鲜食大豆收获机弹齿滚筒式采摘装置设计与试验

刘志远 金诚谦 袁文胜 冯玉岗 袁建明

(1.农业农村部南京农业机械化研究所， 南京 210014； 2.武汉理工大学交通与物流工程学院， 武汉 430063)

0 引言

鲜食大豆俗称毛豆，也称青大豆，是种子在鼓粒盛期至初熟期作为一种蔬菜来采摘的大豆类型。20世纪80年代以来，国内外市场对鲜食大豆的需求量不断增加，从事鲜食大豆相关生产的产业增多，依靠传统手工采摘豆荚这种方式成本高，效率低，严重制约着国内鲜食大豆产业的发展[1]。因此，研发鲜食大豆收获机械装备，应用推广高效率、高质量机械化收获方式具有十分重要的意义。

鲜食大豆的收获主要是采摘收集豆荚，收获形式主要分为割后场上脱荚和田间直接脱荚等。在土地条件较差或种植模式不适合机器田间作业的地区，需要收割植株后再集中进行脱荚。因此，鲜食大豆场上脱荚机具得到研发和应用。场上脱荚机主要是由电机提供动力，脱荚机构将豆荚和豆叶一起从植株上脱下，再进行筛选获取干净豆荚。秦广明等[2]设计了5TD60型青大豆脱荚机，采用双对辊脱荚机构，与送料方向呈45°和70°夹角的两对脱荚辊分次脱荚。王福义[3]设计了5MDZJ-380-1400型鲜食大豆摘荚机器，带有橡胶指的滚筒与夹持机构呈一定角度，实现由滚筒上胶指从株顶到根部梳脱豆荚的功能。场上脱荚机需要人工单株喂料，效率较低，且前期收割运输费时费力，在提高鲜食大豆收获效率方面作用有限。

与其它荚果类作物收获机械发展相似[4-5]，效率更高的田间联合收获方式逐渐得到了重视和发展。荚果类作物联合收获采摘机构通常可分为卧式滚筒机构[6-8]和立式对辊机构[9-11]，立式对辊机构为对行作业，植株从辊间隙通过，在脱荚辊高速旋转击打和螺旋摘捋作用下分离荚果和茎秆。赵映等[12]对立式辊脱荚装置构建了荚-柄分离力学模型，确定了脱荚辊转速、喂料速度和对辊间距为影响脱荚率和破损率的主要因素，并得出了因素最优参数组合。金月等[13]对脱荚辊倾斜角度和类型做了试验测试，结果表明最佳辊型为螺旋式，倾斜角度为30°。大豆常采用起垄种植模式，使用不同种植和田间管理机械会造成行距不一致[14-16]，而立式对辊结构受制于种植间距不一，很难有效同时多行采摘。于是兼具高效率和高适应性的卧式滚筒机构得到了更多的研究。MBUVI等[17]和ZANDONAD等[18]分别采用不同型号的滚筒式豌豆联合收获机进行鲜食大豆收获，损失率最高达到45%，对鲜食大豆作业效果不理想。于是对鲜食大豆联合收获专用采摘装置进行研究。张凯等[19]设计了一种梳齿滚筒式采摘装置虚拟样机，对其运动轨迹做出了模拟。王显峰[20]对自走式鲜食大豆摘荚机进行了整体初步设计，采摘装置采用弹齿滚筒形式，并对弹齿排数和滚筒直径取值进行了初步分析，但其结构设计缺少理论依据，主要参数未得到试验验证。涂福泉等[21]设计了双弹指采摘装置，固定弹指和受偏心轮槽作用的伸缩弹指相互配合，用来模拟人工慢速采摘豆荚，但仍停留在虚拟样机阶段，实际作业效果未得到有效验证。

综上所述，目前国内针对鲜食大豆联合收获专用采摘装置的研究大多停留在设计研发阶段，所设计机构仍为虚拟样机，其结构合理性及作业效果未得到有效的验证。本文根据鲜食大豆种植模式和物理特性设计了弹齿滚筒式采摘机构，对采摘装置具体结构进行优化改进，并通过实际试验优化装置工作参数，验证弹齿滚筒采摘装置作业效果。以期为弹齿滚筒式鲜食大豆收获装备的设计和优化提供参考。

1 鲜食大豆植株物理特性参数

国内鲜食大豆种植区域主要分布在江苏、浙江、福建、东北、海南等地区[22]。选取测试的品种为浙江省慈溪市种植的“浙鲜86”，生育期75 d，采用起垄种植，于2020年7月7日选取长势一致良好的田块，采用五点法取样，每个取样点15株鲜食大豆植株。利用卷尺(量程2 m，精度1 mm)、数显游标卡尺(量程200 mm, 精度0.01 mm)、UTM6503型电子材料万能试验机(传感器规格为5 kN，位移分辨率为0.01 mm，加载速率为0.01～500 mm/min)等仪器进行生长特性和物理特性测量(图1)，得到参数如表1所示。荚-柄分离力为14.3 N，标准差为3.8 N，变异系数为26.6%。

图1 植株物理特性测量Fig.1 Measurement of plant physical properties

2 采摘装置结构设计

2.1 采摘装置总体结构和作业原理

采摘机构是鲜食大豆联合收获机的核心装置，工作原理通常是用齿形梳刷的机构将豆荚从植株上分离。生产应用中，具有相似功能的梳刷齿形按结构不同主要有梳齿滚筒、钉齿滚筒和弹齿滚筒等几种。对比几种结构分别收获洋甘菊、野生蓝莓、辣椒等作物的效果，梳齿容易造成植物堵塞齿隙影响收获，钉齿则容易损伤果荚，因此鲜食大豆收获采用弹齿滚筒结构来减少堵塞和损伤[23-27]。弹齿滚筒式采摘机构总体由液压机构、分禾机构、弹齿滚筒、罩壳、地辊等部分构成，其结构如图2所示。

表1 鲜食大豆植株物理特性参数Tab.1 Vegetable soybean plants physical characteristics parameters

图2 弹齿滚筒式鲜食大豆收获机采摘机构结构简图Fig.2 Structure diagram of picking mechanism of spring-tooth drum vegetable soybean harvester1.分禾机构 2.上盖板 3.弹齿滚筒 4.地辊 5.侧挡板 6、7.液压装置

工作原理如图3所示，作业时机具向右前进，滚筒逆时针旋转。滚筒上的弹齿对豆荚产生由下向上的击打作用力，使豆荚产生瞬时加速，冲击力克服豆荚和茎秆之间的结合力，使豆荚从植株上分离。整个采收过程弹齿滚筒功能区分为4部分: ①a～b为接触击打区域，弹齿和豆荚接触，通过击打梳脱使豆荚和茎秆分开。②b～c为携带输送区域，脱落的豆荚依靠惯性进入滚筒上半部，在上盖板滚筒之间，豆荚被携带到采摘台后方。③c～d为卸料抛送区域，豆荚逐渐和弹齿分离，抛送到后下方输送带上。④d～a为空回区域，弹齿基本不与豆荚接触。梳脱后的植株主茎秆仍留在地上，叶片、豆荚、分枝则被滚筒携带抛送到后方传送带上，进入后续清选收集工作。

图3 鲜食大豆弹齿滚筒采摘机构作业原理图Fig.3 Schematic of picking pods by spring-tooth drum mechanism1.弹齿滚筒 2.鲜食大豆植株 3.弹齿-底荚接触点

2.2 弹齿滚筒参数设计及影响因素确定

2.2.1弹齿滚筒参数设计

2.2.1.1滚筒半径

鲜食大豆豆荚主要分布在植株中间，为确保采摘区域能够覆盖所有结荚区域，滚筒上弹齿端点到轴心的半径(简称滚筒半径R)应适应植株物理特性。滚筒半径由结荚区域高度、底荚高度、弹齿和底荚接触位置、滚筒距地高度等决定，为了击脱后的豆荚不被弹出滚筒，能够依靠惯性进入上部的携带输送区域，弹齿和底荚的接触点应在和弹齿最低点呈角度θ的点a(图3)处，弹齿最低点应低于底荚高度。且为避免发生铲土现象，弹齿最低点与地面之间需要留有一定距离，满足

(1)

式中H1——底荚高度，mm

为使滚筒半径能够覆盖整个结荚区域，需要满足

Rcosθ≥H2

(2)

式中H2——结荚范围高度，mm

整理可得滚筒半径R的取值范围为

(3)

此时，弹齿最低点距离地面高度为

H3=H1-(R-Rcosθ)

(4)

式中H3——弹齿最低点距地高度，mm

根据表1中所测量统计的物理参数，鲜食大豆植株结荚范围长度H2定为28 cm，底荚高度H1定为10 cm。根据式(3)可以计算出角度θ需要小于42°。根据式(4)可知，当滚筒半径一定时，θ越大则距地高度越小，因此θ不宜过大，此处θ取 30°。滚筒半径R的取值范围为32.3～75.2 cm。当θ为30°，距地高度5 cm，综合考虑整体结构尺寸，选取滚筒半径R为40 cm。

2.2.1.2弹齿结构

如图4所示，滚筒上沿圆周均匀分布N排弹齿，弹齿由螺栓连接在固定梁上。弹齿可视为悬臂梁结构，如图5所示。

图4 滚筒结构和弹齿布局Fig.4 Drum construction and spring tooth arrangement1.弹齿约束轴 2.滚筒轴 3.弹齿梁 4.弹齿

图5 弹齿受力分析Fig.5 Force analysis of spring teeth1.弹齿梁 2.弹齿约束轴 3.弹齿

受外部周期冲击载荷，正常工作时总冲击载荷F可表示为

F=F1+F2+F3

(5)

式中F1——弹齿和植株摩擦力，N

F2——叶片茎秆阻力，N

F3——弹齿和豆荚碰撞力，N

弹齿所受弯矩M可表示为

M=L1Fcosφ

(6)

式中L1——弹齿端点到根部的力臂，cm

φ——合力与力臂法向夹角，(°)

弹齿端点挠度δ为

(7)

(8)

式中E——弹齿材料弹性模量，MPa

I——弹齿截面惯性矩，mm4

d——弹齿直径，mm

最大静应力σ为

(9)

(10)

式中W——抗弯截面系数，mm3

弹齿材料为65 Mn弹簧钢，杨氏模量为1.97×1011MPa，L1为20 cm，直径为5 mm。弹齿所受合力来源主要是和豆荚碰撞克服荚-柄断裂的力，由前期试验知荚柄断裂需要的力为9～18 N，取最大值的1.5倍，在此记合力Fcosφ为27 N。根据式(7)计算出弹齿前端冲击点静挠度为10.86 mm。根据式(9)计算出弹齿根部最大静应力为407 MPa。为提高弹齿使用寿命，每排弹齿都通过约束轴来减小冲击力臂(L2为弹齿端点到约束轴的力臂，cm)，限制弹齿的最大形变，减少弹齿根部应力集中。

鲜食大豆行距40 cm，为了一次能够收获两行豆荚，滚筒长度定为800 mm。弹齿间距为80 mm，相邻两排之间的弹齿错开布置。

豆荚横向主要成簇集中在主茎干四周，为确保作业时每株豆荚都能梳脱干净，需要多次击打同一植株结荚区域。滚筒经过植株结荚区域时间t可表示为

(11)

式中O——结荚区域宽度，cm

vf——机具前进速度，m/s

在此期间滚筒转过角度λ为

(12)

式中ω——滚筒角速度，rad/s

设每簇豆荚经过弹齿n次击打能够采摘干净，则滚筒上弹齿总排数N和n之间关系可表示为

(13)

参考表1结荚区域宽度O定为8 cm，机具前进速度参考一般收获机械选为3 km/h，则弹齿总排数N和击打次数n成正比，和滚筒转速成反比。经过弹齿击打豆荚初步试验测试可知，当弹齿线速度超过10 m/s时，豆荚破损率明显增加。因此，滚筒转速选择较小值200 r/min，此时N可表示为

N=3n

(14)

由于鲜食大豆豆荚分布密集，为了较好的采摘效果，此处选取较大值n为6，则弹齿总排数定为18排。

2.2.2作业效果影响因素

为了豆荚能够被有效的收集，需要对最底部豆荚进行运动分析，底荚应能够顺利进入滚筒和上盖板覆盖区域。如图6，弹齿在接触豆荚时的速度是由跟随滚筒旋转和机具前进两部分速度合成的，即

vt=vr+vf

(15)

其中

vr=2πωR

(16)

(17)

式中vr——弹齿端点切向速度，m/s

vt——vr和vf的合速度，m/s

图6 底荚运动方向示意图Fig.6 Schematic of bottom pod velocity1.底荚 2.弹齿

撞击后豆荚速度方向和弹齿速度一致，豆荚速度vp可表示为

vp=Kvt

(18)

式中K为系数，豆荚速度的水平和竖直分量分别表示为

vpx=vpcosβ=Kvtcosβvpy=vpsinβ=Kvtsinβ

(19)

式中β——豆荚速度和水平线夹角，(°)

如图3，要使最底部豆荚不被弹出掉落在地，则底荚相对盖板点b平位移为s时，相对盖板点b处竖直位移Sy大于竖直距离Rcosθ。S和时间t1之间关系可表示为

S=vpxt1-vft1

(20)

(21)

在t1时间内，底荚相对盖板点b竖直距离和竖直位移关系式为

(22)

由式(22)可知，竖直位移Sy是与弹齿速度vt及机具前进速度vf相关的函数，vt又与滚筒角速度ω、机具前进速度vf、距地高度H3相关，因此可推出影响机具采收性能主要影响因素为滚筒转速、机具前进速度、割台距地高度。为验证理论分析，提高采摘装置作业性能，对齿滚筒式采摘装置进行单因素和多因素试验。

3 试验

3.1 试验材料及仪器设备

2021年11月在浙江省杭州市萧山区选取适收期“浙鲜86”鲜食大豆植株作为试验材料，选取的田块鲜食大豆产量为11 250 kg/hm2，平均株高46.3 cm，平均底荚高度9.6 cm。试验仪器有自主设计弹齿滚筒采摘试验台(图7)、AR926型转速表、电子天平、游标卡尺(精度0.02 mm)、50 m皮尺、网袋等。每次试验夹持机构固定3株植株，株距25 cm，由步进电机驱动传送带并带动夹持机构按要求速度直线运动，变频器调节频率改变三相电机驱动滚筒的转速。

图7 试验台架和作业场景Fig.7 Photo of test bench and its working scene

3.2 试验设计

3.2.1试验因素与指标

试验因素选取前进速度(物料进给速度)、滚筒转速、割台高度。选取的试验指标为豆荚掉落率Y1、挂枝率Y2和破损率Y3，分别表示为

(23)

(24)

(25)

总损失率YT为

YT=Y1+Y2+Y3

(26)

式中MT——每次试验全部豆荚总质量，g

ML——每次试验后掉落地面上豆荚总质量，g

MB——每次试验后仍和茎秆连接的豆荚总质量，g

MD——每次试验后收集到的豆荚中破损豆荚质量，g

3.2.2试验方法

试验方案采用三因素五水平二次正交旋转中心组合试验[28-30]，用多元二次方程来拟合因素和响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优参数组合，评估多因素的非线性影响。

对3个因素进行预试验，并选取总损失率相对较低区域对应的因素取值范围，作为多因素组合试验参数范围。预试验结果表明在前进速度0.2～0.6 m/s，滚筒转速200～300 r/min，割台高度4～8 cm范围时，总体损失较低，以此作为参考，组合试验因素编码如表2所示，每组试验重复3次。

表2 试验因素编码Tab.2 Test factors code

3.3 试验结果与分析

整体试验结果如表3所示，表中X1、X2、X3为因素编码值。

用Design-Expert软件对试验结果进行回归分析，回归模型方差分析结果如表4所示。在回归方程和因素显著性分析的基础上，通过Matlab软件生成响应面图，可直观反映各因素的交互作用对掉落率、挂枝率和破损率的影响。

(1)豆荚掉落率

表3 多因素组合试验方案与结果Tab.3 Multi-factor combination test plan and results

(27)

前进速度和滚筒转速对掉落率的影响如图8a所示。保持滚筒转速不变，掉落率随前进速度增加呈先降低后增加的趋势；当固定前进速度时，掉落率随滚筒转速增加呈先降低后增加的趋势。前进速度从0.4 m/s逐渐增加，滚筒转速从250 r/min逐渐降低，因素间交互作用导致掉落率显著增加。前进速度由低到高，对应的掉落率最低点的滚筒转速在250 r/min逐渐加大到280 r/min，在较大前进速度工作时应适当加大滚筒转速。从整体看掉落率最低区域对应的滚筒转速在250 r/min附近，前进速度在0.3 m/s附近。

前进速度和割台高度对掉落率的影响如图8b所示。当前进速度和割台高度同时增加时，交互作用会导致掉落率显著增加。前进速度不超过0.4 m/s时，前进速度和割台高度对掉落率影响均比较小。在较大前进速度时，割台高度的降低会显著减小掉落率。整体来看，掉落率最低区域对应的割台高度在4 cm附近，前进速度为0.4 m/s。因此在土地平整度较差田块，可以适当降低机具前进速

表4 回归模型方差分析Tab.4 Variance analysis of regression model

图8 因素交互作用对掉落率影响的响应曲面Fig.8 Response surfaces for effect of factor interactions on drop rate

度，增加割台高度来保证收获质量。

滚筒转速和割台高度对掉落率的影响如图8c所示。在割台高度处于较大值时，掉落率随滚筒转速增加呈先降低后增加的趋势；割台高度处于较小值时，掉落率和滚筒转速呈负相关；当滚筒转速保持不变时，掉落率和割台高度呈负相关，割台高度的减小可以显著降低掉落率。整体来看，掉落率最低时对应的滚筒转速在280 r/min附近，割台高度在4 cm附近。

(2)豆荚挂枝率

由表4可知，挂枝率整个模型具有显著性(p<0.000 1)。各参数的线性、二次效应及其交互作用对于挂枝率影响的主次顺序为X2、X3、X1X2，其中X1X2影响显著，X2、X3影响极显著，其他因素不显著。失拟项p=0.192，不显著。剔除不显著交互项后，挂枝率回归方程为

Y2=5.79-0.12X1+1.28X2+0.72X3-0.51X1X2

(28)

前进速度和滚筒转速对挂枝率的影响如图9所示。较大的滚筒转速下弹齿容易打断植株主茎干，导致豆荚不能从茎秆上有效梳脱，从而造成挂枝率增加。在低滚筒转速下，随着前进速度增加，弹齿的单株梳脱次数会降低，也会导致挂枝率增加。但在较高滚筒转速下，弹齿的单株梳脱次数总能高于阈值，此时前进速度的变化对挂枝率的影响则不显著。从整体看当滚筒转速为200 r/min附近，前进速度为0.2 m/s左右时挂枝率存在最低值。

图9 因素交互作用对挂枝率影响的响应曲面(X3=0)Fig.9 Response surface for effect of factor interactions on branching rate

(3)豆荚破损率

由表4可知，破损率整个模型具有极显著性(p<0.000 1)。各参数的线性、二次效应及其交互作用对于破损率影响显著的主次顺序为X2、X1X2、X1，其中X2影响极显著，X1X2、X1影响显著，其他因素不显著。失拟项p=0.190 3，不显著。剔除不显著交互项后，破损率回归方程为

Y3=6.02-0.45X1+2.31X2-0.11X3-0.59X1X2

(29)

前进速度和滚筒转速对破损率的影响如图10所示。在前进速度小于0.4 m/s时，破损率和滚筒转速基本呈负相关；当滚筒转速大于250 r/min时前进速度和破损率负相关，当滚筒转速小于250 r/min时为正相关。减小前进速度会增加弹齿和豆荚碰撞次数，增大滚筒转速会增加弹齿击打力，两者交互导致破损率显著增加。随着前进速度增加，滚筒转速的改变对减少破损率的作用效果减弱，对应的破损率最低值也逐渐有小幅度增加。从响应面图总体可看出，当滚筒转速为200 r/min附近，前进速度为0.2 m/s左右时破损率最低。

图10 因素交互作用对破损率影响的响应曲面(X3=0)Fig.10 Response surface for effect of factor interactions on breakage rate

3.4 参数优化与试验验证

3.4.1参数优化

为获得弹齿滚筒式鲜食大豆采摘装置的最优性能参数组合，采用粒子群优化算法对3个回归模型进行最优值求解，总损失函数YT约束条件为

(30)

初始化粒子数100个，迭代500次，适应度曲线如图11所示。总损失率最低时，掉落率为10.6%，挂枝率为4.4%，破损率为5.6%，对应的前进速度为0.43 m/s，滚筒转速为245 r/min，割台高度为4 cm。

图11 粒子群优化适应度曲线Fig.11 Particle swarm optimization fitness curves

3.4.2验证试验

(1)台架试验验证

为了验证优化结果的准确性，对得到的最优组合参数进行试验验证，试验材料和试验仪器与上述台架试验保持一致，以前进速度0.43 m/s、滚筒转速245 r/min、割台高度4 cm进行试验，试验共进行10次。结果如表5所示，对试验结果取平均值得出，掉落率11.1%，挂枝率4.7%，破损率5.2%，与理论预测值相对误差均不高于7.6%。通过方差分析，各评价指标10次台架试验值和预测值之间不具有显著性差异(p>0.05)。

表5 台架验证试验值与预测值对比Tab.5 Comparison of bench verification test value and predicted value %

(2)大田试验验证

图12 田间试验Fig.12 Field experiment pictures

2022年8月29—31日在浙江省杭州市萧山区进行田间试验验证，试验地块与台架试验取样地一致。以前进速度0.43 m/s、滚筒转速245 r/min、割台高度4 cm进行试验，试验现场如图12所示，每隔10 m采收为一组试验，共进行10次重复试验。结果如表6所示，对试验结果取平均值得出，掉落率为11.8%，挂枝率4.0%，破损率6.1%。与理论预测值相对误差均不高于10.1%。通过方差分析，各评价指标10次田间试验值和预测值之间不具有显著性差异(p>0.05)。

表6 田间验证试验值与预测值对比Tab.6 Comparison of field validation test values and predicted values %

4 结论

(1)结合鲜食大豆种植模式和采摘期植株物理特性，优化设计了一种弹齿滚筒式鲜食大豆采摘装置。影响采摘因素主要为前进速度、滚筒转速、割台高度，采摘损失主要为掉落、挂枝和破损。各参数的合适调节范围为：前进速度0.2～0.6 m/s、滚筒转速200～300 r/min、割台高度4～8 cm。

(2)分别建立了掉落率、挂枝率和破损率与因素间的数学模型。各因素对掉落率和挂枝率指标的影响依次为：滚筒转速、割台高度、前进速度；对破损率指标的影响依次为：滚筒转速、前进速度、割台高度。以总损失最低为目标进行优化，结果表明：最优参数组合为前进速度0.43 m/s、滚筒转速245 r/min、割台高度4 cm，掉落率、挂枝率和破损率田间试验值分别为11.8%、4.0%、6.1%。