姬長(zhǎng)英 張 純 顧寶興 符海嬌 謝 娣 郭 俊

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031)

梳割氣吸一體式貢菊采摘機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

姬長(zhǎng)英 張 純 顧寶興 符海嬌 謝 娣 郭 俊

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031)

針對(duì)山地貢菊采摘仍以人工采摘為主、采摘效率低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、尚未實(shí)現(xiàn)機(jī)械化等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)山地采摘的貢菊采摘機(jī)。采花梳齒間隙大于胎菊直徑,小于朵菊花托直徑，利用采摘梳齒與分花齒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從花托處碰撞拉斷，實(shí)現(xiàn)采摘。在負(fù)風(fēng)壓機(jī)的風(fēng)壓差作用下，將花朵運(yùn)輸至集花箱。試驗(yàn)表明，貢菊采摘機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)山地貢菊花朵采摘及收集。在花朵含水率為87.20%，采花梳齒間隙為8～9 mm時(shí)，該采摘機(jī)效果較佳，花朵采收率為87.50%～93.11%，花朵破碎率為0～0.34%，花朵落地率為1.99%～2.39%，花朵雜質(zhì)率為4.87%～6.48%,花朵漏摘率為3.30%～4.96%。正交試驗(yàn)表明，當(dāng)梳齒采摘間隙為8 mm，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為8 m/s,梳齒齒形為50 mm，主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為 30 r/min，貢菊采摘機(jī)采摘效果最佳，花朵采收率為94.54%，花朵落地率為2.05%，雜質(zhì)率為1.48%，花朵破碎率為0.57%，花朵漏摘率為1.36%。

山地貢菊； 負(fù)風(fēng)壓機(jī)； 氣吸梳齒式采摘； 試驗(yàn)

引言

貢菊生長(zhǎng)在海拔較高的山地，為多年生草本，高35～65 cm，多為條栽，需分花期采摘。貢菊種植模式不同，植株高低不一，導(dǎo)致采摘環(huán)境復(fù)雜[1-3]。目前尚未實(shí)現(xiàn)機(jī)械式采摘，全是人工采摘，勞動(dòng)強(qiáng)度大，采摘效率低。

國(guó)內(nèi)很多科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始研究菊花類花朵的機(jī)械化采摘，周瑛等[4]發(fā)明了一種電動(dòng)紅花采摘器，利用抓花扇將花抓至刀片處，刀片通過(guò)往復(fù)運(yùn)動(dòng)將花切下送至貯花箱，但該機(jī)工作效率低，未見(jiàn)推廣。牛國(guó)玲等[5]研制出首臺(tái)萬(wàn)壽菊采摘機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高低不一的萬(wàn)壽菊采摘，加快了采摘進(jìn)度，但大型機(jī)械的采摘對(duì)植株帶來(lái)了一定的損害，降低了花朵下次采摘的質(zhì)量和產(chǎn)量。姬長(zhǎng)英等[6]發(fā)明了梳割一體式杭白菊采摘器，是一種手搖帶動(dòng)梳齒梳花裝置，實(shí)現(xiàn)了花朵差異采摘，但增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，貯花箱容積有限。李景彬等[7]研制了剪切式紅花采收裝置，負(fù)風(fēng)壓機(jī)吸花，干花絲直立，剪切刀片往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)采收。以上研究成果由于采摘效率低、植株損傷大、采摘強(qiáng)度大等原因，并未實(shí)際投入生產(chǎn)推廣。

本文設(shè)計(jì)一種針對(duì)貢菊采摘的背負(fù)式貢菊采摘機(jī)，采用梳割氣吸一體的方式實(shí)現(xiàn)花朵的差異性采摘，利用花朵與梳齒的碰撞作用將花朵摘下，由負(fù)風(fēng)壓機(jī)將花朵吸至貯花箱。采摘梳齒可拆卸更換，以適應(yīng)不同品種貢菊的采摘，采摘頭可調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)不同生長(zhǎng)階段不同高度貢菊的采摘。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 采摘機(jī)結(jié)構(gòu)

梳割氣吸一體式貢菊采摘機(jī)主要由梳齒采摘頭、負(fù)風(fēng)壓集花箱、輸花管組成，梳齒采摘頭由分花齒、弧形梳齒、梳齒安裝座、轉(zhuǎn)動(dòng)輪、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、軸承、軸承座、集風(fēng)箱體等組成。弧形梳齒一共3排，通過(guò)螺栓與梳齒安裝座連接，梳齒安裝座與輪緣連接，通過(guò)平銷固定轉(zhuǎn)動(dòng)輪與軸，通過(guò)緊定螺栓固定轉(zhuǎn)動(dòng)輪軸向運(yùn)動(dòng)，分花齒安裝在采摘頭的前部，轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過(guò)同步帶輪與電動(dòng)機(jī)相連，采摘頭的另一端與負(fù)風(fēng)壓機(jī)的進(jìn)風(fēng)口連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 梳割氣吸一體式貢菊采摘機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)Fig.1 Shear-sucting chrysanthemum picking prototype1.箱體把手 2.機(jī)架 3.采摘梳齒 4.分花齒 5.車輪 6.肩帶 7.直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 8.同步輪 9.數(shù)顯控制器 10.直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器 11.負(fù)壓風(fēng)道 12.負(fù)風(fēng)壓機(jī) 13.集花箱 14.取料門 15.鋰電池

1.2 工作原理

如圖2所示，梳割氣吸一體式貢菊采摘機(jī)利用梳齒間隙大于貢菊枝條直徑,小于貢菊花托直徑實(shí)現(xiàn)采摘；當(dāng)負(fù)風(fēng)壓在采摘頭產(chǎn)生內(nèi)外壓差，且風(fēng)速大于菊花懸浮速度[8]，菊花花朵會(huì)隨空氣運(yùn)動(dòng)，并運(yùn)送至集花箱。工作時(shí)，主動(dòng)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，弧形梳齒聚攏花朵，分花齒固定待采花朵，負(fù)風(fēng)壓機(jī)產(chǎn)生與弧形梳齒同方向的力，將花托附近的花枝碰撞拉斷花柄，通過(guò)空氣產(chǎn)生的負(fù)風(fēng)壓，將花通過(guò)輸花管運(yùn)送到集花箱。

圖2 采摘頭示意圖Fig.2 Sketch of picking mechanism1.集風(fēng)箱體 2.軸承座 3.軸承 4.轉(zhuǎn)動(dòng)軸 5.采摘梳齒安裝座 6.采摘梳齒 7.進(jìn)風(fēng)通道 8.梳齒轉(zhuǎn)動(dòng)輪 9.分花齒

貢菊植株各部位名稱如圖3所示。為了驗(yàn)證氣吸梳齒的方式采摘貢菊的可行性，對(duì)貢菊植株的力學(xué)參數(shù)和懸浮速度進(jìn)行了測(cè)量。分別對(duì)花柄、小枝、花軸和根茬間的剪切力進(jìn)行測(cè)量。

圖3 貢菊各部位名稱Fig.3 Name of different parts of chrysanthemum1.花軸1 2.花蕾 3.胎菊 4.花軸2 5.小枝 6.大枝 7.花柄 8.大朵菊 9.小朵菊

分別選取30個(gè)隨機(jī)樣本測(cè)量各部位的拉斷力，結(jié)果如表1所示。同時(shí)，分別對(duì)小朵菊、大朵菊、胎菊、花蕾的懸浮速度進(jìn)行試驗(yàn)，選取10個(gè)隨機(jī)樣本測(cè)量懸浮速度[9]，結(jié)果如表2所示。

由表1可知，花柄拉斷力明顯小于花朵的其他部位，從花朵至根茬，花柄處的拉斷力小于小枝、花軸和大枝等部位。在采摘頭作業(yè)時(shí)，花朵最先于花托處斷裂，不會(huì)出現(xiàn)其他部位拉斷或連根拔起的情形，此摘花方式適合貢菊。

表1 貢菊植株力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of chrysanthemum plant N

表2 貢菊的懸浮速度Tab.2 Suspension velocity of chrysanthemum plant

由表2可知，花朵的質(zhì)量越大，懸浮速度也越大，當(dāng)風(fēng)速大于大朵菊的懸浮速度時(shí)，采摘后的花朵可以通過(guò)風(fēng)壓差，將花朵從采摘頭運(yùn)輸至集花箱，實(shí)現(xiàn)收集花朵的功能。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 負(fù)風(fēng)壓機(jī)功率

集花箱內(nèi)的負(fù)風(fēng)壓機(jī)使進(jìn)風(fēng)口產(chǎn)生大于貢菊懸浮速度的空氣速度，將拉斷下的貢菊運(yùn)送至集花箱，在慣性和重力作用下沉降，風(fēng)機(jī)功率主要由風(fēng)量和風(fēng)壓確定。風(fēng)機(jī)將采摘頭處的空氣吸入，通過(guò)輸花管道和集花箱，最后通過(guò)負(fù)風(fēng)壓機(jī)排到空氣中。

2.1.1風(fēng)量的確定

負(fù)風(fēng)壓機(jī)風(fēng)量的確定采用的是置換原則和末速度原則[10]，其原理是負(fù)風(fēng)壓機(jī)能吸進(jìn)采摘頭和花托連接處所包含的全部空氣，且進(jìn)風(fēng)口處空氣速度不能低于貢菊的懸浮速度。

根據(jù)置換原則，負(fù)風(fēng)壓機(jī)的風(fēng)量Q應(yīng)為圖4中采摘頭至ABCD面的體積，為計(jì)算方便，取ABCD-P(abh)長(zhǎng)方體的體積，即

Q=abht1k1

(1)

式中a——采摘頭吸菊花的有效長(zhǎng)度

b——采摘頭吸菊花的有效寬度

h——采摘頭吸菊花的有效高度

t1——將一朵菊花摘下所需的時(shí)間，經(jīng)試驗(yàn)確定為1 s

k1——考慮到氣流衰減和沿途的損失而確定的系數(shù)，取1.3～1.6

圖4 氣吸梳割式貢菊采摘頭風(fēng)量置換圖Fig.4 Air displacement diagram of shear-sucting chrysanthemum picking mechanism

根據(jù)末速度原則，負(fù)風(fēng)壓機(jī)吸進(jìn)的空氣，經(jīng)過(guò)ABCD截面的風(fēng)量要等于集花箱出口截面的風(fēng)量

Q=A1v1k2=v2hb

(2)

式中A——集花箱出口的截面面積

v1——出口截面風(fēng)速

v2——?dú)饬鞯竭_(dá)截面ABEF時(shí)的風(fēng)速

k2——與作物品種、氣象條件和菊花密度等因素有關(guān)的系數(shù)，取1.3～1.8

根據(jù)表2懸浮速度試驗(yàn)結(jié)果，大朵菊的懸浮速度為6.5 m/s。

取v2為7 m/s，此時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為5.6 m3/min，考慮收集時(shí)的泄漏和儲(chǔ)備風(fēng)量，儲(chǔ)備系數(shù)選1.2，計(jì)算風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q=6.72 m3/min。

2.1.2風(fēng)壓的確定

風(fēng)機(jī)的總壓主要包括動(dòng)壓損失Pd和靜壓損失(摩擦壓力Pm和局部壓力Pi)，計(jì)算結(jié)果為

(3)

(4)

(5)

P=Pd+Pm+Pi

(6)

式中P——總壓，Pa

ρ——空氣密度，取1.22 kg/m3

v——?dú)饬魉俣?，? m/s

λ——摩擦因數(shù)[11]，取0.1

R′——輸送管道運(yùn)輸半徑，取0.5 m

ξ——局部阻力系數(shù)，取1.3[11]

L——風(fēng)管長(zhǎng)度，取1 m

經(jīng)計(jì)算Pd=29.89 Pa，Pm=1.49 Pa，Pi=38.86 Pa,P=70.24 Pa。

2.2 采摘梳齒間隙

采摘頭進(jìn)行梳齒采花時(shí)，采摘梳齒將貢菊枝條集攏，喂入至分花齒，分花齒斷面以上花枝被采花梳齒卷入梳齒齒條之間。采花梳齒間隙過(guò)大，花朵易漏摘；間隙過(guò)小，會(huì)造成枝條纏枝、堵塞、阻力過(guò)大、誤摘等現(xiàn)象。摘花時(shí)，花朵在相鄰兩梳齒齒條間的受力狀況[12-14]如圖5所示。

圖5 花朵受力示意圖Fig.5 Sketch of forces on flowers1.采摘梳齒 2.貢菊花朵 3.分花齒

花朵被摘下需滿足

2Fi+Fy≥T

(7)

2Fsinα+Ffcosβ≥T

(8)

其中

(9)

式中Fi——梳齒對(duì)花朵的沖擊力F垂直方向分力，N

T——花柄對(duì)花托的拉力，N

Fy——風(fēng)力在花柄方向的垂直分力，N

F——梳齒對(duì)花朵沖擊力，N

α——F與花柄方向的夾角，(° )

d——兩梳齒之間的距離，mm

e——花朵重心到梳齒斷面的距離，mm

β——梳齒切線與垂直方向之間的夾角，(°)

Ff——負(fù)風(fēng)壓沿花朵展開(kāi)方向的分力

由式(7)～(9)得

(10)

由圖5a可知β與梳齒彎曲幅度相關(guān)，花枝與梳齒接觸點(diǎn)不同，對(duì)應(yīng)的梳齒剪切角β不同。當(dāng)花柄在梳齒的最末端碰撞采摘時(shí)，花枝呈垂直狀態(tài)，剪切角β為0°；當(dāng)花柄在梳齒弧度的最上端碰撞采摘時(shí)，與花柄連接的花枝部分彎曲呈水平狀態(tài)，剪切角為45°。

易得0°≤β≤45°，由式(10)可知，在β一定情況下，F(xiàn)與d正相關(guān)。梳齒間隙d過(guò)大，易造成漏摘，同時(shí)增大采摘花朵的最小沖擊力，易增大破壞花朵的可能性。但d過(guò)小易造成漏摘、阻塞、誤摘等現(xiàn)象。

經(jīng)拉斷力試驗(yàn)表明梳齒采摘時(shí)貢菊在采摘梳齒與分花齒之間拉伸，在花柄處拉斷，且梳齒采摘時(shí)是采摘梳齒與貢菊的花托部分受沖擊力。結(jié)合貢菊各部位直徑測(cè)量分析結(jié)果(表3)，為防止采摘梳齒采摘時(shí)錯(cuò)摘花蕾和大枝，梳齒間隙d應(yīng)該大于花蕾直徑；為防止采摘梳齒摘花時(shí)發(fā)生漏摘，梳齒采摘間隙d應(yīng)小于胎菊花托直徑，且梳齒采摘時(shí)是采摘梳齒與貢菊的花朵部分受力，d理論范圍為6.87 mm≤d≤10.31 mm?？紤]到采摘過(guò)程中會(huì)發(fā)生纏枝、堵塞等現(xiàn)象，最優(yōu)的采摘梳齒間隙需要通過(guò)試驗(yàn)才能確定。

表3 貢菊植株直徑測(cè)量結(jié)果Tab.3 Measurement results of diameter ofchrysanthemum plant mm

2.3 采摘梳齒排數(shù)

貢菊為行栽，種植密度一般為64 100株/hm2,行距在500 mm時(shí)，其株距為310 mm。由于單支植株上菊花較密集，取采摘機(jī)作業(yè)速度為0.3 m/s，采摘梳齒轉(zhuǎn)速為30 r/min。梳齒采摘時(shí)間間隔與梳齒轉(zhuǎn)速、梳齒排數(shù)的關(guān)系為

(11)

式中t——時(shí)間間隔，s

k——采摘梳齒排數(shù)

n——梳齒轉(zhuǎn)速，r/min

轉(zhuǎn)速與梳齒排數(shù)呈反比，若轉(zhuǎn)速n一定，梳齒排數(shù)越多，梳齒采摘時(shí)間間隔越短。為確保植株間采摘時(shí)，朵菊不發(fā)生遺漏[12]，需滿足

(12)

式中l(wèi)——株距，mm

v3——機(jī)器前進(jìn)速度，m/s

由式(12)可得t≤1.03 s?？紤]主動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)尺寸，取k=3，此時(shí)t=0.67 s，滿足式(12)的要求，因此設(shè)計(jì)時(shí)采摘梳齒排數(shù)為3排。

2.4 采摘梳齒外徑

采摘梳齒工作時(shí)，梳齒的運(yùn)動(dòng)是梳齒繞梳齒主動(dòng)軸的圓周運(yùn)動(dòng)與機(jī)器前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的合成。設(shè)梳齒自上而下開(kāi)始梳摘，其梳齒上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示。

圖6 采花梳齒工作時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Movement trajectory of working comb-teeth

設(shè)梳齒開(kāi)始圓周運(yùn)動(dòng)的中心點(diǎn)O0在地面上的投影為原點(diǎn)，梳齒轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為ω，經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，其梳齒上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(13)

式中R——梳齒上的一點(diǎn)與主動(dòng)軸之間的距離，mm

H——主動(dòng)軸安裝高度，mm

為滿足植株上的朵菊能全部被采摘，梳齒的外徑R0應(yīng)滿足

(14)

當(dāng)梳齒運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)或者最低點(diǎn)時(shí)，|y-H|應(yīng)大于花朵高度極差。經(jīng)測(cè)量同一水平區(qū)域貢菊花朵高度極差均值為130 mm，設(shè)計(jì)時(shí)采花梳齒外徑取8 mm。

2.5 轉(zhuǎn)動(dòng)軸離地高度

梳齒采摘是通過(guò)碰撞的方式將貢菊花朵摘下，碰撞過(guò)程具有瞬時(shí)性，撞擊力非常大，因此忽略重力、彈性力的沖量[15-16]。主動(dòng)軸安裝高度是影響朵菊碰撞采摘效果的重要因素。因此有必要對(duì)梳齒安裝高度進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)動(dòng)軸安裝高度分析Fig.7 Analysis of rotational axis installation height

如圖7所示采摘頭由O1處運(yùn)動(dòng)到O2處，梳齒上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，摘花時(shí)應(yīng)利用最大橫弦以下運(yùn)動(dòng)的部分，以保證采摘后的朵菊具有向后的水平速度，其梳摘速度比λ0為

(15)

梳齒從主動(dòng)軸H處垂直向下梳摘朵菊，其水平方向的速度為零。對(duì)式(15)中x坐標(biāo)求導(dǎo)，得

(16)

為了確保朵菊采摘后，能有向后拋送的水平速度，梳齒安裝的高度應(yīng)略高于朵菊平均高度，主動(dòng)軸安裝高度為

H=h0+Rsin(ωt)

(17)

式中h0——朵菊平均高度，mm

聯(lián)立式(15)～(17)，可得

(18)

為了避免漏摘高于平均高度的朵菊，R為采摘梳齒端點(diǎn)處半徑R0，其最低安裝高度

(19)

由式(19)可知，當(dāng)λ0取最大值時(shí)，主動(dòng)軸為最低安裝高度。λ0越大，采摘梳齒具有向后拋送的速度和范圍越大；但λ0過(guò)大，則梳齒對(duì)朵菊的沖擊力較大，極易造成朵菊掉落或是損傷[16]。綜合考慮取λ0max=3，由此可得：Hmin=h0+16.7 mm。經(jīng)測(cè)量計(jì)算h0=430 mm，因此Hmin=446.7 mm。

3 采摘性能試驗(yàn)

3.1 設(shè)備與材料

試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的采摘機(jī)。主動(dòng)軸由轉(zhuǎn)矩10 N·m，型號(hào)為WS-60GA775F的直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)型號(hào)為DCMC3-2直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器和數(shù)顯控制器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。集花箱內(nèi)采用24 V(動(dòng)力可調(diào)型)鋰電池供電，帶動(dòng)功率為54 W的負(fù)風(fēng)壓機(jī)，將梳齒摘下的朵菊吸至集花箱。手動(dòng)水平勻速移動(dòng)采摘頭，貢菊枝條嵌入分花齒間隙，采摘梳齒轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)摘花的全過(guò)程。

試驗(yàn)材料為自然生長(zhǎng)狀態(tài)下的歙縣山地貢菊，花朵含水率為87.20%，條栽。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)中選取花朵破碎率Sp、落地率Sl、采收率Sc、雜質(zhì)率Sy和漏摘率Sω5個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)[17-18]，計(jì)算公式為

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

式中Wz——試驗(yàn)前枝條上朵菊和胎菊質(zhì)量總和，g

Ws——有明顯破損花朵和掉落花瓣質(zhì)量總和，g

Wl——落地的花朵質(zhì)量，g

Wc——摘下的花朵質(zhì)量，g

Wy——雜質(zhì)質(zhì)量，g

Ww——未摘下的花朵質(zhì)量，g

3.3 單因素試驗(yàn)

背負(fù)集花箱，手動(dòng)水平勻速推動(dòng)采摘頭，向貢菊植株方向移動(dòng)，朵菊枝條嵌入分花齒內(nèi)，水平移動(dòng)的速度為0.3 m/s。由于采摘間隙是影響摘花性能的關(guān)鍵因素， 當(dāng)梳齒圓弧半徑為50 mm，負(fù)風(fēng)壓機(jī)風(fēng)速為7 m/s，轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，進(jìn)行了單因素試驗(yàn)。初步試驗(yàn)表明，梳齒間隙小于6 mm，誤摘率較高；梳齒間隙大于11 mm，漏摘率超過(guò)70%，漏摘現(xiàn)象嚴(yán)重，不適合采摘。為此梳齒間隙在上述范圍內(nèi)選擇5個(gè)水平，分別為7、8、9、10、11 mm，并進(jìn)行田間試驗(yàn)以選擇合適的梳齒間隙。

田間采摘試驗(yàn)如圖8所示，右上角為被采收的貢菊。

圖8 田間采摘試驗(yàn)Fig.8 Field picking test

試驗(yàn)時(shí)，取梳齒圓弧半徑為50 mm，負(fù)風(fēng)壓機(jī)風(fēng)速為7 m/s，主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為45 r/min，分別對(duì)梳齒間隙的5個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示?；ǘ淦扑槁屎突ǘ渎涞芈孰S梳齒間隙增大而升高。梳齒間隙在7～9 mm，花朵的破碎率在0～0.34%，花朵落地率在0.96%～2.39%之間，漏摘率在2.87%～4.96%之間；當(dāng)梳齒間隙大于9 mm時(shí)，花朵的雜質(zhì)率明顯減小，花朵漏摘率極具增大，花朵的破碎率和落地率也明顯增大。

圖9 梳齒間隙對(duì)采摘效果的影響Fig.9 Impact of comb-teeth gap on picking effect

花朵采收率與梳齒間隙之間的關(guān)系圖10所示。當(dāng)梳齒間隙小于9 mm時(shí)，花朵采收率從87.5%明顯增加至93.71%，花朵采收率明顯升高;當(dāng)梳齒間隙大于9 mm時(shí)，花朵采收率從93.71%急劇下降至83.82%，隨梳齒增加明顯降低。間隙過(guò)小易造成采收率降低，造成雜質(zhì)增多，枝條纏枝等問(wèn)題；間隙過(guò)大，將造成很明顯的漏摘，在花朵采摘的臨界梳齒間隙，易造成落地率和破碎率增加。

圖10 梳齒間隙對(duì)花朵采收率的影響Fig.10 Impact of comb-teeth gap on removal rate

隨著梳齒間隙增大，花朵的雜質(zhì)率明顯降低。為保證被采貢菊的品質(zhì)，梳齒間隙選擇8、9、10、11 mm 4個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。

3.4 正交試驗(yàn)

采摘頭進(jìn)行梳摘作業(yè)時(shí)，梳齒齒形、負(fù)風(fēng)壓機(jī)風(fēng)速和轉(zhuǎn)速對(duì)作業(yè)效果具有較大影響。為了進(jìn)一步研究采摘機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)的較優(yōu)作業(yè)指標(biāo)，進(jìn)行了梳齒間隙、梳齒齒形、風(fēng)速和轉(zhuǎn)速的四因素四水平正交試驗(yàn)[19-21]，試驗(yàn)因素水平如表4所示。

表4 試驗(yàn)因素水平Tab.4 Experiment factors and levels

試驗(yàn)方案和結(jié)果如表5所示，表6、7分別為極差分析和方差分析。

由極差和方差分析結(jié)果可得，采摘梳齒間隙對(duì)花朵采摘率有顯著影響，當(dāng)梳齒間隙為8 mm時(shí)，采摘效果較優(yōu)。對(duì)雜質(zhì)率和破碎率有一定的影響，隨著梳齒間隙增大，雜質(zhì)率和破碎率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速對(duì)花朵采收率有顯著影響，轉(zhuǎn)速越低，采收率越高，當(dāng)轉(zhuǎn)速為30 r/min，采摘效果較優(yōu)；對(duì)花朵破碎率有一定影響，隨轉(zhuǎn)速越高，落地率呈現(xiàn)越高的趨勢(shì)。

花朵采收率較優(yōu)的組合為A1B1C2D1，花朵落地率較優(yōu)的組合為A4B3C2D1,花朵雜質(zhì)率較優(yōu)的組合為A4B1C2D1，花朵破碎率較優(yōu)的組合為A1B2C2D1，花朵的漏摘率較優(yōu)的組合為A1B1C2D4。4種指標(biāo)在主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為30 r/min和負(fù)風(fēng)壓機(jī)風(fēng)速為8 m/s時(shí)工作情況較好；考慮到花朵采收率是衡量花朵采摘效果重要指標(biāo)，取梳齒間隙為8～9 mm。當(dāng)梳齒間隙為8 mm時(shí)，花朵采收率、破碎率、漏摘率3種指標(biāo)較佳；梳齒齒形對(duì)花朵的4項(xiàng)指標(biāo)并無(wú)顯著影響，花朵落地的損失比其他兩種損失更為嚴(yán)重，故優(yōu)先考慮，此時(shí)采摘梳齒端部的折彎半徑為50 mm。

表5 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.5 Experiment scheme and result

表6 極差分析Tab.6 Range analysis

表7 方差分析Tab.7 Variance analysis

注：F0.01(3,3)=29.46,F0.05(3,3)=9.28,F0.1(3,3)=5.39。F0.05(3，3)lt;Fα(3,3)lt;F0.01(3，3)為顯著影響，用*表示；F0.10(3,3)lt;Fα(3,3)lt;F0.05(3,3)為有影響，用◎表示。

綜合考慮，氣吸梳齒式采摘貢菊作業(yè)時(shí)，較優(yōu)的組合為A1B3C2D1。此時(shí)，采摘梳齒間隙為8 mm，采摘梳齒端部的折彎半徑為50 mm，負(fù)風(fēng)壓機(jī)的風(fēng)速為8 m/s，主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為30 r/min，采摘的效果最佳，通過(guò)試驗(yàn)得出該試驗(yàn)條件下的花朵采收率為94.54%，花朵破碎為0.57%,花朵落地率2.05%,花朵雜質(zhì)率為1.48%,花朵漏摘率為1.36%。

由于山地貢菊采摘受季節(jié)性影響，本文僅對(duì)梳齒間隙、風(fēng)速等因素進(jìn)行試驗(yàn)。地形限制，還需對(duì)前進(jìn)速度對(duì)采摘性能的影響開(kāi)展研究。農(nóng)藝限制，還需研究主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度之間相互作用對(duì)貢菊采摘效果影響。雨水過(guò)多或是花朵盛開(kāi)繁多，易壓倒菊花植株，也將影響采摘效果。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)山地貢菊的氣吸梳齒式采摘機(jī)。利用采摘梳齒與分花齒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從花托處拉斷花托，實(shí)現(xiàn)采摘。根據(jù)花朵大小挑選適當(dāng)間隙的梳齒進(jìn)行采摘，過(guò)濾掉還未開(kāi)放的花蕾，提高采摘花朵的質(zhì)量。初步試驗(yàn)表明，山地貢菊氣吸梳齒式采摘機(jī)能夠完成貢菊的采摘作業(yè)。

(2)進(jìn)行了采摘梳齒間隙的單因素試驗(yàn)，當(dāng)梳齒間隙大于9 mm時(shí)，花朵的采摘率明顯降低，花朵的破碎率、落地率和漏摘率明顯較大。在梳齒間隙為8～9 mm時(shí)，氣吸梳齒采摘機(jī)的花朵破碎率為0～0.34%，花朵的落地率為1.99%～2.39%，花朵的漏摘率為3.30%～4.96%，花朵雜質(zhì)率為4.87%～6.48%，花朵采收率范圍為87.5%～93.11%，采摘效果最佳。

(3)正交試驗(yàn)表明，采摘梳齒間隙對(duì)花朵的采收率和漏摘率都有顯著的影響，對(duì)花朵的落地率有一定的影響；主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速對(duì)花朵采收率也有顯著影響，對(duì)雜質(zhì)率和破碎率有一定的影響。因此，氣吸梳齒采摘機(jī)梳齒間隙為8 mm，主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為30 r/min，采摘梳齒端部折彎半徑為50 mm，風(fēng)速為8 m/s時(shí)，采摘效果最佳，此時(shí)花朵采收率為94.54%，花朵破碎率為0.57%,花朵落地率2.05%,花朵雜質(zhì)率為1.48%,花朵漏摘率為1.36%。

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DesignandExperimentofShear-suctingMountainChrysanthemumPickingMachine

JI Changying ZHANG Chun GU Baoxing FU Haijiao XIE Di GUO Jun

(CollegeofEngineering,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210031,China)

Aiming at solving artificial picking, low efficiency and time-consuming, shear-sucting mountain chrysanthemum picking machine was designed to achieve mechanization. The picking machine mainly consisted of container, lithium battery, negative air compressor, transmission pipeline, picking box, comb-teeth, synchronous wheel, transmission shaft, separating teeth, DC stepper motor, DC motor speed controller, digital controller, a machine frame and four wheels. Comb-teeth gap was larger than the diameter of bud and less than diameter of chrysanthemum receptacle. The relative motion between comb-teeth and separating teeth pulled from the receptacle. Under the pressure of negative air compressor, the flower was transported to the container. Single factor tests of comb-teeth gap selected 7 mm, 8 mm, 9 mm, 10 mm and 11 mm five levels. The machine worked well at the gap of 8～9 mm. The picking rate was 87.50%～93.11%, the broken rate was 0～0.34%, the drop rate was 1.99%～2.39%, the impurity rate was 4.87%～6.48%, the leakage rate was 3.30%～4.96%. The orthogonal tests showed that the best combination was comb-teeth gap, comb radius, wind speed and rotational speed. When the comb-teeth gap was 8 mm, the radius was 50 mm, the wind speed was 8 m/s and the rotational speed was 30 r/min, the machine would work better. The picking rate was 94.54%, the broken rate was 0.57%, the drop rate was 2.05%, the impurity rate was 1.48%, and the leakage rate was 1.36%.

mountain chrysanthemum; negative air compressor; shear-sucting picking; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.017

S225.99

A

1000-1298(2017)11-0137-09

2017-02-10

2017-03-13

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20140720)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(KYZ201325)

姬長(zhǎng)英(1957—),男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事精確農(nóng)業(yè)理論與技術(shù)研究，E-mail： chyji@njau.edu.cn