李 斌，陸華忠,2，呂恩利,2，李 君,2※，丘廣俊，尹鴻超，馬亞坤

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642）

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年中國(guó)荔枝種植面積和產(chǎn)量分別為57.18萬(wàn)hm2和219.32萬(wàn)t，總產(chǎn)值約130億元，面積和產(chǎn)量分別占全球荔枝面積和產(chǎn)量的71.47%和62.66%[1-2]。國(guó)內(nèi)的荔枝園主要分布于南方丘陵山區(qū)，果園郁閉程度高，中大型作業(yè)機(jī)械難以進(jìn)入，且受采收期果實(shí)成熟度不一致的影響，小型輕簡(jiǎn)化的采收機(jī)械是產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展的方向[3]。采收環(huán)節(jié)投入的勞動(dòng)力約占生產(chǎn)總用工量的30%～50%，采收成本約占生產(chǎn)總成本的50%～70%，采收機(jī)械化水平是制約中國(guó)荔枝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素之一[4-6]。

由于成熟期的荔枝果實(shí)會(huì)呈簇狀聚集在樹冠外側(cè)，因此機(jī)械式剪切的收獲方法比較適合傳統(tǒng)的成串式荔枝采收要求。趙磊等[7]根據(jù)荔枝果實(shí)尺寸和枝條物理特性，研制了滾筒疏剪式荔枝采摘機(jī)，并分析了齒形板在采摘過(guò)程中的應(yīng)力和形變。在此基礎(chǔ)上，姜焰鳴等[8]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該采摘機(jī)參數(shù)處于最佳水平組合時(shí)，生產(chǎn)率為2.604 kg/min、摘凈率為98.14%、破碎率為6.83%。孔慶軍等[9]設(shè)計(jì)了 1種旋轉(zhuǎn)剪刀式荔枝采摘機(jī)，對(duì)切割刀片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了可靠性分析。隨著荔枝冷鏈物流技術(shù)的發(fā)展，去梗式果實(shí)包裝的市場(chǎng)需求逐漸增大，不少學(xué)者開始研究去梗式荔枝的機(jī)械生產(chǎn)技術(shù)。陳燕等[10]設(shè)計(jì)了 1種具有5自由度、1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的荔枝采摘機(jī)械手。王慰祖等[11]研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械式荔枝去梗機(jī)去梗效果在振動(dòng)頻率為20 Hz時(shí)最好，去梗效率約為人工去梗的3倍，破損率低于6%。相比機(jī)械手采摘，振動(dòng)式采摘在去梗式荔枝收獲的作業(yè)效率更高。早在20世紀(jì)50年代中期，國(guó)外就開始利用機(jī)械振搖樹干或樹冠進(jìn)行水果采摘[12-13]。Lee等[14]研制了1種樹冠振動(dòng)式紅棗收獲機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)激振頻率為7.7 Hz、試驗(yàn)時(shí)間為3s時(shí)，成熟紅棗收獲率可達(dá)到95.8%。王業(yè)成等[15]通過(guò)優(yōu)化振動(dòng)式黑加侖采收裝置的工作參數(shù)，改進(jìn)設(shè)計(jì)了1種便攜式漿果采收機(jī)。范雷剛等[16]對(duì)果木主干在振動(dòng)采收過(guò)程中獲得的加速度進(jìn)行研究，獲得了振動(dòng)采收裝置的夾持位置、振動(dòng)輸出頻率、輸出位移對(duì)果木主干的影響規(guī)律。瞿維等[17]對(duì)受迫振動(dòng)下杏果實(shí)樹枝能量傳遞的研究表明，樹枝與樹干的夾角越小，各采樣點(diǎn)在擺動(dòng)方向獲得的動(dòng)能越大，越有利于果實(shí)脫落。

開發(fā)荔枝去梗式振動(dòng)采摘機(jī)構(gòu)并優(yōu)化作業(yè)參數(shù)，對(duì)于中國(guó)荔枝采收機(jī)械化水平的提高具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過(guò)研究荔枝枝干振動(dòng)動(dòng)態(tài)特性以確定荔枝振動(dòng)采摘的方式與激勵(lì)位置，為荔枝振動(dòng)采摘激振點(diǎn)的選擇提供依據(jù)，為振動(dòng)式采收裝置的設(shè)計(jì)和采收方案提供參考，達(dá)到果實(shí)采凈率高且損傷小的目的。進(jìn)而利用動(dòng)-定梳排組合式荔枝采摘機(jī)構(gòu)進(jìn)行采摘試驗(yàn)，通過(guò)分析激振頻率、定梳排間距和動(dòng)梳排擺動(dòng)角度對(duì)荔枝生產(chǎn)率和破損率的影響，獲得采摘機(jī)構(gòu)的最佳采摘參數(shù)，并進(jìn)一步對(duì)比分析振動(dòng)采摘和手工采摘的采后品質(zhì)，以期為去梗式荔枝果實(shí)的機(jī)械收獲技術(shù)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于廣東省農(nóng)科院白云基地進(jìn)行，該基地東經(jīng)113.4°，北緯23.4°，海拔25 m，株行距為5 m×6 m。供試品種為桂味荔枝，樹齡15～20 a。荔枝枝干振動(dòng)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)于2016年1月12日進(jìn)行，晴，溫度10～18 ℃。荔枝振動(dòng)采收試驗(yàn)于2016年6月27日進(jìn)行，晴，溫度26～34 ℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用動(dòng)-定梳排組合式荔枝采摘機(jī)構(gòu)（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家荔枝龍眼產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系果園機(jī)械化研究室試制）、TST5916堅(jiān)固型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（江蘇泰斯特電子設(shè)備制造有限公司，采樣頻率10～100 000 Hz，系統(tǒng)穩(wěn)定度0.1%/h），澄科TST03 a型加速度傳感器（量程100 G，質(zhì)量28 g），普田TB-100A型三相單偏心塊式激振器（額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min），臺(tái)達(dá)VFD004M22a三相變頻器（輸出頻率0～60 Hz，功率400 W），華儀MS6208B光電轉(zhuǎn)速表（測(cè)量范圍50～19 999 RPM，精度±（0.3%+2）），帶有分析軟件的計(jì)算機(jī)組成動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，卷尺、編織收集網(wǎng)、計(jì)時(shí)器、電子天平，美能達(dá)CR-400型全自動(dòng)色差儀，愛(ài)拓 PR-32型數(shù)字式折射計(jì)（量程為 Brix 0～32.0%，最小刻度為Brix 0.1%），果蔬保鮮試驗(yàn)平臺(tái)[18]等。

動(dòng)-定梳排組合式荔枝采摘機(jī)構(gòu)[19-20]包括振動(dòng)采摘頭、手持桿、背負(fù)架、汽油機(jī)、離合器等組成，如圖 1所示。振動(dòng)采摘頭主要由動(dòng)梳排、定梳排和偏心裝置組成。定梳排梳棒呈平行分布，梳棒間距可調(diào)；動(dòng)梳排梳棒呈扇形分布，梳棒間夾角為8°，梳棒根部間距15 mm。采摘時(shí)，汽油機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，動(dòng)力通過(guò)離合器和傳動(dòng)軟軸，使偏心裝置運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)使動(dòng)梳排做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)掛果枝條進(jìn)行激振，使果枝產(chǎn)生一定頻率和振幅的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)果實(shí)慣性力大于果梗脫離阻力時(shí)果-梗分離。定梳排起到約束枝條運(yùn)動(dòng)的作用，動(dòng)梳排對(duì)枝條進(jìn)行左右往復(fù)擺動(dòng)，動(dòng)-定梳排組合式結(jié)構(gòu)更有利于果實(shí)脫落。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 振動(dòng)能量傳遞試驗(yàn)

振動(dòng)能量傳遞試驗(yàn)的目的是通過(guò)分析不同激振點(diǎn)對(duì)荔枝能量傳遞特性的影響，獲取荔枝樹枝振動(dòng)動(dòng)態(tài)特性，從而為荔枝振動(dòng)采摘方式、激振點(diǎn)的選擇以及去梗式振動(dòng)采收機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

試驗(yàn)前先對(duì)樣本樹的各分支進(jìn)行標(biāo)記，根據(jù)衍生出分支順序，首位數(shù)字代表分支級(jí)別，第二個(gè)字母代表相同級(jí)別分支的不同分支，a代表左邊分支，b代表右邊分支；字母Pj代表同一分支上不同的測(cè)試點(diǎn)[21]。

如圖2所示，在距離各級(jí)分支分叉點(diǎn)上、下各5 cm處以及各分支每間隔15 cm設(shè)置測(cè)點(diǎn)，將加速度傳感器固定在平整的塑料片上，并用熱熔膠和扎帶將其固定各測(cè)點(diǎn)。振動(dòng)采摘包括樹干振動(dòng)和樹冠振動(dòng)2種方式[22-24]，由于矮化種植荔枝的較短樹干會(huì)影響振動(dòng)效果，因此本文采用樹冠振動(dòng)的方式進(jìn)行試驗(yàn)研究。選取二級(jí)分支上2a-P1下方10 cm處位置為激振點(diǎn)一，四級(jí)分支上距離三級(jí)分支分叉點(diǎn)20 cm處的點(diǎn)4a-P2處為激振點(diǎn)二。偏心塊式激振器在激振點(diǎn)一激振時(shí)，測(cè)量全部測(cè)點(diǎn)的加速度幅值。激振器在激振點(diǎn)二激振時(shí)，測(cè)量各分支的傳遞路徑末端測(cè)點(diǎn)的加速度幅值。激振頻率范圍為[10 Hz，50 Hz]，按照間隔5 Hz的方式共設(shè)置9個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，取平均值后進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。為方便描述某一測(cè)點(diǎn)相對(duì)于參考點(diǎn)的能量變化，引入振動(dòng)加速度傳遞比（以下簡(jiǎn)稱加速度傳遞比），其定義如式（1）所示。

圖1 動(dòng)-定梳排組合式荔枝采摘機(jī)構(gòu)Fig.1 Hybrid shaking-fixed combo picker for litchi

圖2 測(cè)點(diǎn)位置及傳感器固定方式示意圖Fig.2 Location of measuring points and installation of sensors

式中kij為i測(cè)點(diǎn)j方向振動(dòng)加速度傳遞比；aij為i測(cè)點(diǎn)j方向平均振動(dòng)加速度，m/s2；a0j為參考點(diǎn)j方向平均振動(dòng)加速度，m/s2。

本試驗(yàn)共4個(gè)傳遞路徑，分別為：傳遞路徑Ⅰ：2a-P1→2a-P2→3a-P1→3a-P2→3a-P3→3a-P4→3a-P5→3a-P6；傳遞路徑Ⅱ：3b-P1→3b-P2→3b-P3→3b-P4→3b-P5→4a-P1→4a-P2→4a-P3→5a-P1→5a-P2→5a-P3；傳遞路徑Ⅲ：3b-P1→3b-P2→3b-P3→3b-P4→3b-P5→4a-P1→4a-P2→4a-P3→4a-P4→5b-P1→5b-P2→5b-P3；傳遞路徑Ⅳ：2a-P1→2a-P2→3a-P1→3a-P2→3a-P3→3a-P4→3a-P5→4b-P1→4b-P2→4b-P3→4b-P4。

根據(jù)不同測(cè)點(diǎn)在不同頻率和方向的振動(dòng)加速度幅值，可算出各測(cè)點(diǎn)不同方向和頻率下相對(duì)于參考點(diǎn)的加速度傳遞比。在激振點(diǎn)一激振時(shí)，振動(dòng)能量傳遞試驗(yàn)中參考點(diǎn)為每條傳遞路徑的起點(diǎn)（傳遞路徑Ⅰ：2a-P1；傳遞路徑Ⅱ：3b-P1；傳遞路徑Ⅲ：3b-P1；傳遞路徑Ⅳ：2a-P1）。在激振點(diǎn)二激振時(shí)，參考點(diǎn)為5a-P2。將振動(dòng)頻率設(shè)置為橫坐標(biāo)，以加速度傳遞比為縱坐標(biāo)，繪制各傳遞路徑測(cè)點(diǎn)位置振動(dòng)頻率與加速度傳遞比關(guān)系圖，進(jìn)而分析不同頻率下各路徑不同方向加速度傳遞情況。

1.3.2 采摘性能試驗(yàn)

為研究基于荔枝樹枝振動(dòng)動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)的動(dòng)-定梳排組合式采摘機(jī)構(gòu)的作業(yè)性能，需要進(jìn)行單因素試驗(yàn)以確定激振頻率、定梳排間距和動(dòng)梳排擺動(dòng)角度等參數(shù)對(duì)生產(chǎn)率和破損率的影響，并通過(guò)正交試驗(yàn)獲得采摘機(jī)構(gòu)的最佳作業(yè)參數(shù)條件。

采摘性能指標(biāo)為生產(chǎn)率和破損率，分別定義為

式中E為生產(chǎn)率，kg/min；m為單穗果實(shí)總質(zhì)量，kg；t為采完單穗果實(shí)所需的時(shí)間，min；F為破損率，%；m0為單穗破損果實(shí)質(zhì)量，kg。

振動(dòng)頻率為機(jī)具內(nèi)偏心輪的轉(zhuǎn)速換算得出，偏心輪轉(zhuǎn)速利用華儀MS6208B光電轉(zhuǎn)速表測(cè)得。

式中f為梳排振動(dòng)頻率，Hz；n為偏心輪轉(zhuǎn)速，r/min。

在統(tǒng)計(jì)單穗果實(shí)破損率時(shí)，目測(cè)果皮破裂或損傷的果實(shí)均被視為破損果實(shí)，破損原因主要為采摘過(guò)程中被振動(dòng)梳棒打傷破裂，或脫落過(guò)程中果皮被扯裂。

試驗(yàn)步驟：首先對(duì)待采單穗荔枝個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并做記錄；調(diào)節(jié)采摘機(jī)參數(shù)為試驗(yàn)所需水平，將收集網(wǎng)打開置于作業(yè)區(qū)域下方0.5 m處；從梳排接觸荔枝掛果枝條開始計(jì)時(shí)，單橞果實(shí)全部脫落停止計(jì)時(shí)，采摘后將收集網(wǎng)內(nèi)果實(shí)取出，記錄破損果實(shí)質(zhì)量。

1）單因素試驗(yàn)

荔枝振動(dòng)采摘時(shí)，生產(chǎn)率和破損率主要與果實(shí)所受慣性力和采摘時(shí)間有關(guān)。由于采摘機(jī)構(gòu)的激振頻率、定梳排間距和動(dòng)梳排擺動(dòng)角度決定果實(shí)所受慣性力，因此選取該 3個(gè)參數(shù)為試驗(yàn)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)。雖然振動(dòng)激勵(lì)能使荔枝果實(shí)在慣性力的作用下與果梗分離，但是頻率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致果皮扯裂的概率增加。

荔枝去梗加工研究中通過(guò)手持的方式固定枝條并施加振動(dòng)激勵(lì)，通常振動(dòng)頻率取值范圍為 15～23.3 Hz[11]，考慮到動(dòng)-定梳排組合式采摘機(jī)構(gòu)的定梳排達(dá)不到固定約束的理想限位效果，因此試驗(yàn)時(shí)需要適當(dāng)增加振動(dòng)頻率的水平值；荔枝果梗具有較強(qiáng)的抗變形能力，對(duì)枝條加以限位約束可有效將能量傳遞到果梗[10]，但過(guò)大的定梳排間距值會(huì)影響約束效果，由于荔枝樹直徑8～10 mm的結(jié)果母枝占總結(jié)果母枝總數(shù)的74.3%[25]，因此定梳排間距的試驗(yàn)水平值間隔取5 mm；相關(guān)研究表明振幅為10～30 mm采摘效果較佳[26-27]，根據(jù)動(dòng)梳排結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算得出激勵(lì)點(diǎn) 10～30 mm 振幅區(qū)間對(duì)應(yīng)的動(dòng)梳排擺動(dòng)角度范圍為20o～60o。因此，將本研究的試驗(yàn)條件設(shè)置為：①振動(dòng)頻率影響試驗(yàn)：定梳排間距為 25 mm，動(dòng)梳排擺動(dòng)角度為40°，振動(dòng)頻率依次為16.67、20、23.33、26.67、28 Hz，共5組，每組10次重復(fù)。②定梳排間距影響試驗(yàn)：振動(dòng)頻率為23.33 Hz，動(dòng)梳排擺動(dòng)角度為40°，定梳排間距依次為10、15、20、25 mm及無(wú)窮大（無(wú)定梳排），共5組，每組10次重復(fù)。③動(dòng)梳排擺動(dòng)角度影響試驗(yàn)：振動(dòng)頻率為23.33 Hz，定梳排間距為25 mm，動(dòng)梳排擺動(dòng)角度依次為20°、30°、40°、50°、60°，共5組，每組10次重復(fù)。

2）正交試驗(yàn)

選取激振頻率、定梳排間距和動(dòng)梳排擺動(dòng)角度為試驗(yàn)因素，并根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定試驗(yàn)因素合理的取值范圍，設(shè)計(jì)3因素3水平正交試驗(yàn)。試驗(yàn)共9處理，每個(gè)處理重復(fù)3次取平均值，采用SPSS Version 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.3 采后品質(zhì)試驗(yàn)

為對(duì)比振動(dòng)采摘和人工采摘 2種采摘方式的采后品質(zhì)差異，按照隨機(jī)抽取果穗的方法，采用 2種方式各采摘300顆荔枝果實(shí)。采摘試驗(yàn)后，2 h內(nèi)運(yùn)到華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，分別在5 ℃左右的冰水中預(yù)冷15 min，于空調(diào)房（溫度25 ℃，空氣濕度60%）內(nèi)晾干[28-29]。將采摘后目測(cè)果皮組織完好的荔枝分別裝在聚乙烯薄膜袋中，每袋15顆。按照振動(dòng)采摘和手工采摘進(jìn)行分組，每組20袋，置于同一果蔬保鮮試驗(yàn)平臺(tái)中保存，保存溫度約為 6 ℃，氧氣體積分?jǐn)?shù)3%～6%，相對(duì)濕度90%～95%[18]。貯藏試驗(yàn)共進(jìn)行8 d，每隔48 h從每組各取2袋，對(duì)荔枝色差a*、b*和 L*值、可滴定酸（titratable acid，TA）含量和可溶性固形物（total soluble solid，TSS）含量5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試[30]。為方便對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和比較，定義振動(dòng)采摘和手工采摘處理分別為L(zhǎng)1組和L2組。

2 結(jié)果與分析

2.1 振動(dòng)能量傳遞試驗(yàn)

在激振點(diǎn)一激振的振動(dòng)能量傳遞試驗(yàn)結(jié)果如圖 3所示。沿傳遞路徑方向，各傳遞路徑的振動(dòng)傳遞比均呈先增大后減小的趨勢(shì)，振動(dòng)傳遞比最大值出現(xiàn)在各傳遞路徑的第4～6個(gè)測(cè)點(diǎn)（傳遞路徑I的3a-P3、3a-P4，傳遞路徑II的3b-P5、4a-P1、4a-P2，傳遞路徑III的3b-P5、3a-P4、4a-P1、4a-P2，傳遞路徑 IV 的 3a-P3、3a-P4、3a-P5，見(jiàn)圖2）。對(duì)比4條傳遞路徑末端測(cè)點(diǎn)的X、Y方向振動(dòng)傳遞比數(shù)值，發(fā)現(xiàn)傳遞路徑Ⅰ最大，傳遞路徑III最小。測(cè)點(diǎn)相對(duì)于激振點(diǎn)的位置對(duì)振動(dòng)加速度傳遞比的影響較大。傳遞路徑I較短，經(jīng)過(guò)分支較少，能量衰減少。傳遞路徑III較長(zhǎng)，遠(yuǎn)端測(cè)點(diǎn)的側(cè)枝柔性增強(qiáng)會(huì)削弱測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)能量，且沿樹枝生長(zhǎng)方向衍生出的更多小側(cè)枝轉(zhuǎn)移了一部分能量，導(dǎo)致傳遞到末端測(cè)點(diǎn)的能量衰減更多。由于荔枝果實(shí)主要分布于樹冠外側(cè)，因此振動(dòng)能量衰減越多越難達(dá)到果梗分離條件。

在激振點(diǎn)二激振的振動(dòng)能量傳遞試驗(yàn)結(jié)果如圖 4所示。傳遞路徑II和III的五級(jí)分支4個(gè)測(cè)點(diǎn)（5a-P2、5a-P3、5b-P2、5b-P3，見(jiàn)圖2）的X、Y方向振動(dòng)傳遞比數(shù)值較大，而傳遞路徑I和IV的4個(gè)測(cè)點(diǎn)（3a-P5、3a-P6、4b-P3、4b-P4，見(jiàn)圖 2）的振動(dòng)傳遞比數(shù)值較小。由于該五級(jí)分支系激振點(diǎn)所在分支的衍生枝條，傳遞路徑II和III只經(jīng)過(guò)一個(gè)分叉點(diǎn)，所以傳遞到5a-P2、5a-P3、5b-P2、5b-P3等 4個(gè)測(cè)點(diǎn)的能量衰減較少。而從激振點(diǎn)到傳遞路徑 I和IV的3a-P5、3a-P6、4b-P3、4b-P4等4個(gè)測(cè)點(diǎn)路徑較長(zhǎng)，且中間需經(jīng)過(guò)多級(jí)分支和多個(gè)分叉點(diǎn)，振動(dòng)能量分散較多，導(dǎo)致傳遞到該4個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)能量衰減較大。

圖3 四條傳遞路徑振動(dòng)傳遞比試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results of vibrational transmission ratio of four transmission paths

通過(guò)振動(dòng)加速度傳遞比可知：當(dāng)激振點(diǎn)在二級(jí)分支時(shí)，振動(dòng)能量經(jīng)過(guò)多級(jí)分支，傳遞到荔枝樹冠層掛果枝條的能量較小。當(dāng)選擇四級(jí)分支激振時(shí)，沿該四級(jí)分支傳遞到冠層掛果枝條的振動(dòng)能量損失相對(duì)較小。能量在樹木中的傳遞是以能量波的形式傳遞，樹木本身阻尼、樹枝粗細(xì)及枝干之間的夾角對(duì)能量傳遞影響較大[17]。加速度與測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離樹干分叉點(diǎn)的距離呈拋物線關(guān)系，隨著測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離樹干分叉點(diǎn)加速度值逐漸增大，但在樹枝末梢處出現(xiàn)衰減[31]。故采用對(duì)冠層外側(cè)的掛果枝條進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)的采收方式能夠有效減少能量損失，更有利于荔枝采摘。

圖4 激振點(diǎn)二激振各路徑末端測(cè)點(diǎn)振動(dòng)傳遞比試驗(yàn)結(jié)果Fig. 4 Experimental results of vibrational transmission ratio at end of each path with excitation from second excitation point

2.2 采摘性能試驗(yàn)

2.2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

為方便數(shù)據(jù)處理與分析，將定梳排間距單因素試驗(yàn)中的定梳排間距數(shù)值取倒數(shù)后，水平值從小到大依次為0（無(wú)定梳排）、0.04、0.05、0.067、0.10 mm-1。

如圖5a所示，隨著梳排振動(dòng)頻率的增加，生產(chǎn)率和破損率相應(yīng)增大，破損率在28 Hz振動(dòng)頻率的條件下已接近10%。由圖5b可知，生產(chǎn)率總體上隨定梳排間距的增加而呈先增大后減小的趨勢(shì)，破損率則呈先減小后上升的趨勢(shì)，定梳排間距在25 mm以內(nèi)的采摘性能指標(biāo)值較為理想。原因在于無(wú)定梳排約束條件下的荔枝生產(chǎn)率低，采凈用時(shí)長(zhǎng)導(dǎo)致果實(shí)破損數(shù)量增加。隨著定梳排間距變小，梳排的約束作用加強(qiáng)，使得生產(chǎn)率增大、破損率下降。如圖5c所示，隨著動(dòng)梳排擺動(dòng)角度的增大，生產(chǎn)率呈先增大后平緩的趨勢(shì)，擺動(dòng)角度超過(guò)50°以后的破損率迅速上升。

2.2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

設(shè)計(jì)3因素3水平正交試驗(yàn)，其試驗(yàn)因素與水平設(shè)置如表1所示，正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。振動(dòng)頻率A、定梳排間距B、動(dòng)梳排擺動(dòng)角度C 3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)荔枝生產(chǎn)率和破損率的影響是不同的。根據(jù)極差值比較，影響的主次順序均為A>C>B，即振動(dòng)頻率>動(dòng)梳排擺動(dòng)角度>定梳排間距。生產(chǎn)率最優(yōu)的各因素水平組合為 A3B2C3，即振動(dòng)頻率為26.67 Hz、定梳排間距為20 mm、動(dòng)梳排擺動(dòng)角度為 50°；破損率最優(yōu)的各因素水平組合為A1B1C1，即振動(dòng)頻率為20 Hz、定梳排間距為15 mm、動(dòng)梳排擺動(dòng)角度為30°時(shí)，破損率最低。對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

方差分析表明：定梳排間距、動(dòng)梳排擺動(dòng)角度均對(duì)生產(chǎn)率和破損率有顯著性影響（P<0.05），振動(dòng)頻率對(duì)生產(chǎn)率和破損率有極顯著影響（P<0.01），與極差分析的主次因素結(jié)論一致。

2.2.3 因素組合優(yōu)化

為平衡生產(chǎn)率和破損率的得失，采用綜合加權(quán)評(píng)分法進(jìn)行分析，以得出使生產(chǎn)率和破損率都盡可能達(dá)到最優(yōu)的組合。根據(jù)3個(gè)因素對(duì)衡量指標(biāo)的重要程度，以100分作為總權(quán)，生產(chǎn)率為60，破損率為40[32-33]，每處理的綜合評(píng)分值為

式中 yi表示第 i號(hào)試驗(yàn)所得計(jì)算值(加權(quán)評(píng)分指標(biāo))；Wj表示第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)值；yij表示第i號(hào)試驗(yàn)中第j個(gè)指標(biāo)；ymj表示第j個(gè)指標(biāo)中的極小值；Rj表示第j個(gè)指標(biāo)的極差；λj表示第j個(gè)指標(biāo)的計(jì)算系數(shù)，其既考慮權(quán)又考慮指標(biāo)變動(dòng)程度。

圖5 各試驗(yàn)因素對(duì)生產(chǎn)率和破損率的影響Fig.5 Effect of all experimental factors on productivity and damage ratio

表1 正交試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

分析可知，影響綜合指標(biāo)的主次因素排列為A>C>B最佳水平組合為A3C2B2，即激振頻率26.67 Hz、動(dòng)梳排擺動(dòng)角度40°、定梳排間距20 mm。激振頻率取邊緣值符合單因素試驗(yàn)分析結(jié)果。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal test

表3 正交試驗(yàn)方差分析Table 3 Variance analysis of orthogonal test

將采摘機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)調(diào)整為最佳水平組合 A3C2B2進(jìn)行采摘試驗(yàn)，3次重復(fù)后得到指標(biāo)的試驗(yàn)平均值。本文采摘機(jī)構(gòu)的平均生產(chǎn)率為 4.1 kg/min（試驗(yàn)結(jié)果分別為4.16，4.09和4.05 kg/min），與姜焰鳴等[8]設(shè)計(jì)的采摘機(jī)相比，生產(chǎn)率提高了57.5%，約為人工采摘的2.7倍[34]，平均破損率為5.05%（試驗(yàn)結(jié)果分別為4.98%，5.16%和5.01%）。

2.3 采后品質(zhì)試驗(yàn)

2.3.1 果皮色差

圖 6所示為振動(dòng)采摘和人工采摘方式的荔枝果皮色差a*、b*和L*值對(duì)比結(jié)果。隨著貯藏時(shí)間的增加，色差值隨之減小，L1組荔枝色差值變化與 L2組基本同步。通過(guò)差異顯著性分析可知，2種采摘方式得到果實(shí)的色差a*、b*和L*值差異不顯著（P>0.05）。

圖6 振動(dòng)采摘和人工采摘的果皮色差a*、b*、L*對(duì)比Fig.6 Comparisons of color difference a*,b*,L* for vibrational picking and manual picking

2.3.2 果肉可溶性固形物(TSS)和可滴定酸(TA)

貯藏過(guò)程中不同采摘方式荔枝果實(shí)果肉的可溶性固形物、可滴定酸含量變化如圖 7所示。TSS值隨貯藏時(shí)間的增加呈現(xiàn)波動(dòng)下降，貯藏2 d后，L2組荔枝果實(shí)果肉的TSS含量從19.48%降至19.27%，隨后在該數(shù)值上下波動(dòng)至貯藏結(jié)束。貯藏8d后，L1、L2組分別降至19.17%、19.08%。

圖7 振動(dòng)采摘和人工采摘的果肉可溶性固形物TSS、可滴定酸TA含量對(duì)比Fig.7 Comparisons of total soluble solid(TSS) and titratable acid(TA) content for vibrational picking and manual picking

L1組荔枝果實(shí)的TA含量初始平均值為0.227 8 g/100 mL，L2組荔枝果實(shí)的TA含量初始平均值為0.241 2 g/100 mL。貯藏6 d后人工采摘組和振動(dòng)采摘組荔枝果肉TA含量均略有上升。振動(dòng)采摘組荔枝的TA值整體處在人工采摘組之下，可能是由于荔枝果實(shí)碰撞，果肉細(xì)胞失水所致。

總體來(lái)說(shuō)，在歷時(shí)8 d的貯藏試驗(yàn)期，2組荔枝TSS和 TA含量的差異不顯著（P>0.05），說(shuō)明振動(dòng)采摘對(duì)荔枝果實(shí)果肉TSS和TA含量變化無(wú)顯著性影響，采收的果實(shí)可以用于鮮食。

3 結(jié) 論

1）當(dāng)激振點(diǎn)在二級(jí)分支時(shí)，振動(dòng)能量沿路經(jīng)傳遞到樹冠位置測(cè)點(diǎn)的能量衰減較大，當(dāng)激振點(diǎn)在四級(jí)分支時(shí)，沿該四級(jí)分支傳遞到樹冠位置測(cè)點(diǎn)的能量衰減相對(duì)較少。采用對(duì)冠層外側(cè)的掛果枝條進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)的采收方式能夠有效減少能量損失，提高生產(chǎn)率。

2）動(dòng)-定梳排組合式荔枝采摘機(jī)構(gòu)的定梳排起到約束枝條運(yùn)動(dòng)的作用，通過(guò)動(dòng)梳排激振掛果枝條實(shí)現(xiàn)采摘，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其在荔枝去梗式機(jī)械采摘的可行性。梳排振動(dòng)頻率、定梳排間距、動(dòng)梳排擺動(dòng)角度對(duì)生產(chǎn)率和破損率均有顯著性影響（P<0.05）。激振頻率26.67 Hz、動(dòng)梳排擺動(dòng)角度40°、定梳排間距20 mm時(shí)，采摘機(jī)構(gòu)綜合性能最佳，生產(chǎn)率為4.1 kg/min，破損率為5.05%。

3）由振動(dòng)采摘與手工采摘2種方式的采后品質(zhì)對(duì)比結(jié)果可知，在8 d貯藏試驗(yàn)中兩者的色差a*、b*、L*、果實(shí)果肉可溶性固形物和可滴定酸未見(jiàn)顯著性差異，說(shuō)明振動(dòng)采摘未對(duì)荔枝品質(zhì)產(chǎn)生不良影響，采收的果實(shí)可以用于鮮食。

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