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(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

枸杞系茄科、枸杞屬，有益精明目、滋肝補(bǔ)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(xù)花果，隨熟隨采的特點(diǎn)，目前主要為人工采摘，采收勞動強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差、采收效率僅為3～5kg/h，采收費(fèi)約占枸杞生產(chǎn)總成本的50%以上[3]，采收環(huán)節(jié)嚴(yán)重制約了枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展。隨著枸杞種植面積逐年增加，迫切需要研制枸杞采收機(jī)械。

現(xiàn)有氣力式漿果采摘機(jī)械有很多，如楊浩生[4]設(shè)計的氣吸振動式枸杞采收機(jī)；傅隆生[5]等人設(shè)計的一種氣吸式沙棘果實(shí)采收裝置，增置了果葉分離功能。張換高[6]等研發(fā)的氣吸式枸杞采摘機(jī)，由機(jī)架、采集裝置、動力裝置和存儲裝置等構(gòu)成。該采摘器存在的主要問題是：機(jī)具產(chǎn)生的氣壓大小和氣體流量比較有限，氣壓經(jīng)過氣管時產(chǎn)生很大阻力，從而造成壓力損失，難以持續(xù)提供穩(wěn)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(fēng)壓組合型自走式枸杞鮮果采摘樣機(jī)，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)。以上研究并未針對枸杞果實(shí)、果柄之間的氣吸脫落條件進(jìn)行研究，未確定氣吸采摘枸杞的主要影響因素。為此，結(jié)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(shù)進(jìn)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(jī)械是通過氣吸式結(jié)構(gòu)，在抽風(fēng)機(jī)的作用下使氣吸管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，當(dāng)吸力大于果實(shí)和果柄之間的連接力時果實(shí)脫落。氣吸式采摘是一種非接觸采摘方式，避免了機(jī)械接觸給果樹和果實(shí)的傷害，研制氣吸式枸杞采摘機(jī)需要對枸杞的氣力特性進(jìn)行研究。本文首先測試枸杞的力學(xué)參數(shù)，通過FLUENT軟件分析氣吸管道內(nèi)部的流場速度和壓力分布，利用枸杞氣吸式采摘試驗(yàn)裝置進(jìn)行枸杞氣吸脫落試驗(yàn)，確定氣吸采摘枸杞所需要的最佳管徑、風(fēng)速風(fēng)壓等相關(guān)參數(shù)，為枸杞和其他小漿果氣吸式采摘機(jī)的設(shè)計和研發(fā)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)原理與工作過程分析

氣吸式枸杞采摘試驗(yàn)裝置主要由電機(jī)、抽風(fēng)機(jī)、無極調(diào)速旋鈕、吸風(fēng)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(guān)參數(shù)包括：收集桶直徑為335mm，高度為685mm，容量為35L，吸口直徑為30mm，風(fēng)機(jī)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(yàn)。

氣吸式枸杞采摘試驗(yàn)裝置工作時，由電機(jī)給抽風(fēng)機(jī)提供動力，電機(jī)帶動抽風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，收集桶內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓氣流經(jīng)過氣吸管道，氣吸管道一端與收集桶上的吸風(fēng)口相連，另一端沿著枸杞枝條以不同角度給枸杞果實(shí)提供吸力；通過無極調(diào)速旋鈕調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速(調(diào)節(jié)范圍 0～3 100r/min)，進(jìn)而改變收集桶和氣吸管道內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，風(fēng)速和風(fēng)壓越大，吸力越強(qiáng)；當(dāng)吸力大于果實(shí)和果柄之間的連接力時，果實(shí)脫落，完成采摘。

1.萬向輪 2.吸風(fēng)口 3.氣吸管道 4.防塵罩 5.抽風(fēng)機(jī) 6.無極調(diào)速旋鈕 7.散熱口 8.電機(jī) 9.收集桶圖1 氣吸式枸杞采摘試驗(yàn)裝置Fig.1 Air-suction test device of Lycium barbarum

2 枸杞相關(guān)參數(shù)測定

2.1 枸杞物理特性參數(shù)測定

氣吸式小漿果采摘機(jī)的采摘效果很大程度上受小漿果自身物理性質(zhì)的影響，首先測試枸杞的相關(guān)物理特性參數(shù)。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(jī)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(shù)量的成熟和未成熟枸杞。枸杞成熟度還沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)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(shù)Fig.2 Length parameters of lycium barbarum

用電子秤測枸杞質(zhì)量m，用RGM-2XXX 型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)(精度±0.5%)和自制夾具進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉壓試驗(yàn)，測枸杞果實(shí)橫向抗壓力、縱向抗壓力和枸杞果實(shí)-果柄之間的連接力；用排水法測量枸杞果實(shí)密度ρ，計算得到10組數(shù)據(jù)的平均值和對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差，如表1、表2所示。

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

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

2.2 枸杞摩擦系數(shù)測定

氣吸采摘枸杞過程中，枸杞果實(shí)在氣吸管道中隨氣流運(yùn)動，不可避免地造成果實(shí)之間或果實(shí)與氣吸管道內(nèi)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(shí)之間的相互作用。因果實(shí)與氣吸管道內(nèi)壁之間存在摩擦與碰撞，所以氣吸管道材質(zhì)的選擇將影響枸杞的破碎率，進(jìn)而影響枸杞的品質(zhì)與產(chǎn)量。其中，橡膠、泡沫和PVC均可作為氣吸管道的內(nèi)壁材料，借助摩擦因數(shù)儀，采用拖動法測試枸杞果實(shí)與兩種內(nèi)壁材料之間的動靜摩擦因數(shù)，各進(jìn)行5組重復(fù)試驗(yàn)，取平均值，得到枸杞動、靜摩擦因數(shù)如表3所示。

表3 枸杞果實(shí)摩擦因數(shù)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(fù)系數(shù)測定

在氣吸采摘枸杞試驗(yàn)中，碰撞恢復(fù)系數(shù)同樣可為氣吸管道材料的選擇提供一定依據(jù)。使用自制的碰撞恢復(fù)系數(shù)試驗(yàn)臺測試枸杞果實(shí)的碰撞恢復(fù)系數(shù)[9]，則有

(1)

(2)

(3)

其中，h為果實(shí)碰撞前的下落高度，收集盒設(shè)置h1和h2兩個高度；s1和s2分別為果實(shí)降落點(diǎn)的水平位移和豎直位移；Cr為恢復(fù)系數(shù)；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(shí)成熟度、碰撞材料、下落高度為因素，選正交表L9(34)，進(jìn)行枸杞果實(shí)碰撞恢復(fù)系數(shù)的正交試驗(yàn)，試驗(yàn)所取因素與水平如表4 所示。

表4 碰撞試驗(yàn)因素水平表Table 4 Factor level of collision test

每組試驗(yàn)重復(fù)20次，取20次的平均值作為該組的試驗(yàn)結(jié)果，得出每組的碰撞恢復(fù)系數(shù)。試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果如表5所示，方差分析如表6所示。

表5 試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果Table 5 Design and results of actual test

續(xù)表5

試驗(yàn)中各碰撞材料的厚度為5mm。

表6 方差分析結(jié)果Table 6 The result of analysis of variance

恢復(fù)系數(shù)Cr越大，說明果實(shí)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(fù)變形的能力越強(qiáng)[9]。由表5和表6可得，碰撞材料和下落高度對枸杞果實(shí)恢復(fù)系數(shù)的影響顯著。碰撞材料中PVC材料對恢復(fù)系數(shù)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(shí)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(nèi)壁材料。

氣吸采摘枸杞時應(yīng)設(shè)置適宜的風(fēng)速，風(fēng)速過大，果實(shí)會與管壁碰撞造成破損；風(fēng)速過小，枸杞果實(shí)難以脫落，采摘效率降低，所以風(fēng)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(fēng)速變化及分布情況進(jìn)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(shè)置為固壁邊界(wall)的邊界條件[10]。設(shè)置不同邊界條件仿真分析，得到氣吸管道內(nèi)部壓力分布如圖3所示。其不同深度代表不同的壓力數(shù)值，單位為Pa；得到氣吸管道內(nèi)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(shù)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(nèi)部壓力分布云圖Fig.3 Nephogram of pressure distribution in gas suction pipe

圖4 氣吸管道內(nèi)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(shù)值逐漸變小，但氣吸管道內(nèi)是負(fù)壓，所以實(shí)際壓力是變大的。氣吸管道內(nèi)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(shí)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(qū)域較多，代表風(fēng)速較高，枸杞果實(shí)所受吸力大；管徑32mm的氣吸管內(nèi)氣流速度不穩(wěn)定，氣吸管內(nèi)整體風(fēng)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(fēng)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(shí)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(shí)測出入口的速度差值接近，誤差分別為5.56%、3.03%、5.47%。經(jīng)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(nèi)，說明該試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可靠性。

綜合比較，管徑25mm的氣吸管要優(yōu)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(shí)的破碎問題，氣吸管道不是越細(xì)越好，氣吸管道的壓力和速度并非越大越好，所以還要根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)來驗(yàn)證最佳的氣吸管徑和風(fēng)速風(fēng)壓大小。

4 試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)備與器材

利用氣吸式枸杞采摘試驗(yàn)裝置，分別對兩種成熟度枸杞進(jìn)行氣吸脫落試驗(yàn)，以便找到氣吸采摘枸杞的最佳工作參數(shù)，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(fēng)壓風(fēng)速等因素對枸杞采摘效果及破果率的影響。

試驗(yàn)材料：氣吸式枸杞采摘試驗(yàn)裝置、秒表、智能壓力風(fēng)速儀XY1000-1F。試驗(yàn)地點(diǎn)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(yàn)方法

經(jīng)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，16mm和19mm的氣吸管由于管道較細(xì)，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(yàn)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(fēng)口風(fēng)速B、氣吸角度C為試驗(yàn)因素，以枸杞果實(shí)脫落所需時間T和破果率為指標(biāo)，進(jìn)行成熟枸杞和未成熟枸杞兩組試驗(yàn)。選取L9(34)表進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素取值范圍如表7所示。

表7 試驗(yàn)的因素水平表Table 7 Table of test factors level

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

表8 氣吸管道出入口對應(yīng)的風(fēng)速風(fēng)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(yàn)裝置的吸風(fēng)口直徑為35mm，大于選用的3種規(guī)格的氣吸管道，所以在吸風(fēng)口出的風(fēng)速最小，風(fēng)壓小。隨機(jī)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(fù)壓將枸杞的果柄由鉛垂?fàn)钭優(yōu)槠x鉛垂線，與鉛垂線分別呈0°、45°、90°夾角；當(dāng)吸力大于果實(shí)-果柄連接力時，枸杞果實(shí)從果枝上脫落進(jìn)入氣吸管道，在負(fù)壓的作用下跟隨氣流進(jìn)入收集箱；記錄每顆果實(shí)脫落所需時間，統(tǒng)計每組試驗(yàn)枸杞果實(shí)的破碎情況，試驗(yàn)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(shí)破碎個數(shù)；n為果實(shí)總數(shù)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

每組試驗(yàn)重復(fù)30次，取30次的平均值作為該組試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果如表9所示。

表9 試驗(yàn)設(shè)計及結(jié)果Table 9 Design and results of actual test

續(xù)表9

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對指標(biāo)時間T和破果率進(jìn)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(fēng)口風(fēng)速不顯著，即對枸杞果實(shí)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(shí)越易脫落；氣吸管徑越小，破果率越高。試驗(yàn)誤差的來源主要是枸杞果實(shí)自身物理特性的差異。

表10 方差分析結(jié)果Table 10 Variance analysis result

顯著性水平α=0.05，*
表示顯著。

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析：成熟枸杞和未成熟枸杞脫落所需時間最短均出現(xiàn)在第3組試驗(yàn)中，即當(dāng)管徑為22mm、吸風(fēng)口風(fēng)速為31m/s、氣吸角度為90°時，枸杞果實(shí)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(yàn)，管徑為32mm、吸風(fēng)口風(fēng)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(yàn)，管徑為32mm、吸風(fēng)口風(fēng)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(yàn)參數(shù)下枸杞果實(shí)脫落所需時間較長。綜合考慮，可以觀察到第5組實(shí)驗(yàn)氣吸效果最佳，即以管徑為25mm、吸風(fēng)口風(fēng)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(yàn)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(shí)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(chǎn)量損失。

5 結(jié)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(yàn)裝置的最佳管徑為25mm，風(fēng)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(jī)研發(fā)提供技術(shù)依據(jù)和方法，對小漿果機(jī)械化收獲作業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。