加工番茄果實(shí)采摘力測試分析

羅新豫 王吉奎 羅勇軍 羅 威

(1. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2. 農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003)

番茄采摘必須克服番茄與果秧的連接力[1-3]，番茄果實(shí)與果秧通過果柄連接，果實(shí)連接在果柄末端的花萼上。果柄含有木質(zhì)纖維，抗拉強(qiáng)度較大，花萼主要成分是木質(zhì)素，隨著果實(shí)的成熟，花萼與果實(shí)的連接面逐漸老化，連接力降低，果實(shí)在外力作用下一般從花萼與果實(shí)的連接處脫落。果實(shí)的采摘力主要指果實(shí)在花萼處從果柄上分離的最大作用力，該力可以通過對(duì)果柄施加作用力測得。

目前對(duì)加工番茄(包括普通番茄)采摘力的研究主要有黃國偉等[4]對(duì)番茄果實(shí)與莖稈分離力的影響因素進(jìn)行了分析，得出不同類型的番茄品種、不同角度的拉力、不同質(zhì)量等對(duì)果實(shí)與莖稈的分離力都有影響，且隨著質(zhì)量和角度的增加分離力逐漸增加，同一品種的番茄在徑向拉伸時(shí)分離力最大。張進(jìn)等[5]以新疆大規(guī)模種植的加工番茄為對(duì)象，研究了加工番茄果莖分離力，得出不同番茄品種的果莖分離力不同，但差距不是很明顯，番茄果莖分離力隨著果實(shí)成熟度的增加而變小，隨著重量的增大而增大，隨著番茄長度的增加而減小。劉繼展等[6]對(duì)番茄果實(shí)果柄進(jìn)行了折斷和拉斷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)果梗均從離層處斷裂，與拉斷相比，折斷方式更省力和易于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人采摘。

現(xiàn)有研究主要對(duì)番茄果實(shí)拉伸采摘力的大小及影響因素做了試驗(yàn)和分析[7-9]。因番茄果實(shí)的采摘可以通過拉伸和扭轉(zhuǎn)的方式摘落[10-12]，本研究采用試驗(yàn)方法測定番茄果實(shí)拉伸和扭轉(zhuǎn)采摘力的大小，并依據(jù)果柄受力與作用行程，采用積分的方法測算番茄采摘做功。以期研究結(jié)果有助于加工番茄采摘，對(duì)類似果蔬的機(jī)械化采摘機(jī)構(gòu)研究提供一定的借鑒。

1 材料與方法

加工番茄的種類較多，但各種番茄與果柄的連接方式和成熟后的屬性基本相似，因此，本試驗(yàn)僅選取一種番茄作為試驗(yàn)對(duì)象。在機(jī)械化采摘過程中，果實(shí)相對(duì)果秧發(fā)生位移、扭轉(zhuǎn)和翻滾，使果柄對(duì)果實(shí)的作用力表現(xiàn)為果柄在花萼處對(duì)果實(shí)進(jìn)行拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎折作用，在這些力的作用下果柄在花萼處斷裂，果實(shí)完成采摘。由于果柄柔軟，果柄對(duì)花萼的拉伸和彎折作用相似，所以彎折作用可以看作垂直拉伸，即果柄對(duì)花萼的拉伸作用力方向垂直于果柄。由此可以得出果實(shí)的采摘力可以分為果柄對(duì)果實(shí)(花萼)的拉伸采摘力和扭轉(zhuǎn)采摘力。

1.1 拉伸采摘

試驗(yàn)番茄：新番36號(hào)，石河子墾區(qū)，試驗(yàn)前將帶果實(shí)的整株番茄秧從田間帶回實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)時(shí)再將帶果柄的成熟果實(shí)從果秧莖稈上剪下，樣品存放時(shí)間不超過24 h。試驗(yàn)分3組，每組拉伸方向分別為徑向拉伸(0°拉伸)、傾斜45°拉伸和垂直拉伸(90°拉伸)，每組取試驗(yàn)樣本15顆，分組測試果實(shí)從果柄上摘落所需的拉伸采摘力。果柄拉伸方向見圖1。

圖中箭頭表示拉伸作用力方向圖1 拉伸方向Figure 1 Stretch direction

微機(jī)電子萬能試驗(yàn)機(jī)：HY0580型，上海衡翼精密儀器有限公司，量程0～5 000 N，試驗(yàn)速度范圍0.001～500.000 mm/min，有效行程0.01～400.00 mm，數(shù)據(jù)的采集和處理由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。試驗(yàn)于2017年8月在石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院農(nóng)機(jī)試驗(yàn)準(zhǔn)備室進(jìn)行，測試時(shí)果實(shí)按試驗(yàn)要求用卡具固定，試驗(yàn)機(jī)夾具夾持果柄向上拉伸。采摘力測試現(xiàn)場見圖2。

1. 底座試臺(tái) 2. 卡臺(tái) 3. 立柱 4. 卡鉗 5. 傳感器 6. 滑塊7. 啟動(dòng)按鈕 8. 電腦圖2 采摘力測試Figure 2 Picking force test

1.2 扭轉(zhuǎn)采摘

試驗(yàn)儀器和果秧分離扭力的測量見圖3。

果實(shí)夾持夾具和數(shù)顯式扭矩測量儀：HT-10型，愛德堡儀器有限公司，精度0.001 N·m，量程0.001～1.000 N·m。

試驗(yàn)用材料、樣品的制作與拉伸力測試相同，選取帶果柄成熟番茄果實(shí)10 顆進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)果實(shí)用卡具夾住，果柄固定在扭矩測量儀扭力測試接頭上，轉(zhuǎn)動(dòng)果實(shí)夾具即可得出果實(shí)采摘扭力矩，扭矩測量儀可以顯示記錄扭矩值。

1. 底座 2. 扭矩測量儀 3. 顯示面板 4. 搖柄 5. 夾持器6. 卡夾圖3 果秧分離扭力的測量Figure 3 The measurement of fruit separation torsion

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸采摘力

拉伸采摘力測試結(jié)果見圖4。

對(duì)于試驗(yàn)樣品，由試驗(yàn)可得采摘力與拉伸作用力方向有關(guān)，徑向拉伸果柄采摘力最大為22.13 N，平均值為13.766 N；45°拉伸果柄時(shí)采摘力最大為15.58 N，平均值為9.435 N；垂直拉伸果柄采摘力最大為9.74 N，平均值為4.765 N。

對(duì)拉伸力和位移曲線進(jìn)行積分運(yùn)算可得拉伸采摘番茄果實(shí)所做的功。去除異常數(shù)據(jù)后，經(jīng)計(jì)算徑向拉伸、45°拉伸和垂直拉伸做功分別為0.021，0.020，0.021 J，由此可以得出拉伸方向?qū)麑?shí)采摘做功影響不大。

(1) 由試驗(yàn)觀察可知，果柄傾斜拉伸果實(shí)時(shí)，花萼受果柄彎折作用，果柄的一側(cè)受擠壓，另一側(cè)受拉伸作用，受拉伸一側(cè)花萼產(chǎn)生應(yīng)力集中，花萼易開裂，致使果實(shí)采摘力減小，且隨著果柄傾斜角度越大采摘力越小。由此可以得出，果實(shí)從果秧上摘落時(shí)的采摘力與果柄的作用力方向有關(guān)，果柄拉伸傾斜角度越大，采摘力越小。

由試驗(yàn)知,當(dāng)拉伸角度為0，π/4，π/2時(shí)，平均拉伸采摘力為13.76，9.43，4.76 N；由拉伸角度和采摘力的散點(diǎn)圖可以看出,拉伸角度與平均拉伸采摘力線性相關(guān)。由此可以得出，拉伸采摘力與拉伸角度的回歸方程：

F=-5.73x+13.82，

(1)

式中：

F——平均采摘力，N；

x——拉伸角度，(°)。

經(jīng)顯著性檢驗(yàn)，在α=0.02水平平均采摘力F與拉伸角度x之間線性回歸顯著，故可用式(1)表達(dá)平均采摘力F與拉伸角度x之間的相關(guān)關(guān)系。

(2) 隨著拉伸傾斜角度的增大，拉伸采摘力減小，但拉伸采摘做功變化不大，主要是拉伸位移隨拉伸角度的增大而增大。

(3) 實(shí)際果實(shí)采摘作業(yè)時(shí)果秧相對(duì)靜止，果實(shí)在外力作用下遠(yuǎn)離果秧，連接果秧和果實(shí)的果柄受力，果實(shí)在花萼處與果柄分離，實(shí)現(xiàn)采摘。果實(shí)的運(yùn)動(dòng)方向?qū)麑?shí)采摘難易程度有重要影響，運(yùn)動(dòng)方向垂直于果柄方向最有利于采摘。這也適用于與番茄相似的果蔬采摘。

曲線表示果實(shí)從花萼處脫離果柄過程中果柄受力值與果柄拉伸位移的關(guān)系，每一條曲線對(duì)應(yīng)一個(gè)試驗(yàn)果實(shí)的拉伸過程，曲線最高點(diǎn)的值表示最大采摘力

圖4 采摘力

Figure 4 Picking force

2.2 扭轉(zhuǎn)采摘力

由試驗(yàn)可知，在成熟期扭轉(zhuǎn)采摘番茄果實(shí)，扭矩大小為0.014 6～0.024 2 N·m，平均值為0.019 1 N·m。

經(jīng)試驗(yàn)觀察，采摘力個(gè)體差異較大的主要原因有：

(1) 果柄直徑。若番茄果柄粗短，則其剛度大，扭轉(zhuǎn)采摘時(shí)轉(zhuǎn)過的角度小，果實(shí)容易采摘，反之則由于扭轉(zhuǎn)角度過大，不易采摘果實(shí)。

(2) 試驗(yàn)樣本個(gè)體尺寸大小。一般情況下樣本體積大，則果柄粗，花萼大，果柄與果實(shí)連接面積大，使扭轉(zhuǎn)采摘力矩增大。

(3) 果實(shí)和果柄的含水率。若果實(shí)在成熟期間水肥充足，則成熟后的果實(shí)及果柄含水率高，花萼老化成度低，果實(shí)與果柄的連接強(qiáng)度高。

本試驗(yàn)僅對(duì)成熟番茄扭矩做了測試，實(shí)際上番茄不同成熟期果柄與果實(shí)的連接力強(qiáng)度不同，采摘扭矩亦應(yīng)該不同。另外，由于條件所限，試驗(yàn)未能測得扭轉(zhuǎn)采摘扭矩值與果柄扭轉(zhuǎn)角度的關(guān)系，因此不能得出扭轉(zhuǎn)采摘做功。

3 結(jié)論

(1) 成熟加工番茄采摘力大小與采摘作業(yè)時(shí)果實(shí)的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，果實(shí)沿某一方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，果柄受拉伸傾斜角度越大，采摘力越小，且番茄果實(shí)的采摘力與拉伸傾斜角線性相關(guān)。

(2) 以不同方向拉伸采摘果實(shí)，番茄果實(shí)采摘做功基本相同。

(3) 對(duì)于果柄粗短、剛度大的果實(shí)，扭轉(zhuǎn)采摘時(shí)轉(zhuǎn)過的角度小，果實(shí)容易采摘。