加工番茄果秧分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

加工番茄果秧分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

番茄分離機(jī)構(gòu)的現(xiàn)狀近年來(lái)，新疆番茄種植面積穩(wěn)定在6.7.14hm2以上。由于番茄、青椒和棉花的成熟期非常相似，在收獲過(guò)程中需要消耗大量的勞動(dòng)力，而番茄的收獲期較短，且勞動(dòng)力緊張和收獲成本的增加對(duì)番茄的機(jī)械化收獲提出了緊迫的要求[1.2]。加工番茄果秧分離機(jī)構(gòu)是番茄機(jī)械化收獲的關(guān)鍵技術(shù),其作用是將番茄從果秧上分離下來(lái),并使分離過(guò)程中的果實(shí)破損率和含雜率降到最低,符合工業(yè)化生產(chǎn)的要求。早在20世紀(jì)60年代,美國(guó)等國(guó)家就進(jìn)行了加工番茄果秧分離機(jī)構(gòu)的研究,并取得了諸多成果。Studer設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)滾筒式分離機(jī)構(gòu),通過(guò)在滾筒上產(chǎn)生一定的角加速度來(lái)有效分離番茄果實(shí)。Privette通過(guò)搖擺試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)認(rèn)為振動(dòng)振幅在50.8~127.0mm、轉(zhuǎn)速在150~300r/min時(shí),分離效果較好。國(guó)內(nèi)目前針對(duì)大型果類(lèi)及灌木類(lèi)水果分離機(jī)構(gòu)的研究較多,對(duì)番茄力學(xué)特性和番茄收獲機(jī)器人也開(kāi)展了相關(guān)研究[5~9],研究?jī)?nèi)容主要是針對(duì)鮮食番茄單體的精確采摘,不適用于加工番茄大規(guī)模機(jī)械化采收作業(yè)。近年來(lái),新疆地區(qū)隨著加工番茄種植面積的擴(kuò)大,引進(jìn)了國(guó)外番茄收獲機(jī),國(guó)內(nèi)在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了4FZ-2型和4FQ-2000型番茄收獲機(jī),但都處于試驗(yàn)階段。4FZ-2型番茄收獲機(jī)的果秧分離機(jī)構(gòu)采用振動(dòng)帶式結(jié)構(gòu),其抖動(dòng)分離輸送帶較長(zhǎng),工作時(shí)液壓系統(tǒng)受到?jīng)_擊較大。4FQ-2000型番茄收獲機(jī)的果秧分離機(jī)構(gòu)采用搖擺器配合彈齒滾筒的設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、對(duì)動(dòng)力要求高。本文設(shè)計(jì)一種回轉(zhuǎn)滾筒式果秧分離機(jī)構(gòu),并進(jìn)行果秧分離機(jī)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)與優(yōu)化,得出滾筒轉(zhuǎn)速、凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速和撥桿振幅對(duì)果秧分離性能指標(biāo)的影響,為優(yōu)化設(shè)計(jì)果秧分離機(jī)構(gòu)提供理論依據(jù)。1果實(shí)和根系分離試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)和工作原則1.1基本結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)架、果秧輸送、果秧分離機(jī)構(gòu)及果實(shí)收集箱組成,如圖1所示。果秧分離機(jī)構(gòu)如圖2所示。1.2調(diào)整齒輪盤(pán)轉(zhuǎn)速果秧分離機(jī)構(gòu)工作時(shí),回轉(zhuǎn)滾筒與凸輪盤(pán)分別由變頻器控制電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速,兩者相向轉(zhuǎn)動(dòng),撥桿的端部插入輸送格柵之間的柵條間隙,格柵上有果秧時(shí)插入果秧中間。當(dāng)回轉(zhuǎn)滾筒上橫向安裝的橫桿一端的擋塊未與凸輪接觸時(shí),撥桿隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)僅起到向后輸送果秧的作用;當(dāng)橫桿一端的擋塊被凸輪盤(pán)上的凸輪頂起時(shí),與橫桿剛性連接的撥桿繞橫桿的轉(zhuǎn)動(dòng)中心擺動(dòng),撥桿的擺動(dòng)半徑與擋塊的擺動(dòng)半徑按比例設(shè)計(jì),可以將撥桿的振幅放大。當(dāng)擋塊離開(kāi)凸輪后,在回位彈簧的作用下?lián)軛U回位,撥桿完成一次振動(dòng)。當(dāng)回轉(zhuǎn)滾筒與凸輪盤(pán)連續(xù)不斷旋轉(zhuǎn)時(shí),實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)滾筒上的撥桿依次振動(dòng),進(jìn)而將連續(xù)不斷的振動(dòng)力施加給番茄果秧,實(shí)現(xiàn)番茄果實(shí)與果秧的分離。通過(guò)調(diào)整滾筒轉(zhuǎn)速可以改變果秧輸送速度;調(diào)整凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速可以控制撥桿的振動(dòng)次數(shù),也就控制了撥桿的振動(dòng)頻率;調(diào)整凸輪的高度可以調(diào)整撥桿的振幅。2性能試驗(yàn)2.1番茄品質(zhì)測(cè)定試驗(yàn)是在果秧分離試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。試驗(yàn)用番茄品種為里格爾87-5,在番茄成熟期從其主莖稈根部實(shí)施切割取樣。加工番茄樣品的單果質(zhì)量用數(shù)顯稱(chēng)重儀測(cè)定,番茄的縱徑和橫徑用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)定。番茄果秧分離力測(cè)定在GDE-500型電動(dòng)單柱立式試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,試驗(yàn)臺(tái)配備HF-50N型拉力計(jì),計(jì)算機(jī)終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理。實(shí)測(cè)加工番茄部分物理力學(xué)特性如表1所示。2.2次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)根據(jù)前期單因素試驗(yàn)結(jié)果分析,在凸輪為3個(gè)的情況下,選取滾筒轉(zhuǎn)速、凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速、撥桿振幅三因素作為考察因素。試驗(yàn)采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方法,試驗(yàn)水平編碼與試驗(yàn)方案如表2和表3所示,共進(jìn)行20組試驗(yàn)。在20組試驗(yàn)中,每組重復(fù)3次,每次測(cè)10株。試驗(yàn)結(jié)果取平均值,試驗(yàn)指標(biāo)為果秧分離率、果實(shí)破損率和含雜率。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果分析采用Design-Expert7.1.6軟件。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1模型顯著性分析結(jié)果經(jīng)過(guò)Design-Expert7.1.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,剔除模型中顯著性大于0.05的系數(shù)項(xiàng),如表4所示。分別得到試驗(yàn)臺(tái)各響應(yīng)指標(biāo)與編碼值之間的回歸模型為回歸模型的回歸系數(shù)顯著性水平都小于0.05,失擬性不顯著,表明回歸模型擬合很好。3.2循環(huán)轉(zhuǎn)速對(duì)果自身分離率的影響根據(jù)果秧分離率回歸方程作出的響應(yīng)曲面如圖3所示。各因素中凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速B對(duì)果秧分離率的影響最大,其次為撥桿振幅C和滾筒轉(zhuǎn)速A。在撥桿振幅為105mm時(shí),隨著凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速和滾筒轉(zhuǎn)速的增加,果秧分離率先增大后減小;在凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速較小時(shí)(小于40r/min),凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)果秧分離率的影響較大。當(dāng)凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速較大(大于40r/min)和滾筒轉(zhuǎn)速較大(大于20r/min)時(shí)對(duì)果秧分離率影響較小(圖3a)。在凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速為40r/min時(shí),隨著撥桿振幅和滾筒轉(zhuǎn)速的增加,果秧分離率先增大后減小。撥桿振幅較小時(shí)(小于105mm)對(duì)果秧分離率影響較大,撥桿振幅增大(大于105mm)對(duì)果秧分離率影響較小,且果秧分離率有下降趨勢(shì)(圖3b)。在滾筒轉(zhuǎn)速為20r/min時(shí),隨著撥桿振幅和凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速的增加,果秧分離率先增大后減小,凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速的變化對(duì)果秧分離率的影響大于撥桿振幅的影響(圖3c)。3.3不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速對(duì)破損率的影響根據(jù)果實(shí)破損率回歸方程作出的響應(yīng)曲面如圖4所示。各因素中凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速B對(duì)果實(shí)破損率的影響最大,其次為撥桿振幅C和滾筒轉(zhuǎn)速A,滾筒轉(zhuǎn)速A和凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速B有交互作用。在撥桿振幅為105mm時(shí),隨著凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速和滾筒轉(zhuǎn)速的增加,果實(shí)破損率增大。當(dāng)凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速較小時(shí)(小于40r/min),果實(shí)破損率緩慢增大;當(dāng)凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速較大時(shí)(大于40r/min)時(shí),果實(shí)破損率迅速增大。凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)果實(shí)破損率的影響大于滾筒轉(zhuǎn)速的影響(圖4a)。在凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速為40r/min時(shí),隨著撥桿振幅和滾筒轉(zhuǎn)速的增加,果實(shí)破損率增大。在撥桿振幅較小(小于88mm)時(shí),果實(shí)破損率隨著撥桿振幅的增加而緩慢增大;當(dāng)撥桿振幅較大(大于88mm)時(shí),果實(shí)破損率隨撥桿振幅的增加急劇增大。滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)果實(shí)破損率的影響近似線性關(guān)系(圖4b)。在滾筒轉(zhuǎn)速為20r/min時(shí),隨著撥桿振幅和凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速的增加,果實(shí)破損率增大。凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速在較低(小于40r/min)時(shí),果實(shí)破損率隨凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速的增加緩慢增大;當(dāng)凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大,果實(shí)破損率急劇增大(圖4c)。3.4不同轉(zhuǎn)速和撥桿振幅對(duì)含雜率的影響根據(jù)含雜率回歸方程作出的響應(yīng)曲面如圖5所示。各因素中撥桿振幅C對(duì)含雜率的影響最大,其次為凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速B和滾筒轉(zhuǎn)速A。在撥桿振幅為105mm時(shí),隨著凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速和滾筒轉(zhuǎn)速的增加,含雜率增大。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速較小(小于20r/min)時(shí),含雜率隨著轉(zhuǎn)速的增加緩慢增大;當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速較大(大于20r/min)時(shí),含雜率隨滾筒轉(zhuǎn)速增加而上升速度加快(圖5a)。在凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速為40r/min時(shí),隨著撥桿振幅和滾筒轉(zhuǎn)速增加,含雜率增大。當(dāng)撥桿振幅較小(小于105mm)時(shí),含雜率隨著撥桿振幅的增加而緩慢增大,當(dāng)撥桿振幅較大(大于105mm)時(shí),含雜率將隨著撥桿振幅的增加而迅速增大。撥桿振幅對(duì)含雜率的影響大于滾筒轉(zhuǎn)速的影響(圖5b)。在滾筒轉(zhuǎn)速為20r/min時(shí),含雜率隨著撥桿振幅和凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速的增加而增大。當(dāng)凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速較小(小于40r/min)時(shí),含雜率隨著凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速的增加而緩慢增大,當(dāng)凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速較大(大于40r/min)時(shí),含雜率隨著凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速的增加而迅速增大(圖5c)。3.5因素編碼空間內(nèi)的優(yōu)化結(jié)果當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為10~30r/min、凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速為20~60r/min和撥桿振幅為75~135mm時(shí),采用多目標(biāo)優(yōu)化方法,應(yīng)用Design-Expert7.1.6軟件,以番茄果秧分離機(jī)構(gòu)的果秧分離率、果實(shí)破損率和含雜率滿足一定的范圍要求(即95.5%<S<98%,2%<D<3.5%,1.5%<I<2.5%),在因素編碼空間內(nèi)優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。滾筒轉(zhuǎn)速為21r/min、凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速為42r/min、撥桿振幅為110mm時(shí),果秧分離率為96.26%、果實(shí)破損率為3.22%和含雜率為2.13%。為驗(yàn)證優(yōu)化的參數(shù),選用滾筒轉(zhuǎn)速為21r/min、凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)速為42r/min和撥桿振幅為110mm的參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,番茄果秧從石河子大學(xué)農(nóng)試場(chǎng)采集,共100株,分10組進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)后測(cè)得番茄果秧分離率S為96.12%,果實(shí)破損率D為3.34%,含雜率I為2.30%。測(cè)試結(jié)果與試驗(yàn)優(yōu)化預(yù)期結(jié)果基本相符,且符合相關(guān)農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)。4次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)(1)設(shè)計(jì)了一種回轉(zhuǎn)滾筒