枸杞氣吸采摘參數試驗研究

王榮炎，鄭志安，徐麗明，吳 剛，陳俊威，袁全春，馬 帥，于暢暢，段壯壯，邢潔潔

(中國農業大學 工學院，北京 100083)

0 引言

枸杞系茄科、枸杞屬，有益精明目、滋肝補腎、提高人體免疫力等功效，可藥食兩用[1-2]。枸杞具有無限花序，連續花果，隨熟隨采的特點，目前主要為人工采摘，采收勞動強度大、作業環境差、采收效率僅為3～5kg/h，采收費約占枸杞生產總成本的50%以上[3]，采收環節嚴重制約了枸杞產業發展。隨著枸杞種植面積逐年增加，迫切需要研制枸杞采收機械。

現有氣力式漿果采摘機械有很多，如楊浩生[4]設計的氣吸振動式枸杞采收機；傅隆生[5]等人設計的一種氣吸式沙棘果實采收裝置，增置了果葉分離功能。張換高[6]等研發的氣吸式枸杞采摘機，由機架、采集裝置、動力裝置和存儲裝置等構成。該采摘器存在的主要問題是：機具產生的氣壓大小和氣體流量比較有限，氣壓經過氣管時產生很大阻力，從而造成壓力損失，難以持續提供穩定的、使成熟枸杞脫落的氣壓。石志剛[7]等研制了隧道式、多頻率、高風壓組合型自走式枸杞鮮果采摘樣機，并進行了田間試驗。以上研究并未針對枸杞果實、果柄之間的氣吸脫落條件進行研究，未確定氣吸采摘枸杞的主要影響因素。為此，結合枸杞的特性，分別對成熟和未成熟枸杞的氣吸式采摘參數進行了研究，以便提高氣吸采摘枸杞效率的同時降低破果率。

氣吸式枸杞采摘機械是通過氣吸式結構，在抽風機的作用下使氣吸管道內產生負壓，當吸力大于果實和果柄之間的連接力時果實脫落。氣吸式采摘是一種非接觸采摘方式，避免了機械接觸給果樹和果實的傷害，研制氣吸式枸杞采摘機需要對枸杞的氣力特性進行研究。本文首先測試枸杞的力學參數，通過FLUENT軟件分析氣吸管道內部的流場速度和壓力分布，利用枸杞氣吸式采摘試驗裝置進行枸杞氣吸脫落試驗，確定氣吸采摘枸杞所需要的最佳管徑、風速風壓等相關參數，為枸杞和其他小漿果氣吸式采摘機的設計和研發提供參考。

1 結構原理與工作過程分析

氣吸式枸杞采摘試驗裝置主要由電機、抽風機、無極調速旋鈕、吸風口、氣吸管道、收集桶和萬向輪等組成，如圖1所示。裝置的相關參數包括：收集桶直徑為335mm，高度為685mm，容量為35L，吸口直徑為30mm，風機功率為1 400W，工作電壓為220V，能夠滿足測試不同成熟度枸杞的氣吸采摘試驗。

氣吸式枸杞采摘試驗裝置工作時，由電機給抽風機提供動力，電機帶動抽風機高速旋轉，收集桶內產生負壓，負壓氣流經過氣吸管道，氣吸管道一端與收集桶上的吸風口相連，另一端沿著枸杞枝條以不同角度給枸杞果實提供吸力；通過無極調速旋鈕調節電機轉速(調節范圍 0～3 100r/min)，進而改變收集桶和氣吸管道內的風速和風壓，電機轉速越快，風速和風壓越大，吸力越強；當吸力大于果實和果柄之間的連接力時，果實脫落，完成采摘。

1.萬向輪 2.吸風口 3.氣吸管道 4.防塵罩 5.抽風機 6.無極調速旋鈕 7.散熱口 8.電機 9.收集桶圖1 氣吸式枸杞采摘試驗裝置Fig.1 Air-suction test device of Lycium barbarum

2 枸杞相關參數測定

2.1 枸杞物理特性參數測定

氣吸式小漿果采摘機的采摘效果很大程度上受小漿果自身物理性質的影響，首先測試枸杞的相關物理特性參數。以河北省秦皇島市種植的中國枸杞(Lycium chinese Mill)為測試對象，測量方法如下：隨機選取10株枸杞植株，樹齡為10年生，每株枸杞樹作為一個樣本，采摘所需數量的成熟和未成熟枸杞。枸杞成熟度還沒有國家標準，通常紅色枸杞即為成熟枸杞，其他顏色均未成熟，而本文提到的未成熟枸杞皆為橙黃色枸杞。采用游標卡尺測量枸杞橫軸長度a、縱軸長度b及果柄長度l，如圖2所示。

a.橫軸長度(mm) b.縱軸長度(mm) l.果柄長度(mm)圖2 枸杞的長度參數Fig.2 Length parameters of lycium barbarum

用電子秤測枸杞質量m，用RGM-2XXX 型電子萬能材料試驗機(精度±0.5%)和自制夾具進行準靜態拉壓試驗，測枸杞果實橫向抗壓力、縱向抗壓力和枸杞果實-果柄之間的連接力；用排水法測量枸杞果實密度ρ，計算得到10組數據的平均值和對應的標準差，如表1、表2所示。

表1 枸杞果實-果柄結合力范圍Table 1 Range of binding force between lycium and pedicel

表2 枸杞果實及果柄的物理參數Table 2 Physical parameters of fruits and pedicel of Lycium

2.2 枸杞摩擦系數測定

氣吸采摘枸杞過程中，枸杞果實在氣吸管道中隨氣流運動，不可避免地造成果實之間或果實與氣吸管道內壁之間的碰撞與摩擦[8]，本文主要研究枸杞氣吸采摘特性，研究對象為單顆或幾顆枸杞，暫不考慮枸杞果實之間的相互作用。因果實與氣吸管道內壁之間存在摩擦與碰撞，所以氣吸管道材質的選擇將影響枸杞的破碎率，進而影響枸杞的品質與產量。其中，橡膠、泡沫和PVC均可作為氣吸管道的內壁材料，借助摩擦因數儀，采用拖動法測試枸杞果實與兩種內壁材料之間的動靜摩擦因數，各進行5組重復試驗，取平均值，得到枸杞動、靜摩擦因數如表3所示。

表3 枸杞果實摩擦因數表Table 3 Friction coefficientTable of lycium barbarum

橡膠層和PVC板厚度均為5mm。

2.3 枸杞碰撞恢復系數測定

在氣吸采摘枸杞試驗中，碰撞恢復系數同樣可為氣吸管道材料的選擇提供一定依據。使用自制的碰撞恢復系數試驗臺測試枸杞果實的碰撞恢復系數[9]，則有

(1)

(2)

(3)

其中，h為果實碰撞前的下落高度，收集盒設置h1和h2兩個高度；s1和s2分別為果實降落點的水平位移和豎直位移；Cr為恢復系數；vn為顆粒碰撞后的法向分速度(m/s)；von為碰撞前的法向分速度(m/s)；vx為粒碰撞后水平方向的分速度(m/s)；vy為顆粒碰撞后垂直方向的分速度(m/s)；vo為碰撞前的瞬時速度(m/s)。

以枸杞果實成熟度、碰撞材料、下落高度為因素，選正交表L9(34)，進行枸杞果實碰撞恢復系數的正交試驗，試驗所取因素與水平如表4 所示。

表4 碰撞試驗因素水平表Table 4 Factor level of collision test

每組試驗重復20次，取20次的平均值作為該組的試驗結果，得出每組的碰撞恢復系數。試驗設計及結果如表5所示，方差分析如表6所示。

表5 試驗設計及結果Table 5 Design and results of actual test

續表5

試驗中各碰撞材料的厚度為5mm。

表6 方差分析結果Table 6 The result of analysis of variance

恢復系數Cr越大，說明果實顆粒碰撞反彈后的速度越接近碰撞反彈之前速度，即彈性恢復變形的能力越強[9]。由表5和表6可得，碰撞材料和下落高度對枸杞果實恢復系數的影響顯著。碰撞材料中PVC材料對恢復系數的影響最大，橡膠材料最小，其次是泡沫材料。這是由于PVC塑料的硬度較大，枸杞果實和PVC板碰撞時擠壓變形小，而橡膠較軟，碰撞變形量大，有一定的減震作用，所以選用橡膠作為氣吸管道的內壁材料。

氣吸采摘枸杞時應設置適宜的風速，風速過大，果實會與管壁碰撞造成破損；風速過小，枸杞果實難以脫落，采摘效率降低，所以風速的選擇既要保證采摘效率也要獲得較低的破果率。

3 氣吸管道仿真分析

采用FLUENT 軟件，對氣吸管道中壓力和風速變化及分布情況進行模擬仿真。對于本氣吸管道模型，氣體入口邊界采用速度入口(velocity-inlet)邊界條件，出口邊界采用自由出流(outflow)的邊界條件，其余邊界設置為固壁邊界(wall)的邊界條件[10]。設置不同邊界條件仿真分析，得到氣吸管道內部壓力分布如圖3所示。其不同深度代表不同的壓力數值，單位為Pa；得到氣吸管道內部氣流速度分布如圖4所示。其不同深度代表不同的速度數值，單位為m/s。限于篇幅限制，僅列出25mm和32mm管徑的壓力分布云圖和速度分布云圖。

圖3 氣吸管道內部壓力分布云圖Fig.3 Nephogram of pressure distribution in gas suction pipe

圖4 氣吸管道內部速度分布云圖Fig.4 Nephogram of velocity distribution in gas suction pipe

圖3為壓力分布云圖，從淺色向深色壓力數值逐漸變小，但氣吸管道內是負壓，所以實際壓力是變大的。氣吸管道內部壓力隨氣流流動方向逐漸降低，同一管徑下，隨著流量的增加，氣吸管道出入口的氣壓都隨之增大；氣吸管道出入口處壓力分布最不均勻，氣吸管道壓降ΔP越大，說明氣流壓力損失越大，能量消耗越多，枸杞果實最終受到的吸力越小。圖4為速度分布云圖，管徑25mm的氣吸管道淺色區域較多，代表風速較高，枸杞果實所受吸力大；管徑32mm的氣吸管內氣流速度不穩定，氣吸管內整體風速不高。

以φ=25mm的氣吸管道為例，將氣吸管道入口與出口的壓力和風速分別取值，并計算出壓力差和速度差，出入口的壓力差分別約為52、240、204Pa，與實測出入口的壓降接近，誤差分別為5.45%、4.00%、3.77%；出入口的速度差約為0.75、6.40、5.01m/s，與實測出入口的速度差值接近，誤差分別為5.56%、3.03%、5.47%。經計算，3種氣吸管道壓力誤差和速度誤差均在允許范圍之內，說明該試驗數據具有可靠性。

綜合比較，管徑25mm的氣吸管要優于管徑32mm的氣吸管，因此管徑25mm更適用于枸杞氣吸采摘裝置。但考慮到枸杞果實的破碎問題，氣吸管道不是越細越好，氣吸管道的壓力和速度并非越大越好，所以還要根據實際試驗來驗證最佳的氣吸管徑和風速風壓大小。

4 試驗與分析

4.1 試驗設備與器材

利用氣吸式枸杞采摘試驗裝置，分別對兩種成熟度枸杞進行氣吸脫落試驗，以便找到氣吸采摘枸杞的最佳工作參數，減小對未成熟枸杞的破壞并降低成熟枸杞破果率，并確定氣吸采摘枸杞的角度、氣吸管道尺寸及風壓風速等因素對枸杞采摘效果及破果率的影響。

試驗材料：氣吸式枸杞采摘試驗裝置、秒表、智能壓力風速儀XY1000-1F。試驗地點為河北省秦皇島市枸杞種植園，測試的是樹齡為10年生的中國枸杞(Lycium chinese Mill)，測量時間為2017年7月24日。

4.2 試驗方法

經預試驗發現，16mm和19mm的氣吸管由于管道較細，在工作時易使管道堵塞且破果率高，而42mm的管道管口處吸力較弱，枸杞脫落用時較長，故田間試驗確定使用管徑為22、25、32mm，管長均為500mm的氣吸管道。以氣吸管道管徑A、吸風口風速B、氣吸角度C為試驗因素，以枸杞果實脫落所需時間T和破果率為指標，進行成熟枸杞和未成熟枸杞兩組試驗。選取L9(34)表進行正交試驗，試驗因素取值范圍如表7所示。

表7 試驗的因素水平表Table 7 Table of test factors level

由于氣吸式枸杞采摘試驗裝置吸風口和氣吸管道的直徑不同，導致在同一檔位下，兩處的風速風壓和氣流量不同。在枸杞氣吸采摘試驗開始前，借助智能壓力風速儀XY1000-1F分別測22、25、32mm3種規格氣吸管道出入口的風速風壓。在相同檔位下，兩處的風速風壓和氣流量對應值如表8所示。

表8 氣吸管道出入口對應的風速風壓和流量值Table 8 Table of Values of wind speed, wind pressure and flow rate of inlet and outlet of suction pipe

由于氣吸式枸杞采摘試驗裝置的吸風口直徑為35mm，大于選用的3種規格的氣吸管道，所以在吸風口出的風速最小，風壓小。隨機選取10株枸杞植株作為測量對象，握住氣吸管道，貼近枸杞枝條移動，氣吸管口的負壓將枸杞的果柄由鉛垂狀變為偏離鉛垂線，與鉛垂線分別呈0°、45°、90°夾角；當吸力大于果實-果柄連接力時，枸杞果實從果枝上脫落進入氣吸管道，在負壓的作用下跟隨氣流進入收集箱；記錄每顆果實脫落所需時間，統計每組試驗枸杞果實的破碎情況，試驗后挑選破損的枸杞，計算破果率，即

w=(n1/n)×100%

(4)

其中，w為破果率(%)；n1為果實破碎個數；n為果實總數。

4.3 試驗結果與分析

每組試驗重復30次，取30次的平均值作為該組試驗結果。試驗設計及結果如表9所示。

表9 試驗設計及結果Table 9 Design and results of actual test

續表9

根據試驗結果對指標時間T和破果率進行方差分析，如表10所示。

由表10可知：對于成熟枸杞和未成熟枸杞脫落時間T1和T2，均是氣吸角度為顯著性因素，管徑和吸風口風速不顯著，即對枸杞果實脫落所需時間影響最顯著的因素為氣吸角度；對于破果率，管徑是顯著性因素，即對破果率影響最顯著的因素為氣吸管徑。分析可得：氣吸角度越大，枸杞果實越易脫落；氣吸管徑越小，破果率越高。試驗誤差的來源主要是枸杞果實自身物理特性的差異。

表10 方差分析結果Table 10 Variance analysis result

顯著性水平α=0.05，*
表示顯著。

結合試驗結果進行分析：成熟枸杞和未成熟枸杞脫落所需時間最短均出現在第3組試驗中，即當管徑為22mm、吸風口風速為31m/s、氣吸角度為90°時，枸杞果實最容易脫落，成熟和未成熟枸杞脫落所需時間分別為1.65s和8.27s，但此時破果率為16.67%。而破果率在第7組和第9組時最小，均為3.33%，第7組試驗，管徑為32mm、吸風口風速為24.69m/s、氣吸角度為90°時，成熟和未成熟枸杞脫落所需時間分別為12.05s和18.00s；第9組試驗，管徑為32mm、吸風口風速為31m/s、氣吸角度為45°，成熟和未成熟枸杞脫落所需時間分別為13.24s和22.00s,可以看出在這兩組試驗參數下枸杞果實脫落所需時間較長。綜合考慮，可以觀察到第5組實驗氣吸效果最佳，即以管徑為25mm、吸風口風速為27.5m/s、氣吸角度為90°為最佳因素組合，此時成熟和未成熟枸杞脫落所需時間分別為1.92s和9.64s，破果率為6.67%。該組試驗成熟枸杞脫落所需時間短，與未成熟枸杞脫落存在較長時間差，即成熟枸杞果實脫落時，對未成熟枸杞的影響較小，且破果率相對較低，能夠降低枸杞產量損失。

5 結論

1)氣吸角度和氣吸管徑對枸杞氣吸脫落效果影響最顯著。隨著氣體流量的增加，枸杞脫落所需時間減少但破果率隨之增大。

2)確定了該氣吸式枸杞采摘試驗裝置的最佳管徑為25mm，風速為27.5m/s，氣吸角度為90°。此時，成熟枸杞脫落所需時間為1.92s，破果率較低為6.67%。

3)研究成果可為氣吸式枸杞采摘機研發提供技術依據和方法，對小漿果機械化收獲作業具有一定的指導意義。