枸杞气吸采摘参数试验研究

王荣炎，郑志安，徐丽明，吴 刚，陈俊威，袁全春，马 帅，于畅畅，段壮壮，邢洁洁

(中国农业大学 工学院，北京 100083)

0 引言

枸杞系茄科、枸杞属，有益精明目、滋肝补肾、提高人体免疫力等功效，可药食两用[1-2]。枸杞具有无限花序，连续花果，随熟随采的特点，目前主要为人工采摘，采收劳动强度大、作业环境差、采收效率仅为3～5kg/h，采收费约占枸杞生产总成本的50%以上[3]，采收环节严重制约了枸杞产业发展。随着枸杞种植面积逐年增加，迫切需要研制枸杞采收机械。

现有气力式浆果采摘机械有很多，如杨浩生[4]设计的气吸振动式枸杞采收机；傅隆生[5]等人设计的一种气吸式沙棘果实采收装置，增置了果叶分离功能。张换高[6]等研发的气吸式枸杞采摘机，由机架、采集装置、动力装置和存储装置等构成。该采摘器存在的主要问题是：机具产生的气压大小和气体流量比较有限，气压经过气管时产生很大阻力，从而造成压力损失，难以持续提供稳定的、使成熟枸杞脱落的气压。石志刚[7]等研制了隧道式、多频率、高风压组合型自走式枸杞鲜果采摘样机，并进行了田间试验。以上研究并未针对枸杞果实、果柄之间的气吸脱落条件进行研究，未确定气吸采摘枸杞的主要影响因素。为此，结合枸杞的特性，分别对成熟和未成熟枸杞的气吸式采摘参数进行了研究，以便提高气吸采摘枸杞效率的同时降低破果率。

气吸式枸杞采摘机械是通过气吸式结构，在抽风机的作用下使气吸管道内产生负压，当吸力大于果实和果柄之间的连接力时果实脱落。气吸式采摘是一种非接触采摘方式，避免了机械接触给果树和果实的伤害，研制气吸式枸杞采摘机需要对枸杞的气力特性进行研究。本文首先测试枸杞的力学参数，通过FLUENT软件分析气吸管道内部的流场速度和压力分布，利用枸杞气吸式采摘试验装置进行枸杞气吸脱落试验，确定气吸采摘枸杞所需要的最佳管径、风速风压等相关参数，为枸杞和其他小浆果气吸式采摘机的设计和研发提供参考。

1 结构原理与工作过程分析

气吸式枸杞采摘试验装置主要由电机、抽风机、无极调速旋钮、吸风口、气吸管道、收集桶和万向轮等组成，如图1所示。装置的相关参数包括：收集桶直径为335mm，高度为685mm，容量为35L，吸口直径为30mm，风机功率为1 400W，工作电压为220V，能够满足测试不同成熟度枸杞的气吸采摘试验。

气吸式枸杞采摘试验装置工作时，由电机给抽风机提供动力，电机带动抽风机高速旋转，收集桶内产生负压，负压气流经过气吸管道，气吸管道一端与收集桶上的吸风口相连，另一端沿着枸杞枝条以不同角度给枸杞果实提供吸力；通过无极调速旋钮调节电机转速(调节范围 0～3 100r/min)，进而改变收集桶和气吸管道内的风速和风压，电机转速越快，风速和风压越大，吸力越强；当吸力大于果实和果柄之间的连接力时，果实脱落，完成采摘。

1.万向轮 2.吸风口 3.气吸管道 4.防尘罩 5.抽风机 6.无极调速旋钮 7.散热口 8.电机 9.收集桶图1 气吸式枸杞采摘试验装置Fig.1 Air-suction test device of Lycium barbarum

2 枸杞相关参数测定

2.1 枸杞物理特性参数测定

气吸式小浆果采摘机的采摘效果很大程度上受小浆果自身物理性质的影响，首先测试枸杞的相关物理特性参数。以河北省秦皇岛市种植的中国枸杞(Lycium chinese Mill)为测试对象，测量方法如下：随机选取10株枸杞植株，树龄为10年生，每株枸杞树作为一个样本，采摘所需数量的成熟和未成熟枸杞。枸杞成熟度还没有国家标准，通常红色枸杞即为成熟枸杞，其他颜色均未成熟，而本文提到的未成熟枸杞皆为橙黄色枸杞。采用游标卡尺测量枸杞横轴长度a、纵轴长度b及果柄长度l，如图2所示。

a.横轴长度(mm) b.纵轴长度(mm) l.果柄长度(mm)图2 枸杞的长度参数Fig.2 Length parameters of lycium barbarum

用电子秤测枸杞质量m，用RGM-2XXX 型电子万能材料试验机(精度±0.5%)和自制夹具进行准静态拉压试验，测枸杞果实横向抗压力、纵向抗压力和枸杞果实-果柄之间的连接力；用排水法测量枸杞果实密度ρ，计算得到10组数据的平均值和对应的标准差，如表1、表2所示。

表1 枸杞果实-果柄结合力范围Table 1 Range of binding force between lycium and pedicel

表2 枸杞果实及果柄的物理参数Table 2 Physical parameters of fruits and pedicel of Lycium

2.2 枸杞摩擦系数测定

气吸采摘枸杞过程中，枸杞果实在气吸管道中随气流运动，不可避免地造成果实之间或果实与气吸管道内壁之间的碰撞与摩擦[8]，本文主要研究枸杞气吸采摘特性，研究对象为单颗或几颗枸杞，暂不考虑枸杞果实之间的相互作用。因果实与气吸管道内壁之间存在摩擦与碰撞，所以气吸管道材质的选择将影响枸杞的破碎率，进而影响枸杞的品质与产量。其中，橡胶、泡沫和PVC均可作为气吸管道的内壁材料，借助摩擦因数仪，采用拖动法测试枸杞果实与两种内壁材料之间的动静摩擦因数，各进行5组重复试验，取平均值，得到枸杞动、静摩擦因数如表3所示。

表3 枸杞果实摩擦因数表Table 3 Friction coefficientTable of lycium barbarum

橡胶层和PVC板厚度均为5mm。

2.3 枸杞碰撞恢复系数测定

在气吸采摘枸杞试验中，碰撞恢复系数同样可为气吸管道材料的选择提供一定依据。使用自制的碰撞恢复系数试验台测试枸杞果实的碰撞恢复系数[9]，则有

(1)

(2)

(3)

其中，h为果实碰撞前的下落高度，收集盒设置h1和h2两个高度；s1和s2分别为果实降落点的水平位移和竖直位移；Cr为恢复系数；vn为颗粒碰撞后的法向分速度(m/s)；von为碰撞前的法向分速度(m/s)；vx为粒碰撞后水平方向的分速度(m/s)；vy为颗粒碰撞后垂直方向的分速度(m/s)；vo为碰撞前的瞬时速度(m/s)。

以枸杞果实成熟度、碰撞材料、下落高度为因素，选正交表L9(34)，进行枸杞果实碰撞恢复系数的正交试验，试验所取因素与水平如表4 所示。

表4 碰撞试验因素水平表Table 4 Factor level of collision test

每组试验重复20次，取20次的平均值作为该组的试验结果，得出每组的碰撞恢复系数。试验设计及结果如表5所示，方差分析如表6所示。

表5 试验设计及结果Table 5 Design and results of actual test

续表5

试验中各碰撞材料的厚度为5mm。

表6 方差分析结果Table 6 The result of analysis of variance

恢复系数Cr越大，说明果实颗粒碰撞反弹后的速度越接近碰撞反弹之前速度，即弹性恢复变形的能力越强[9]。由表5和表6可得，碰撞材料和下落高度对枸杞果实恢复系数的影响显著。碰撞材料中PVC材料对恢复系数的影响最大，橡胶材料最小，其次是泡沫材料。这是由于PVC塑料的硬度较大，枸杞果实和PVC板碰撞时挤压变形小，而橡胶较软，碰撞变形量大，有一定的减震作用，所以选用橡胶作为气吸管道的内壁材料。

气吸采摘枸杞时应设置适宜的风速，风速过大，果实会与管壁碰撞造成破损；风速过小，枸杞果实难以脱落，采摘效率降低，所以风速的选择既要保证采摘效率也要获得较低的破果率。

3 气吸管道仿真分析

采用FLUENT 软件，对气吸管道中压力和风速变化及分布情况进行模拟仿真。对于本气吸管道模型，气体入口边界采用速度入口(velocity-inlet)边界条件，出口边界采用自由出流(outflow)的边界条件，其余边界设置为固壁边界(wall)的边界条件[10]。设置不同边界条件仿真分析，得到气吸管道内部压力分布如图3所示。其不同深度代表不同的压力数值，单位为Pa；得到气吸管道内部气流速度分布如图4所示。其不同深度代表不同的速度数值，单位为m/s。限于篇幅限制，仅列出25mm和32mm管径的压力分布云图和速度分布云图。

图3 气吸管道内部压力分布云图Fig.3 Nephogram of pressure distribution in gas suction pipe

图4 气吸管道内部速度分布云图Fig.4 Nephogram of velocity distribution in gas suction pipe

图3为压力分布云图，从浅色向深色压力数值逐渐变小，但气吸管道内是负压，所以实际压力是变大的。气吸管道内部压力随气流流动方向逐渐降低，同一管径下，随着流量的增加，气吸管道出入口的气压都随之增大；气吸管道出入口处压力分布最不均匀，气吸管道压降ΔP越大，说明气流压力损失越大，能量消耗越多，枸杞果实最终受到的吸力越小。图4为速度分布云图，管径25mm的气吸管道浅色区域较多，代表风速较高，枸杞果实所受吸力大；管径32mm的气吸管内气流速度不稳定，气吸管内整体风速不高。

以φ=25mm的气吸管道为例，将气吸管道入口与出口的压力和风速分别取值，并计算出压力差和速度差，出入口的压力差分别约为52、240、204Pa，与实测出入口的压降接近，误差分别为5.45%、4.00%、3.77%；出入口的速度差约为0.75、6.40、5.01m/s，与实测出入口的速度差值接近，误差分别为5.56%、3.03%、5.47%。经计算，3种气吸管道压力误差和速度误差均在允许范围之内，说明该试验数据具有可靠性。

综合比较，管径25mm的气吸管要优于管径32mm的气吸管，因此管径25mm更适用于枸杞气吸采摘装置。但考虑到枸杞果实的破碎问题，气吸管道不是越细越好，气吸管道的压力和速度并非越大越好，所以还要根据实际试验来验证最佳的气吸管径和风速风压大小。

4 试验与分析

4.1 试验设备与器材

利用气吸式枸杞采摘试验装置，分别对两种成熟度枸杞进行气吸脱落试验，以便找到气吸采摘枸杞的最佳工作参数，减小对未成熟枸杞的破坏并降低成熟枸杞破果率，并确定气吸采摘枸杞的角度、气吸管道尺寸及风压风速等因素对枸杞采摘效果及破果率的影响。

试验材料：气吸式枸杞采摘试验装置、秒表、智能压力风速仪XY1000-1F。试验地点为河北省秦皇岛市枸杞种植园，测试的是树龄为10年生的中国枸杞(Lycium chinese Mill)，测量时间为2017年7月24日。

4.2 试验方法

经预试验发现，16mm和19mm的气吸管由于管道较细，在工作时易使管道堵塞且破果率高，而42mm的管道管口处吸力较弱，枸杞脱落用时较长，故田间试验确定使用管径为22、25、32mm，管长均为500mm的气吸管道。以气吸管道管径A、吸风口风速B、气吸角度C为试验因素，以枸杞果实脱落所需时间T和破果率为指标，进行成熟枸杞和未成熟枸杞两组试验。选取L9(34)表进行正交试验，试验因素取值范围如表7所示。

表7 试验的因素水平表Table 7 Table of test factors level

由于气吸式枸杞采摘试验装置吸风口和气吸管道的直径不同，导致在同一档位下，两处的风速风压和气流量不同。在枸杞气吸采摘试验开始前，借助智能压力风速仪XY1000-1F分别测22、25、32mm3种规格气吸管道出入口的风速风压。在相同档位下，两处的风速风压和气流量对应值如表8所示。

表8 气吸管道出入口对应的风速风压和流量值Table 8 Table of Values of wind speed, wind pressure and flow rate of inlet and outlet of suction pipe

由于气吸式枸杞采摘试验装置的吸风口直径为35mm，大于选用的3种规格的气吸管道，所以在吸风口出的风速最小，风压小。随机选取10株枸杞植株作为测量对象，握住气吸管道，贴近枸杞枝条移动，气吸管口的负压将枸杞的果柄由铅垂状变为偏离铅垂线，与铅垂线分别呈0°、45°、90°夹角；当吸力大于果实-果柄连接力时，枸杞果实从果枝上脱落进入气吸管道，在负压的作用下跟随气流进入收集箱；记录每颗果实脱落所需时间，统计每组试验枸杞果实的破碎情况，试验后挑选破损的枸杞，计算破果率，即

w=(n1/n)×100%

(4)

其中，w为破果率(%)；n1为果实破碎个数；n为果实总数。

4.3 试验结果与分析

每组试验重复30次，取30次的平均值作为该组试验结果。试验设计及结果如表9所示。

表9 试验设计及结果Table 9 Design and results of actual test

续表9

根据试验结果对指标时间T和破果率进行方差分析，如表10所示。

由表10可知：对于成熟枸杞和未成熟枸杞脱落时间T1和T2，均是气吸角度为显著性因素，管径和吸风口风速不显著，即对枸杞果实脱落所需时间影响最显著的因素为气吸角度；对于破果率，管径是显著性因素，即对破果率影响最显著的因素为气吸管径。分析可得：气吸角度越大，枸杞果实越易脱落；气吸管径越小，破果率越高。试验误差的来源主要是枸杞果实自身物理特性的差异。

表10 方差分析结果Table 10 Variance analysis result

显著性水平α=0.05，*
表示显著。

结合试验结果进行分析：成熟枸杞和未成熟枸杞脱落所需时间最短均出现在第3组试验中，即当管径为22mm、吸风口风速为31m/s、气吸角度为90°时，枸杞果实最容易脱落，成熟和未成熟枸杞脱落所需时间分别为1.65s和8.27s，但此时破果率为16.67%。而破果率在第7组和第9组时最小，均为3.33%，第7组试验，管径为32mm、吸风口风速为24.69m/s、气吸角度为90°时，成熟和未成熟枸杞脱落所需时间分别为12.05s和18.00s；第9组试验，管径为32mm、吸风口风速为31m/s、气吸角度为45°，成熟和未成熟枸杞脱落所需时间分别为13.24s和22.00s,可以看出在这两组试验参数下枸杞果实脱落所需时间较长。综合考虑，可以观察到第5组实验气吸效果最佳，即以管径为25mm、吸风口风速为27.5m/s、气吸角度为90°为最佳因素组合，此时成熟和未成熟枸杞脱落所需时间分别为1.92s和9.64s，破果率为6.67%。该组试验成熟枸杞脱落所需时间短，与未成熟枸杞脱落存在较长时间差，即成熟枸杞果实脱落时，对未成熟枸杞的影响较小，且破果率相对较低，能够降低枸杞产量损失。

5 结论

1)气吸角度和气吸管径对枸杞气吸脱落效果影响最显著。随着气体流量的增加，枸杞脱落所需时间减少但破果率随之增大。

2)确定了该气吸式枸杞采摘试验装置的最佳管径为25mm，风速为27.5m/s，气吸角度为90°。此时，成熟枸杞脱落所需时间为1.92s，破果率较低为6.67%。

3)研究成果可为气吸式枸杞采摘机研发提供技术依据和方法，对小浆果机械化收获作业具有一定的指导意义。