池供電，電機Ⅰ調速器采用JS直流正反調速板，電機Ⅱ采用XD-37GB520型直流減速電機，由BT-12M4.5AC型直流電源供電，電機Ⅱ調速器采用TELESKY調速板。

3 運動學與動力學仿真分析

3.1 運動學仿真分析

在ADAMS/View環境下對梳刷進行柔性化，梳刷柔性化參數如表2所示。

在此環境下對采收機進行運動學仿真，運動學仿真設計如表3所示。

在ADAMS/PostProcessor環境下，在采收機作用于枸杞鮮果的接觸點添加1個測量點[24-25]，用以測量采收機作用于枸杞鮮果的接觸點位移、速度、加速度，由前期枸杞力學特性試驗可知，熟果與果柄結合力為0.64～1.38 N，青果與果柄結合力為2.21～3.59 N，仿真結果表明：梳刷轉速60～70 r/min、凸輪轉速25～35 r/min、梳刷樣式Ⅱ型時滿足上述條件。通過進一步分析可知，熟果破損力為2.56～3.89 N，在此條件下，當梳刷轉速65 r/min、凸輪轉速30 r/min、梳刷樣式Ⅱ型時枸杞綜合采收效果較好，此時接觸點位移、速度、加速度如圖6所示。

圖5 采收機控制系統電路圖Fig.5 Circuit diagram of control system of harvester

3.2 動力學仿真分析

在ADAMS/View環境下對枸杞鮮果進行柔性化，枸杞鮮果柔性化參數如表4所示。

在此環境下對采收機進行動力學仿真，在梳刷與枸杞鮮果間添加1個接觸力，在ADAMS/PostProcessor環境下，得到上述測量點碰撞力即采收機作用于枸杞鮮果時的接觸力如圖6所示，可知此接觸力大于熟果與果柄的結合力，并且小于熟果破損力，因此可以使熟果從果柄上脫離且不受損傷。

表2 梳刷柔性化參數Tab.2 Flexibility parameters of comb brush

表3 運動學仿真設計Tab.3 Design of kinematics simulation

4 采收機性能試驗

4.1 材料與方法

采用生長狀況良好、果實較多、無病蟲害、無明顯缺陷的寧杞7號為試驗品種，樹齡為4～5年，枸杞樹經人工修剪后高0.6～1.4 m，種植行距為3 m，株距為1 m。本次試驗所用的主要儀器有：由西北農林科技大學機械與電子工程學院研制的振刷式枸杞采收機、AIRAJ型卷尺、華誼PM6612L型數字LED照度計、欣寶DT2236B型轉速/線速表、天福PC2810型秒表計時器。

振刷式枸杞采收機主要是將熟果盡快從果柄上脫離，保證其盡可能完好，同時盡可能減少青果脫落。

圖6 接觸點位移、速度、加速度、接觸力變化曲線Fig.6 Changing curves of displacement, velocity, acceleration and force of contact point

參數數值密度/(kg·mm-3)8.4×10-7彈性模量/MPa0.5泊松比0.35

本次采收機性能試驗以考察枸杞綜合采收效果為主要目的，采收過程中熟果采收率直接影響采收效果，同時采收過程中對青果的錯采和熟果的損壞直接影響枸杞總產量及經濟效益，因此，選取熟果采收率Y1、青果錯采率Y2、熟果破損率Y3作為本次采收機性能試驗的3個指標，其計算公式為

(24)

(25)

(26)

式中n1——已采枸杞熟果數量，個

n2——漏采枸杞熟果數量，個

n3——已采枸杞青果數量，個

n4——未采枸杞青果數量，個

n5——已采枸杞熟果破損數量，個

試驗時間為2018年6月27日，試驗地點為寧夏回族自治區中衛市中寧縣(7°32′48.2″N,105°40′25.9″E)，氣溫25.6℃，相對濕度29.8%，光照強度418.9 Lx。通過前述原理分析和查閱文獻資料，確定影響采收機性能的主要因素有梳刷轉速、凸輪轉速、梳刷樣式等。由前期預試驗及前述仿真分析，確定各因素取值范圍：梳刷轉速為60～70 r/min，凸輪轉速為25～35 r/min，梳刷樣式為Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型。為方便后續計算，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型分別記為1、2、3。梳刷轉速、凸輪轉速分別通過電機Ⅱ調速器、電機Ⅰ調速器調節并由欣寶DT2236B型轉速/線速表測量，梳刷樣式通過更換梳刷改變。考慮到采收效率，本次試驗每組采收時間為5 s，由天福PC2810型秒表計時器計時。

試驗采用三因素三水平二次正交旋轉組合試驗[26]，因素編碼如表5所示，試驗方案及結果如表6(X1、X2、X3為因素編碼值)所示，共進行17組試驗，每組試驗進行5次，取5次試驗結果的平均值作為該組試驗結果。試驗方案設計及結果分析應用Design-Expert 8.0.6軟件完成。

表5 因素編碼Tab.5 Codes of factors

4.2 結果與分析

4.2.1試驗結果回歸分析

經Design-Expert 8.0.6軟件分析，得到以熟果采收率為響應函數、以各因素編碼值為自變量的回歸數學模型為

(27)

表6 試驗方案及結果Tab.6 Experiment schemes and results

表7 熟果采收率方差分析Tab.7 Variance analysis of harvesting rate of ripe L. barbarum

同上，得到以青果錯采率為響應函數、以各因素編碼值為自變量的回歸數學模型為

(28)

表8 青果錯采率方差分析Tab.8 Variance analysis of harvesting rate of unripe L. barbarum

同上，得到以熟果破損率為響應函數、以各因素編碼值為自變量的回歸數學模型為

(29)

4.2.2試驗結果響應曲面分析

應用響應曲面法分析各因素對熟果采收率的影響，作出熟果采收率回歸方程的響應曲面如圖7所示。由式(27)和表7可知，在各因素中，梳刷樣式對熟果采收率影響最大，其次是凸輪轉速，最小是梳刷轉速，各因素交互作用影響不顯著。如圖7a所示，隨著梳刷轉速的提高，熟果采收率先快速增大，后緩慢減小。如圖7b所示，梳刷樣式為Ⅱ型時，熟果采收率較大，其次是Ⅲ型，最小是Ⅰ型。如圖7c所示，隨著凸輪轉速的提高，熟果采收率先快速增大，后緩慢減小。

應用響應曲面法分析各因素對青果錯采率的影響，作出青果錯采率回歸方程的響應曲面如圖8所示。由式(28)和表8可知，在各因素中，凸輪轉速和梳刷樣式對青果錯采率影響最大，最小是梳刷轉速，凸輪轉速和梳刷樣式交互作用影響顯著。如圖8a所示，隨著梳刷轉速的提高，青果錯采率先緩慢減小，后快速增大。如圖8b所示，梳刷樣式為Ⅱ型時，青果錯采率較小，其次是Ⅰ型，最大是Ⅲ型。如圖8c所示，隨著凸輪轉速的提高，青果錯采率先緩慢減小，后快速增大。

應用響應曲面法分析各因素對熟果破損率的影響，作出熟果破損率回歸方程的響應曲面如圖9所示。由式(29)和表9可知，在各因素中，梳刷轉速對熟果破損率影響最大，其次是梳刷樣式，最小是凸輪轉速，各因素交互作用影響不顯著。如圖9a所示，隨著梳刷轉速的提高，熟果破損率先緩慢減小，后快速增大。如圖9b所示，梳刷樣式為Ⅱ型時，熟果破損率較小，其次是Ⅰ型，最大是Ⅲ型。如圖9c所示，隨著凸輪轉速的提高，熟果破損率先快速減小，后快速增大。

采用Design-Expert 8.0.6軟件獲得各因素的最佳參數組合為：梳刷轉速64.52 r/min、凸輪轉速29.68 r/min、梳刷樣式Ⅱ型。

5 試驗驗證

田間試驗在2018年6月29日進行，為消除試驗中的隨機誤差，重復進行15次試驗，采用OLYMPUS i-speed TR型高速攝影機以100 f/s、時間間隔20 ms、記錄時長80 ms枸杞振刷采收過程，如圖10所示，紅色標記表示枸杞鮮果在振刷采收過程中每隔20 ms的位置坐標。田間試驗表明，熟果采收率為89.12%，青果錯采率為5.87%，熟果破損率為6.24%。

圖8 各因素對青果錯采率影響的響應曲面Fig.8 Response surfaces of influence of various factors on harvesting rate of unripe L. barbarum

圖9 各因素對熟果破損率影響的響應曲面Fig.9 Response surfaces of influence of various factors on damage rate of ripe L. barbarum

圖10 枸杞振刷采收過程Fig.10 Process of vibrating and comb brushing harvesting for L. barbarum

6 結論

(1)為了實現枸杞機械采收的高效、低損，融合振動和梳刷原理，設計了一種便攜振刷式枸杞采收機，主要由振動系統、梳刷系統、回位系統及控制系統4部分組成。

(2)根據枸杞鮮果與果柄脫離機理，采用單個集中質量力學模型，建立了采收機動力學模型，得到了采收機作用于枸杞鮮果的接觸點位移、速度、加速度方程。

(3)運用ADAMS對梳刷和枸杞鮮果進行了柔性化并對采收機進行了運動學與動力學仿真，得到

了采收機作用于枸杞鮮果的接觸點位移、速度、加速度和采收機作用于枸杞鮮果時的接觸力，結果表明：梳刷轉速60～70 r/min、凸輪轉速25～35 r/min、梳刷樣式Ⅱ型時，熟果可以從果柄上脫離且不受損傷。

(4)采用三因素三水平二次正交旋轉組合試驗，建立了熟果采收率、青果錯采率、熟果破損率與梳刷轉速、凸輪轉速、梳刷樣式之間的數學模型，分析了各因素對熟果采收率、青果錯采率、熟果破損率的影響，確定了最佳參數組合：梳刷轉速64.52 r/min、凸輪轉速29.68 r/min、梳刷樣式Ⅱ型，并進行了田間試驗驗證。田間試驗表明，熟果采收率為89.12%，青果錯采率為5.87%，熟果破損率為6.24%。