鮮食大豆收獲機彈齒滾筒式采摘裝置設計與試驗

劉志遠 金誠謙 袁文勝 馮玉崗 袁建明

(1.農業農村部南京農業機械化研究所， 南京 210014； 2.武漢理工大學交通與物流工程學院， 武漢 430063)

0 引言

鮮食大豆俗稱毛豆，也稱青大豆，是種子在鼓粒盛期至初熟期作為一種蔬菜來采摘的大豆類型。20世紀80年代以來，國內外市場對鮮食大豆的需求量不斷增加，從事鮮食大豆相關生產的產業增多，依靠傳統手工采摘豆莢這種方式成本高，效率低，嚴重制約著國內鮮食大豆產業的發展[1]。因此，研發鮮食大豆收獲機械裝備，應用推廣高效率、高質量機械化收獲方式具有十分重要的意義。

鮮食大豆的收獲主要是采摘收集豆莢，收獲形式主要分為割后場上脫莢和田間直接脫莢等。在土地條件較差或種植模式不適合機器田間作業的地區，需要收割植株后再集中進行脫莢。因此，鮮食大豆場上脫莢機具得到研發和應用。場上脫莢機主要是由電機提供動力，脫莢機構將豆莢和豆葉一起從植株上脫下，再進行篩選獲取干凈豆莢。秦廣明等[2]設計了5TD60型青大豆脫莢機，采用雙對輥脫莢機構，與送料方向呈45°和70°夾角的兩對脫莢輥分次脫莢。王福義[3]設計了5MDZJ-380-1400型鮮食大豆摘莢機器，帶有橡膠指的滾筒與夾持機構呈一定角度，實現由滾筒上膠指從株頂到根部梳脫豆莢的功能。場上脫莢機需要人工單株喂料，效率較低，且前期收割運輸費時費力，在提高鮮食大豆收獲效率方面作用有限。

與其它莢果類作物收獲機械發展相似[4-5]，效率更高的田間聯合收獲方式逐漸得到了重視和發展。莢果類作物聯合收獲采摘機構通常可分為臥式滾筒機構[6-8]和立式對輥機構[9-11]，立式對輥機構為對行作業，植株從輥間隙通過，在脫莢輥高速旋轉擊打和螺旋摘捋作用下分離莢果和莖稈。趙映等[12]對立式輥脫莢裝置構建了莢-柄分離力學模型，確定了脫莢輥轉速、喂料速度和對輥間距為影響脫莢率和破損率的主要因素，并得出了因素最優參數組合。金月等[13]對脫莢輥傾斜角度和類型做了試驗測試，結果表明最佳輥型為螺旋式，傾斜角度為30°。大豆常采用起壟種植模式，使用不同種植和田間管理機械會造成行距不一致[14-16]，而立式對輥結構受制于種植間距不一，很難有效同時多行采摘。于是兼具高效率和高適應性的臥式滾筒機構得到了更多的研究。MBUVI等[17]和ZANDONAD等[18]分別采用不同型號的滾筒式豌豆聯合收獲機進行鮮食大豆收獲，損失率最高達到45%，對鮮食大豆作業效果不理想。于是對鮮食大豆聯合收獲專用采摘裝置進行研究。張凱等[19]設計了一種梳齒滾筒式采摘裝置虛擬樣機，對其運動軌跡做出了模擬。王顯峰[20]對自走式鮮食大豆摘莢機進行了整體初步設計，采摘裝置采用彈齒滾筒形式，并對彈齒排數和滾筒直徑取值進行了初步分析，但其結構設計缺少理論依據，主要參數未得到試驗驗證。涂福泉等[21]設計了雙彈指采摘裝置，固定彈指和受偏心輪槽作用的伸縮彈指相互配合，用來模擬人工慢速采摘豆莢，但仍停留在虛擬樣機階段，實際作業效果未得到有效驗證。

綜上所述，目前國內針對鮮食大豆聯合收獲專用采摘裝置的研究大多停留在設計研發階段，所設計機構仍為虛擬樣機，其結構合理性及作業效果未得到有效的驗證。本文根據鮮食大豆種植模式和物理特性設計了彈齒滾筒式采摘機構，對采摘裝置具體結構進行優化改進，并通過實際試驗優化裝置工作參數，驗證彈齒滾筒采摘裝置作業效果。以期為彈齒滾筒式鮮食大豆收獲裝備的設計和優化提供參考。

1 鮮食大豆植株物理特性參數

國內鮮食大豆種植區域主要分布在江蘇、浙江、福建、東北、海南等地區[22]。選取測試的品種為浙江省慈溪市種植的“浙鮮86”，生育期75 d，采用起壟種植，于2020年7月7日選取長勢一致良好的田塊，采用五點法取樣，每個取樣點15株鮮食大豆植株。利用卷尺(量程2 m，精度1 mm)、數顯游標卡尺(量程200 mm, 精度0.01 mm)、UTM6503型電子材料萬能試驗機(傳感器規格為5 kN，位移分辨率為0.01 mm，加載速率為0.01～500 mm/min)等儀器進行生長特性和物理特性測量(圖1)，得到參數如表1所示。莢-柄分離力為14.3 N，標準差為3.8 N，變異系數為26.6%。

圖1 植株物理特性測量Fig.1 Measurement of plant physical properties

2 采摘裝置結構設計

2.1 采摘裝置總體結構和作業原理

采摘機構是鮮食大豆聯合收獲機的核心裝置，工作原理通常是用齒形梳刷的機構將豆莢從植株上分離。生產應用中，具有相似功能的梳刷齒形按結構不同主要有梳齒滾筒、釘齒滾筒和彈齒滾筒等幾種。對比幾種結構分別收獲洋甘菊、野生藍莓、辣椒等作物的效果，梳齒容易造成植物堵塞齒隙影響收獲，釘齒則容易損傷果莢，因此鮮食大豆收獲采用彈齒滾筒結構來減少堵塞和損傷[23-27]。彈齒滾筒式采摘機構總體由液壓機構、分禾機構、彈齒滾筒、罩殼、地輥等部分構成，其結構如圖2所示。

表1 鮮食大豆植株物理特性參數Tab.1 Vegetable soybean plants physical characteristics parameters

圖2 彈齒滾筒式鮮食大豆收獲機采摘機構結構簡圖Fig.2 Structure diagram of picking mechanism of spring-tooth drum vegetable soybean harvester1.分禾機構 2.上蓋板 3.彈齒滾筒 4.地輥 5.側擋板 6、7.液壓裝置

工作原理如圖3所示，作業時機具向右前進，滾筒逆時針旋轉。滾筒上的彈齒對豆莢產生由下向上的擊打作用力，使豆莢產生瞬時加速，沖擊力克服豆莢和莖稈之間的結合力，使豆莢從植株上分離。整個采收過程彈齒滾筒功能區分為4部分: ①a～b為接觸擊打區域，彈齒和豆莢接觸，通過擊打梳脫使豆莢和莖稈分開。②b～c為攜帶輸送區域，脫落的豆莢依靠慣性進入滾筒上半部，在上蓋板滾筒之間，豆莢被攜帶到采摘臺后方。③c～d為卸料拋送區域，豆莢逐漸和彈齒分離，拋送到后下方輸送帶上。④d～a為空回區域，彈齒基本不與豆莢接觸。梳脫后的植株主莖稈仍留在地上，葉片、豆莢、分枝則被滾筒攜帶拋送到后方傳送帶上，進入后續清選收集工作。

圖3 鮮食大豆彈齒滾筒采摘機構作業原理圖Fig.3 Schematic of picking pods by spring-tooth drum mechanism1.彈齒滾筒 2.鮮食大豆植株 3.彈齒-底莢接觸點

2.2 彈齒滾筒參數設計及影響因素確定

2.2.1彈齒滾筒參數設計

2.2.1.1滾筒半徑

鮮食大豆豆莢主要分布在植株中間，為確保采摘區域能夠覆蓋所有結莢區域，滾筒上彈齒端點到軸心的半徑(簡稱滾筒半徑R)應適應植株物理特性。滾筒半徑由結莢區域高度、底莢高度、彈齒和底莢接觸位置、滾筒距地高度等決定，為了擊脫后的豆莢不被彈出滾筒，能夠依靠慣性進入上部的攜帶輸送區域，彈齒和底莢的接觸點應在和彈齒最低點呈角度θ的點a(圖3)處，彈齒最低點應低于底莢高度。且為避免發生鏟土現象，彈齒最低點與地面之間需要留有一定距離，滿足

(1)

式中H1——底莢高度，mm

為使滾筒半徑能夠覆蓋整個結莢區域，需要滿足

Rcosθ≥H2

(2)

式中H2——結莢范圍高度，mm

整理可得滾筒半徑R的取值范圍為

(3)

此時，彈齒最低點距離地面高度為

H3=H1-(R-Rcosθ)

(4)

式中H3——彈齒最低點距地高度，mm

根據表1中所測量統計的物理參數，鮮食大豆植株結莢范圍長度H2定為28 cm，底莢高度H1定為10 cm。根據式(3)可以計算出角度θ需要小于42°。根據式(4)可知，當滾筒半徑一定時，θ越大則距地高度越小，因此θ不宜過大，此處θ取 30°。滾筒半徑R的取值范圍為32.3～75.2 cm。當θ為30°，距地高度5 cm，綜合考慮整體結構尺寸，選取滾筒半徑R為40 cm。

2.2.1.2彈齒結構

如圖4所示，滾筒上沿圓周均勻分布N排彈齒，彈齒由螺栓連接在固定梁上。彈齒可視為懸臂梁結構，如圖5所示。

圖4 滾筒結構和彈齒布局Fig.4 Drum construction and spring tooth arrangement1.彈齒約束軸 2.滾筒軸 3.彈齒梁 4.彈齒

圖5 彈齒受力分析Fig.5 Force analysis of spring teeth1.彈齒梁 2.彈齒約束軸 3.彈齒

受外部周期沖擊載荷，正常工作時總沖擊載荷F可表示為

F=F1+F2+F3

(5)

式中F1——彈齒和植株摩擦力，N

F2——葉片莖稈阻力，N

F3——彈齒和豆莢碰撞力，N

彈齒所受彎矩M可表示為

M=L1Fcosφ

(6)

式中L1——彈齒端點到根部的力臂，cm

φ——合力與力臂法向夾角，(°)

彈齒端點撓度δ為

(7)

(8)

式中E——彈齒材料彈性模量，MPa

I——彈齒截面慣性矩，mm4

d——彈齒直徑，mm

最大靜應力σ為

(9)

(10)

式中W——抗彎截面系數，mm3

彈齒材料為65 Mn彈簧鋼，楊氏模量為1.97×1011MPa，L1為20 cm，直徑為5 mm。彈齒所受合力來源主要是和豆莢碰撞克服莢-柄斷裂的力，由前期試驗知莢柄斷裂需要的力為9～18 N，取最大值的1.5倍，在此記合力Fcosφ為27 N。根據式(7)計算出彈齒前端沖擊點靜撓度為10.86 mm。根據式(9)計算出彈齒根部最大靜應力為407 MPa。為提高彈齒使用壽命，每排彈齒都通過約束軸來減小沖擊力臂(L2為彈齒端點到約束軸的力臂，cm)，限制彈齒的最大形變，減少彈齒根部應力集中。

鮮食大豆行距40 cm，為了一次能夠收獲兩行豆莢，滾筒長度定為800 mm。彈齒間距為80 mm，相鄰兩排之間的彈齒錯開布置。

豆莢橫向主要成簇集中在主莖干四周，為確保作業時每株豆莢都能梳脫干凈，需要多次擊打同一植株結莢區域。滾筒經過植株結莢區域時間t可表示為

(11)

式中O——結莢區域寬度，cm

vf——機具前進速度，m/s

在此期間滾筒轉過角度λ為

(12)

式中ω——滾筒角速度，rad/s

設每簇豆莢經過彈齒n次擊打能夠采摘干凈，則滾筒上彈齒總排數N和n之間關系可表示為

(13)

參考表1結莢區域寬度O定為8 cm，機具前進速度參考一般收獲機械選為3 km/h，則彈齒總排數N和擊打次數n成正比，和滾筒轉速成反比。經過彈齒擊打豆莢初步試驗測試可知，當彈齒線速度超過10 m/s時，豆莢破損率明顯增加。因此，滾筒轉速選擇較小值200 r/min，此時N可表示為

N=3n

(14)

由于鮮食大豆豆莢分布密集，為了較好的采摘效果，此處選取較大值n為6，則彈齒總排數定為18排。

2.2.2作業效果影響因素

為了豆莢能夠被有效的收集，需要對最底部豆莢進行運動分析，底莢應能夠順利進入滾筒和上蓋板覆蓋區域。如圖6，彈齒在接觸豆莢時的速度是由跟隨滾筒旋轉和機具前進兩部分速度合成的，即

vt=vr+vf

(15)

其中

vr=2πωR

(16)

(17)

式中vr——彈齒端點切向速度，m/s

vt——vr和vf的合速度，m/s

圖6 底莢運動方向示意圖Fig.6 Schematic of bottom pod velocity1.底莢 2.彈齒

撞擊后豆莢速度方向和彈齒速度一致，豆莢速度vp可表示為

vp=Kvt

(18)

式中K為系數，豆莢速度的水平和豎直分量分別表示為

vpx=vpcosβ=Kvtcosβvpy=vpsinβ=Kvtsinβ

(19)

式中β——豆莢速度和水平線夾角，(°)

如圖3，要使最底部豆莢不被彈出掉落在地，則底莢相對蓋板點b平位移為s時，相對蓋板點b處豎直位移Sy大于豎直距離Rcosθ。S和時間t1之間關系可表示為

S=vpxt1-vft1

(20)

(21)

在t1時間內，底莢相對蓋板點b豎直距離和豎直位移關系式為

(22)

由式(22)可知，豎直位移Sy是與彈齒速度vt及機具前進速度vf相關的函數，vt又與滾筒角速度ω、機具前進速度vf、距地高度H3相關，因此可推出影響機具采收性能主要影響因素為滾筒轉速、機具前進速度、割臺距地高度。為驗證理論分析，提高采摘裝置作業性能，對齒滾筒式采摘裝置進行單因素和多因素試驗。

3 試驗

3.1 試驗材料及儀器設備

2021年11月在浙江省杭州市蕭山區選取適收期“浙鮮86”鮮食大豆植株作為試驗材料，選取的田塊鮮食大豆產量為11 250 kg/hm2，平均株高46.3 cm，平均底莢高度9.6 cm。試驗儀器有自主設計彈齒滾筒采摘試驗臺(圖7)、AR926型轉速表、電子天平、游標卡尺(精度0.02 mm)、50 m皮尺、網袋等。每次試驗夾持機構固定3株植株，株距25 cm，由步進電機驅動傳送帶并帶動夾持機構按要求速度直線運動，變頻器調節頻率改變三相電機驅動滾筒的轉速。

圖7 試驗臺架和作業場景Fig.7 Photo of test bench and its working scene

3.2 試驗設計

3.2.1試驗因素與指標

試驗因素選取前進速度(物料進給速度)、滾筒轉速、割臺高度。選取的試驗指標為豆莢掉落率Y1、掛枝率Y2和破損率Y3，分別表示為

(23)

(24)

(25)

總損失率YT為

YT=Y1+Y2+Y3

(26)

式中MT——每次試驗全部豆莢總質量，g

ML——每次試驗后掉落地面上豆莢總質量，g

MB——每次試驗后仍和莖稈連接的豆莢總質量，g

MD——每次試驗后收集到的豆莢中破損豆莢質量，g

3.2.2試驗方法

試驗方案采用三因素五水平二次正交旋轉中心組合試驗[28-30]，用多元二次方程來擬合因素和響應值之間的函數關系，通過對回歸方程的分析來尋求最優參數組合，評估多因素的非線性影響。

對3個因素進行預試驗，并選取總損失率相對較低區域對應的因素取值范圍，作為多因素組合試驗參數范圍。預試驗結果表明在前進速度0.2～0.6 m/s，滾筒轉速200～300 r/min，割臺高度4～8 cm范圍時，總體損失較低，以此作為參考，組合試驗因素編碼如表2所示，每組試驗重復3次。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Test factors code

3.3 試驗結果與分析

整體試驗結果如表3所示，表中X1、X2、X3為因素編碼值。

用Design-Expert軟件對試驗結果進行回歸分析，回歸模型方差分析結果如表4所示。在回歸方程和因素顯著性分析的基礎上，通過Matlab軟件生成響應面圖，可直觀反映各因素的交互作用對掉落率、掛枝率和破損率的影響。

(1)豆莢掉落率

表3 多因素組合試驗方案與結果Tab.3 Multi-factor combination test plan and results

(27)

前進速度和滾筒轉速對掉落率的影響如圖8a所示。保持滾筒轉速不變，掉落率隨前進速度增加呈先降低后增加的趨勢；當固定前進速度時，掉落率隨滾筒轉速增加呈先降低后增加的趨勢。前進速度從0.4 m/s逐漸增加，滾筒轉速從250 r/min逐漸降低，因素間交互作用導致掉落率顯著增加。前進速度由低到高，對應的掉落率最低點的滾筒轉速在250 r/min逐漸加大到280 r/min，在較大前進速度工作時應適當加大滾筒轉速。從整體看掉落率最低區域對應的滾筒轉速在250 r/min附近，前進速度在0.3 m/s附近。

前進速度和割臺高度對掉落率的影響如圖8b所示。當前進速度和割臺高度同時增加時，交互作用會導致掉落率顯著增加。前進速度不超過0.4 m/s時，前進速度和割臺高度對掉落率影響均比較小。在較大前進速度時，割臺高度的降低會顯著減小掉落率。整體來看，掉落率最低區域對應的割臺高度在4 cm附近，前進速度為0.4 m/s。因此在土地平整度較差田塊，可以適當降低機具前進速

表4 回歸模型方差分析Tab.4 Variance analysis of regression model

圖8 因素交互作用對掉落率影響的響應曲面Fig.8 Response surfaces for effect of factor interactions on drop rate

度，增加割臺高度來保證收獲質量。

滾筒轉速和割臺高度對掉落率的影響如圖8c所示。在割臺高度處于較大值時，掉落率隨滾筒轉速增加呈先降低后增加的趨勢；割臺高度處于較小值時，掉落率和滾筒轉速呈負相關；當滾筒轉速保持不變時，掉落率和割臺高度呈負相關，割臺高度的減小可以顯著降低掉落率。整體來看，掉落率最低時對應的滾筒轉速在280 r/min附近，割臺高度在4 cm附近。

(2)豆莢掛枝率

由表4可知，掛枝率整個模型具有顯著性(p<0.000 1)。各參數的線性、二次效應及其交互作用對于掛枝率影響的主次順序為X2、X3、X1X2，其中X1X2影響顯著，X2、X3影響極顯著，其他因素不顯著。失擬項p=0.192，不顯著。剔除不顯著交互項后，掛枝率回歸方程為

Y2=5.79-0.12X1+1.28X2+0.72X3-0.51X1X2

(28)

前進速度和滾筒轉速對掛枝率的影響如圖9所示。較大的滾筒轉速下彈齒容易打斷植株主莖干，導致豆莢不能從莖稈上有效梳脫，從而造成掛枝率增加。在低滾筒轉速下，隨著前進速度增加，彈齒的單株梳脫次數會降低，也會導致掛枝率增加。但在較高滾筒轉速下，彈齒的單株梳脫次數總能高于閾值，此時前進速度的變化對掛枝率的影響則不顯著。從整體看當滾筒轉速為200 r/min附近，前進速度為0.2 m/s左右時掛枝率存在最低值。

圖9 因素交互作用對掛枝率影響的響應曲面(X3=0)Fig.9 Response surface for effect of factor interactions on branching rate

(3)豆莢破損率

由表4可知，破損率整個模型具有極顯著性(p<0.000 1)。各參數的線性、二次效應及其交互作用對于破損率影響顯著的主次順序為X2、X1X2、X1，其中X2影響極顯著，X1X2、X1影響顯著，其他因素不顯著。失擬項p=0.190 3，不顯著。剔除不顯著交互項后，破損率回歸方程為

Y3=6.02-0.45X1+2.31X2-0.11X3-0.59X1X2

(29)

前進速度和滾筒轉速對破損率的影響如圖10所示。在前進速度小于0.4 m/s時，破損率和滾筒轉速基本呈負相關；當滾筒轉速大于250 r/min時前進速度和破損率負相關，當滾筒轉速小于250 r/min時為正相關。減小前進速度會增加彈齒和豆莢碰撞次數，增大滾筒轉速會增加彈齒擊打力，兩者交互導致破損率顯著增加。隨著前進速度增加，滾筒轉速的改變對減少破損率的作用效果減弱，對應的破損率最低值也逐漸有小幅度增加。從響應面圖總體可看出，當滾筒轉速為200 r/min附近，前進速度為0.2 m/s左右時破損率最低。

圖10 因素交互作用對破損率影響的響應曲面(X3=0)Fig.10 Response surface for effect of factor interactions on breakage rate

3.4 參數優化與試驗驗證

3.4.1參數優化

為獲得彈齒滾筒式鮮食大豆采摘裝置的最優性能參數組合，采用粒子群優化算法對3個回歸模型進行最優值求解，總損失函數YT約束條件為

(30)

初始化粒子數100個，迭代500次，適應度曲線如圖11所示。總損失率最低時，掉落率為10.6%，掛枝率為4.4%，破損率為5.6%，對應的前進速度為0.43 m/s，滾筒轉速為245 r/min，割臺高度為4 cm。

圖11 粒子群優化適應度曲線Fig.11 Particle swarm optimization fitness curves

3.4.2驗證試驗

(1)臺架試驗驗證

為了驗證優化結果的準確性，對得到的最優組合參數進行試驗驗證，試驗材料和試驗儀器與上述臺架試驗保持一致，以前進速度0.43 m/s、滾筒轉速245 r/min、割臺高度4 cm進行試驗，試驗共進行10次。結果如表5所示，對試驗結果取平均值得出，掉落率11.1%，掛枝率4.7%，破損率5.2%，與理論預測值相對誤差均不高于7.6%。通過方差分析，各評價指標10次臺架試驗值和預測值之間不具有顯著性差異(p>0.05)。

表5 臺架驗證試驗值與預測值對比Tab.5 Comparison of bench verification test value and predicted value %

(2)大田試驗驗證

圖12 田間試驗Fig.12 Field experiment pictures

2022年8月29—31日在浙江省杭州市蕭山區進行田間試驗驗證，試驗地塊與臺架試驗取樣地一致。以前進速度0.43 m/s、滾筒轉速245 r/min、割臺高度4 cm進行試驗，試驗現場如圖12所示，每隔10 m采收為一組試驗，共進行10次重復試驗。結果如表6所示，對試驗結果取平均值得出，掉落率為11.8%，掛枝率4.0%，破損率6.1%。與理論預測值相對誤差均不高于10.1%。通過方差分析，各評價指標10次田間試驗值和預測值之間不具有顯著性差異(p>0.05)。

表6 田間驗證試驗值與預測值對比Tab.6 Comparison of field validation test values and predicted values %

4 結論

(1)結合鮮食大豆種植模式和采摘期植株物理特性，優化設計了一種彈齒滾筒式鮮食大豆采摘裝置。影響采摘因素主要為前進速度、滾筒轉速、割臺高度，采摘損失主要為掉落、掛枝和破損。各參數的合適調節范圍為：前進速度0.2～0.6 m/s、滾筒轉速200～300 r/min、割臺高度4～8 cm。

(2)分別建立了掉落率、掛枝率和破損率與因素間的數學模型。各因素對掉落率和掛枝率指標的影響依次為：滾筒轉速、割臺高度、前進速度；對破損率指標的影響依次為：滾筒轉速、前進速度、割臺高度。以總損失最低為目標進行優化，結果表明：最優參數組合為前進速度0.43 m/s、滾筒轉速245 r/min、割臺高度4 cm，掉落率、掛枝率和破損率田間試驗值分別為11.8%、4.0%、6.1%。