龍門式枸杞采摘機收集系統結構與參數優化

馬國軍, 岳元滿, 彭正昶, 何存財, 吳向峰, 嵇君霖, 黃曉鵬*

(1.甘肅農業大學機電工程學院,甘肅 蘭州730070;2.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司,甘肅 蘭州730314)

枸杞,一種多年生草本植物[1],其結果實稱枸杞子,簡稱枸杞,成熟枸杞果實中富含枸杞多糖、氨基酸等多種對人體有益的物質,具有清肝明目、滋補肝腎、益精明目等多種藥用功效[2-3],是國家公認的“藥食同源”植物資源之一[4]。甘肅、青海、新疆、內蒙古、河北等作為中國枸杞五大主產區,每年枸杞產量約42.16萬噸[5-6],寧夏作為枸杞的發源地和主產區,全區枸杞種植面積約1 333.33 hm2,鮮果產量35萬噸,加工轉化率達35%,綜合產值約320億元,可見枸杞已經成為寧夏重要經濟產業[7-9]。但是枸杞生物力學特性決定枸杞難以實現機械化采摘,現階段枸杞仍以傳統的人工采摘為主,不僅耗時、費力,而且采摘成本高。針對以上枸杞產業發展過程中面臨的困難,國內學者劉英等[10]設計了一種振動式枸杞采摘機,通過田間試驗研究了振幅、頻率、振動桿數量對枸杞損傷率、留青率、采盡率之間的影響,發現偏心振動機構轉速為140 r/min,振幅70 mm,振動桿數量10個時,振動式枸杞采摘機采摘效果最佳;陳云等[11]對脈沖氣流式枸杞采摘機理進行了研究,研究發現在脈沖氣流頻率為2 Hz,出口氣流速度為70 m/s,枝條距出口100 mm時得到最優的采摘效果:熟果采凈率為85.21%,青果誤采率為7.76%,熟果損傷率為18.64%。彭要等[12]對枸杞果實振動運動學和振動模式進行了分析,通過分析發現,在振幅為30～40 mm、振動頻率為10 Hz的條件下,振動時間大于12 s,采凈率高于 90%,可見采凈率較高。

本研究自主設計的龍門穿行式枸杞采收機主要由六大系統組成,可一次性完成對成熟枸杞的采摘、輸送和收集作業,但是在枸杞機械化采收過程中存在枸杞損傷率較高等問題,為了解決此問題,本研究通過分析枸杞采摘采摘過程中運動軌跡和枸杞在輸送帶受力情況,以此探究影響枸杞采摘過程中損失率和采凈率的關鍵因素。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

龍門式枸杞采收機可一次性完成對成熟枸杞的采摘、收集、除雜等作業,整機結構由動力系統、行走系統、采摘系統、控制系統、收集系統、液壓系統六大系統組成,如圖1(a)所示。龍門式枸杞采摘機由一臺100馬力柴油發動機提供動力;行走系統主要由液壓驅動馬達、輪胎和其他主要部件構成;采摘系統主要由可調振幅式采摘頭、偏心振動機構、液壓驅動馬達和其他配套零部件構成,主要用于對成熟枸杞進行穿行式振動采摘;控制系統主要由單片機、傳感器、導線和其他配套零部件構成,主要用于對整機進行自動化控制;收集系統主要由變頻電機、收集輸送帶、收集箱、風機和其他零部件組成,主要用于對振落的枸杞進行收集、輸送和除雜等作業,是龍門式枸杞采收機重要組成部件;液壓系統主要由液壓油箱、液壓驅動馬達、液壓泵和其他配套零部件組成,主要為振動采摘裝置液壓驅動馬達和輪胎驅動液壓馬達提供液壓動力。本研究對振動龍門式枸杞采摘機關鍵裝置收集系統進行結構優化設計,圖1(b)所示為龍門式枸杞采收集機架與收集系統安裝示意圖。

圖1 (a)龍門式枸杞采摘機整機結構簡圖

1.2 工作原理

龍門式枸杞采收機作業時,駕駛員操作機器騎行于枸杞樹中部位置,此時在機身處布置傳感器以檢測枸杞樹位置,單片機判斷枸杞樹位置坐標后控制振動采摘系統,旋轉電機對振動采摘系統位置進行調整,在達到適宜采摘位置時,振動采摘系統進行上下振幅為8～12 mm、頻率為20～35 Hz之間進行振動,此時安裝于振動采摘裝置主架上的采摘條與枸杞枝條之間進行相互作用,振落的枸杞掉入到輸送帶上部,輸送帶運行將其上枸杞由前向后輸送,風機進行除雜作業,完成對成熟枸杞的采摘、輸送、收集作業,提高了枸杞采摘效率,節約了采摘成本,促進了枸杞產業的發展。

2 輸送裝置設計

2.1 枸杞輸送過程運動軌跡分析

現階段枸杞難以實現機械化采摘是由枸杞生物力學特性所決定的。成熟枸杞表皮脆弱,機械化采摘過程中存在機械碰撞損傷和枸杞跌落損傷兩部分損傷,導致枸杞機械化采收時損傷率較高,所以研究枸杞在采收機中運動軌跡是降低枸杞損傷率的重要途經,以下對龍門式枸杞采收機采收成熟枸杞時枸杞運動軌跡和關鍵節點做了分析,圖2為枸杞采收過程中枸杞運動軌跡圖。

圖2 枸杞采摘過程運動軌跡示意圖

龍門式枸杞采收機采收枸杞時,枸杞在機器中共有8個階段,第1階段為枸杞與采摘條強相互作用階段,此時在枝條上的枸杞通過采摘條以特定頻率和振幅作用下掉落。第2階段為掉落的枸杞在采摘系統中與采摘條之間發生多次碰撞最后在重力G作用下掉入輸送帶中。4、5、6、7階段為在收集系統中階段,此4個階段枸杞與輸送帶之間存在摩擦和翻滾現象。第8階段為枸杞通過輸送帶拋出在重力G作用下掉入收集箱中。通過對枸杞運動軌跡分析可以得出在第1、2、3、7階段枸杞損傷幾率較高。

2.2 枸杞輸送過程中動力學分析

枸杞二次機械損傷與枸杞收集輸送過程密切相關,以下對枸杞在輸送帶上運動過程進行了分析。枸杞在輸送帶獲得v1的初速度,通過輸送帶果托作用下以v1的速度進行運動,在此階段枸杞與輸送帶之間存在1摩擦力,此階段對枸杞機械損傷幾乎忽略不計,枸杞從水平輸送過程到以α角度進行輸送,在此階段枸杞會在輸送帶果托上面出現翻滾等現象,枸杞在輸送過程中翻滾會導致枸杞表皮擦破等現象,會導致枸杞二次機械損傷,枸杞在輸送帶最后階段為枸杞拋送階段,此時枸杞以v3速度從輸送帶末端拋出,拋出后的枸杞在重力G作用下掉入收集箱中,根據牛頓第二定律在枸杞掉入收集箱的過程中枸杞與收集箱底部接觸時枸杞表皮產生F的作用力。

FS=mgh

(1)

式中:m為枸杞重力,kg;

g為枸杞下落過程中重力加速度,m/s2;

h為枸杞下載過程中高度差,mm;

S為枸杞與收集箱底部的接觸面積,mm2;

通過對上式轉換得到枸杞在接觸收集箱底部是產生的作用力F;

(2)

枸杞斜拋輸送過程分析如圖3所示,以枸杞與輸送帶末端頂處為坐標原點建立坐標系,重力方向為y軸負方向,假設枸杞在此點處的質點,在枸杞脫離輸送帶時枸杞以a速度做斜向上拋物線運動,此時枸杞脫離坐標原地的線速度與輸送帶末端絕對速度相等。

圖3 枸杞斜拋輸送過程分析

此時枸杞與收集箱底部的碰撞力為(不考慮能量損耗的情況下);

(3)

式中:F為枸杞與收集箱底部之間的碰撞力,N;

m為枸杞單個重量,kg;

r為收集箱底部徑向型變量,m;

v2為點 E 枸杞瞬時速度,m/s;

g為重力加速度,m/s2;

h為原點與枸杞落點垂直距離,m。

枸杞離開輸送帶瞬時受力分析如圖4所示,綜合分析枸杞在收集系統中運動軌跡并進行動力學分析,最終得出枸杞與收集箱底部之間的碰撞作用力主要由枸杞在輸送帶末端初速度v3和枸杞掉落的高度決定。所以影響枸杞機械損傷率的主要因素有枸杞與采摘條之間多次相互碰撞、枸杞有采摘系統掉落到輸送帶階段、枸杞在輸送帶運輸階段、枸杞由輸送帶掉落到收集箱四個階段影響,通過對枸杞在收集系統中運動軌跡和動力學分析最終得出采摘條材料、輸送帶材料、收集箱材料是降低枸杞機械損傷的主要因素。

圖4 枸杞離開輸送帶瞬時受力分析

2.3 輸送裝置結構設計

龍門式枸杞采收機收集系統主要由輸送帶、變頻電機、收集箱、除雜風機等關鍵部件組成,由變頻電機為輸送帶提供動力,通過改變電機的頻率進而改變輸送帶輸送速度,龍門式枸杞采收集收集系統結構示意圖如圖5所示。

圖5 輸送系統結構示意圖

3 試驗

通過對枸杞采摘過程中枸杞在輸送系統中運動軌跡和受力情況進行理論分析,最終確定輸送帶速度、輸送帶傾角、落果高度為三個主要因素,通過前期預實驗最終確定輸送帶速度0.2～0.6 m/s、輸送帶傾斜角度25～40°、落果高度10～20 mm,以枸杞果實損傷率為試驗指標進行單因素試驗,枸杞輸送帶單因素試驗方案及結果如表1所示。

(4)

表1 枸杞輸送帶單因素試驗方案及結果

式中:μ為枸杞果實損傷率;

n為有機械損傷的果實個數;

n1收集箱中枸杞果實總數;

n2為掉落收集箱外枸杞個數;

(5)

式中:σ為枸杞果實損失率;

通過對以上試驗數據分析得出輸送帶最佳運行參數為:輸送速度0.5 m/s、輸送帶傾斜角度為36°、枸杞落果高度為14 mm時在收集系統中枸杞二次機械損傷率為3.6%,且各參數之間具有顯著差異(P<0.05),枸杞輸送帶各因素方差分析如表2所示。

表2 枸杞輸送帶各因素方差分析

通過以上試驗參數,2023年8月6日在甘肅省靖遠縣對龍門式枸杞采收機輸送系統進行田間試驗,試驗情況如圖6所示,通過樣機田間性能試驗得出收集系統在此參數下對枸杞損傷率較小。

圖6 龍門式枸杞采收機輸送裝置樣機

4 結論

本研究針對自主設計的龍門式枸杞采收機收集系統進行結構和參數優化,通過分析枸杞在采收機中運動軌跡,得出了枸杞在采摘機中共有8個關鍵階段,其中第1階段由于枸杞與采摘條多次相互碰撞導致枸杞機械損傷率增加,對枸杞在輸送過程進行受力分析,得出枸杞在輸送帶上存在摩擦和滾動現象,造成枸杞輸送過程中機械損傷主要因素有輸送帶速度、輸送帶傾斜角度、落果高度,以此三因素作為試驗因素,以枸杞果實損傷率、果實損失率為試驗指標進行單因素試驗,實驗得出輸送帶最佳參數為:輸送速度0.5 m/s、輸送帶傾斜角度為36°、枸杞落果高度為14 mm時,損傷率為3.2%。根據此參數設計制造試驗樣機,由田間性能試驗得出枸杞損傷率和損失率符合試驗結果,本研究可為小型漿果收集輸送裝置優化設計提供參考。