耿令新,李 洋,張利娟,王恒一,胡瀟楠

(河南科技大學(xué) a.農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院;b.車輛與交通工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

中國(guó)大蒜種植面積居世界首位[1-3]。蒜薹是人們喜歡吃的蔬菜之一[4],具有較高的營(yíng)養(yǎng)功效[5]。大蒜的播種及收獲過程已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化[6-12],但蒜薹收獲仍以人工為主[13]。

抽薹裝置作為蒜薹收獲機(jī)的核心工作部件,目前存在的主要技術(shù)問題是斷薹率較高且抽薹質(zhì)量差。國(guó)內(nèi)一些科研院校雖然研究出多種蒜薹采摘裝置,但因蒜薹損傷率高、蒜葉損傷嚴(yán)重,造成蒜頭減產(chǎn)及裝置復(fù)雜、成本高等問題,并未大范圍推廣應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)一種蒜薹采摘機(jī),通過劃莖夾薹裝置和拔薹裝置完成蒜薹的抽取。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)蒜薹收獲機(jī)的電子調(diào)速控制單元,對(duì)收獲機(jī)的行走速度和夾持抽拔機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[15]對(duì)收獲期蒜薹的不同部位進(jìn)行了拉伸和壓縮試驗(yàn),為蒜薹采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[16]對(duì)蒜薹的拉伸特性進(jìn)行試驗(yàn),得到了相關(guān)參數(shù)規(guī)律。另外,還有一些關(guān)于蒜薹采摘機(jī)械的專利[17-21]。以上文獻(xiàn)從不同角度對(duì)蒜薹采摘技術(shù)進(jìn)行了研究和探索,但如何有效降低損傷目前尚無(wú)較為可行的措施。

本文在上述研究成果基礎(chǔ)上,綜合彈性力學(xué)、摩擦學(xué)和機(jī)械振動(dòng)理論,提出微幅振動(dòng)限制蒜薹變形量,減小蒜莖與蒜薹分離的抽薹力的方法,從而實(shí)現(xiàn)蒜薹與蒜莖低損分離的目的。在理論分析的基礎(chǔ)上搭建了蒜薹低損采摘試驗(yàn)臺(tái),通過響應(yīng)面試驗(yàn),確定了頻率、振幅及抽薹速度的最優(yōu)參數(shù)組合。

1 蒜薹低損采摘試驗(yàn)臺(tái)

1.1 蒜薹低損采摘試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)依據(jù)與工作原理

田間作業(yè)的蒜薹采摘機(jī)如圖1所示。為保證抽薹試驗(yàn)與田間抽薹的一致性,以蒜薹為研究對(duì)象,對(duì)其在田間抽出過程進(jìn)行分析。

(a) 采摘機(jī)收獲蒜薹示意圖

田間抽取蒜薹時(shí),蒜薹采摘機(jī)夾持部件相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)(絕對(duì)運(yùn)動(dòng)),由機(jī)器沿水平方向的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)(牽連運(yùn)動(dòng))和抽取機(jī)構(gòu)相對(duì)于機(jī)器的圓周運(yùn)動(dòng)(相對(duì)運(yùn)動(dòng))合成。取夾持部件與蒜薹接觸點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),過坐標(biāo)原點(diǎn)且平行于地面向右為X軸正方向,過坐標(biāo)原點(diǎn)且垂直于地面向上為Y軸正方向。忽略?shī)A持時(shí)蒜薹與夾持部件的相對(duì)滑動(dòng),接觸點(diǎn)相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)方程[22]為：

(1)

其中：Vx為接觸點(diǎn)相對(duì)于地面的水平分速度,m/s ;Vy為接觸點(diǎn)相對(duì)于地面的豎直分速度,m/s;Vr為接觸點(diǎn)相對(duì)機(jī)器的圓周線速度,m/s ;Vm為機(jī)器前進(jìn)速度,m/s;α為Vr與水平面夾角,(°)。

當(dāng)Vm>Vrcosα?xí)r,蒜薹將向右傾斜;同理,當(dāng)Vm

蒜薹是大蒜抽薹時(shí)從中抽出的花莖,蒜莖最高處葉子的平均生長(zhǎng)高度為527 mm,蒜薹的平均生長(zhǎng)高度為583 mm,蒜薹的平均生長(zhǎng)高度高于蒜莖上最高處的葉子。蒜薹采摘機(jī)抽薹作業(yè)時(shí),抽薹裝置的高度調(diào)整為527～583 mm,確保采摘到蒜薹。

1.試驗(yàn)桌;2.配套計(jì)算機(jī);3.變頻控制器;4.拉力試驗(yàn)機(jī);5.夾具;6.振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu);7.紅外測(cè)速儀

蒜薹低損采摘試驗(yàn)臺(tái)三維圖如圖2所示,包括紅外測(cè)速儀、振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)、拉力試驗(yàn)機(jī)等。紅外測(cè)速儀包括Arduino開發(fā)板、槽型光電開關(guān)、集成電路總線(inter-integrated circuit,IIC)顯示模塊等;振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)、偏心塊、魚眼桿端關(guān)節(jié)軸承、Y型接頭、直線軸承、直線滑塊軸承座、I型接頭、微型夾具等;拉力試驗(yàn)機(jī)包括機(jī)架、力傳感器以及夾具等。

試驗(yàn)臺(tái)由計(jì)算機(jī)、變頻控制器以及偏心塊上魚眼桿端關(guān)節(jié)軸承位置來(lái)分別控制試驗(yàn)臺(tái)的抽薹速度、頻率以及振幅。計(jì)算機(jī)通過配套的軟件控制拉力試驗(yàn)機(jī)上夾具的移動(dòng)方向及移動(dòng)速度,即試驗(yàn)臺(tái)抽取蒜薹的速度。變頻控制器通過調(diào)節(jié)旋鈕來(lái)控制振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)中直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速,即試驗(yàn)臺(tái)抽取蒜薹的頻率。調(diào)節(jié)魚眼桿端軸承中軸在偏心塊上的位置來(lái)調(diào)節(jié)振幅,即試驗(yàn)臺(tái)抽取蒜薹的振幅。試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí),取一顆大蒜植株,在蒜莖包裹蒜薹頂端處向植株根部方向20 cm處扎孔,扎孔時(shí)用錐形針扎蒜薹,拉力試驗(yàn)機(jī)的夾具夾持大蒜扎薹位置根部10 cm處,振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)的微型夾具夾持蒜薹花苞下方位置。為了保證拉伸過程中蒜薹無(wú)打滑和損傷現(xiàn)象,在夾具和微型夾具與蒜薹接觸位置處粘貼硅橡膠材料[23-24]。之后通過變頻器控制振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)的頻率,通過調(diào)節(jié)魚眼關(guān)節(jié)軸承的位置調(diào)節(jié)振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)的振幅,拉力試驗(yàn)機(jī)以一定的頻率、振幅、速度夾持著蒜薹向上移動(dòng),進(jìn)行蒜薹的抽取。

1.2 紅外測(cè)速儀組成及其工作原理

計(jì)算機(jī)采集力傳感器的信號(hào),實(shí)時(shí)變化的力通過傳感器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集卡上,實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上?；贏rduino開發(fā)板自行設(shè)計(jì)了一個(gè)使用紅外傳感器模塊的數(shù)字轉(zhuǎn)速表,以檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。紅外測(cè)速儀如圖3所示。

1.計(jì)算機(jī);2.Arduino開發(fā)板;3.顯示屏;4.槽型光電開關(guān);5.IIC顯示模塊

紅外測(cè)速儀用于測(cè)量振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)的振動(dòng)頻率,主要由Arduino開發(fā)板、槽型光電開關(guān)和液晶顯示屏組成。槽型光電開關(guān)由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成,當(dāng)振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)的偏心塊旋轉(zhuǎn)著遮擋住發(fā)射的紅外線時(shí),遮擋信號(hào)會(huì)傳遞到Arduino開發(fā)板,產(chǎn)生一次開關(guān)信號(hào),相應(yīng)的算法進(jìn)行計(jì)算,實(shí)時(shí)得出轉(zhuǎn)速和頻率信號(hào)。

2 振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu)組成及設(shè)計(jì)原理

振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)是以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu),如圖4所示。圖4中,OA為曲柄,繞點(diǎn)O勻速轉(zhuǎn)動(dòng),AB為連桿,BC為滑塊,各桿件鉸接在一起,曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；瑝K的往復(fù)運(yùn)動(dòng)通過曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而滑塊的振幅是通過調(diào)節(jié)曲柄的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)曲柄長(zhǎng)度從O到D增大時(shí),滑塊的振幅從C向E增大。作業(yè)時(shí),電機(jī)軸將動(dòng)力傳遞到曲柄軸,軸上的曲柄OA順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng),振動(dòng)的振幅通過調(diào)節(jié)曲柄的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)。

圖4 振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)三維圖如圖5所示。振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)夾持蒜薹做往復(fù)運(yùn)動(dòng),是抽取蒜薹的關(guān)鍵部件之一,其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響到蒜薹采摘性能。該機(jī)構(gòu)包括偏心塊、魚眼桿端關(guān)節(jié)軸承、蝶形螺母、機(jī)架、Y型接頭、直線軸承和微型夾具等部件。該機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)提供動(dòng)力,電機(jī)軸帶動(dòng)偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng),蝶形螺母和六角螺栓隨著偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng),Y型接頭、直線軸承、I型接頭以及微型夾具隨之做往復(fù)運(yùn)動(dòng),微型夾具夾持蒜薹花苞下方位置,從而達(dá)到夾持蒜薹振動(dòng)的目的。其尺寸如圖6所示。

1.直流電機(jī);2.電機(jī)固定座;3.偏心塊;4.魚眼關(guān)節(jié)軸承;5.蝶形螺母;6.機(jī)架;7.Y型接頭;8.直線軸承;9.直線滑塊軸承座;10.I型接頭;11.微型夾具

圖6 振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件尺寸

蒜薹長(zhǎng)度分為兩個(gè)部分,一是包裹在蒜莖中的長(zhǎng)度,二是蒜莖包裹頂點(diǎn)到蒜薹花苞的長(zhǎng)度。抽薹試驗(yàn)時(shí),扎薹位置相同,包裹在蒜莖中的蒜薹長(zhǎng)度相同,振動(dòng)抽薹減阻效果相同。蒜莖包裹點(diǎn)到蒜薹花苞位置的蒜薹沒有被蒜莖包裹,對(duì)減阻效果影響不大。

2.2 振動(dòng)抽薹減阻機(jī)理分析

振動(dòng)抽薹是蒜薹、振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)與拉力試驗(yàn)機(jī)相互作用的結(jié)果。研究蒜薹、振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)與拉力試驗(yàn)機(jī)的相互作用關(guān)系,可為減阻降損機(jī)理研究和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

蒜薹被抽出的形式主要為：外力施加在蒜薹上,蒜薹整體發(fā)生彈性變形,因?yàn)樗廪讽敳坑休^大的韌性,而根部容易發(fā)生斷裂,且蒜薹根部被扎薹針扎透,所以根部容易發(fā)生斷裂。在扎薹位置斷裂后,前端的蒜薹會(huì)被抽出來(lái)。收獲的判定條件為蒜薹從扎薹處發(fā)生斷裂,即滿足關(guān)系為：

F1+G>F2+f,

(2)

其中：F1為試驗(yàn)蒜薹所受的拉力,N ;G為試驗(yàn)蒜薹自身的重力,N;F2為試驗(yàn)蒜薹斷裂需要的力,N;f為試驗(yàn)蒜薹與蒜莖之間的摩擦力,N。

由文獻(xiàn)[19]蒜薹的拉力變形曲線試驗(yàn)可以得出結(jié)論：蒜薹材料簡(jiǎn)化為雙線性材料模型,蒜薹的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從胡克定律。

1.扎薹孔;2.蒜莖;3.蒜薹

假設(shè)蒜薹為1根均質(zhì)等截面的彈性體,截面積為A,質(zhì)量密度為ρ,拉伸彈性模量為E,扎薹位置到蒜莖包裹頂端的長(zhǎng)度為L(zhǎng),截面所受應(yīng)力為σ,蒜薹所受拉力為F1。取扎薹孔處位置為坐標(biāo)原點(diǎn),蒜薹中心線為x軸。蒜薹蒜莖受力簡(jiǎn)圖如圖7所示,取其中1個(gè)微元段進(jìn)行分析。

2.2.1 直接抽取蒜薹機(jī)理分析

由胡克定律及截面公式得：

(3)

其中,微元段的軸向應(yīng)變量ε為：

(4)

其中：v為試驗(yàn)機(jī)夾具的速度,m/s;t為試驗(yàn)抽薹的時(shí)間,s;dx為蒜薹微元段的長(zhǎng)度,mm;A為蒜薹橫截面積,mm2。

微元段所受的合力為：

F=F1-f-G-F2,

(5)

其中：F為蒜薹微元段所受的合力,N。

將式(5)和式(4)代入式(3),得：

(6)

其中：m為蒜薹的質(zhì)量,g;g為重力加速度,m/s2。

質(zhì)量、密度以及體積代入式(6),得到微元段的受力為：

(7)

由式(7)可知：拉力與抽薹速度和蒜薹的直徑有關(guān),隨著速度的增大,抽薹力增大。隨著蒜薹直徑的增大,抽薹力增大。

2.2.2 振動(dòng)抽取蒜薹機(jī)理分析

振動(dòng)抽取蒜薹時(shí),蒜薹不產(chǎn)生裂紋,x截面的縱向位移用廣義坐標(biāo)u來(lái)表示,對(duì)應(yīng)一個(gè)x就有一個(gè)u,而不同時(shí)間內(nèi)每個(gè)u也在變化,因此,u是x和t兩個(gè)變量的函數(shù),即：

u=u(x,t)。

(8)

在x截面處取蒜薹一個(gè)微小的單元體來(lái)研究,分析振動(dòng)抽薹受力狀態(tài)。

(9)

微元段的軸向應(yīng)變量ε為：

(10)

微元段的軸向應(yīng)力σ來(lái)表示其軸向拉力可得：

(11)

其中：σ為蒜薹微元段的軸向拉力,N。

式(11)兩邊同時(shí)對(duì)x求導(dǎo),得：

(12)

將式(12)代入式(9),得：

(13)

式(13)即蒜薹截面隨位移振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程。若要求出振動(dòng)抽薹的方程,還需要對(duì)式(13)進(jìn)行求解。

采用分離變量法來(lái)進(jìn)行求解。在振動(dòng)抽取蒜薹過程中,對(duì)應(yīng)每1個(gè)截面位置坐標(biāo)x有1個(gè)振幅U,但是由于蒜薹截面有無(wú)窮多個(gè),所以U也有無(wú)窮多個(gè),只能用1個(gè)未知函數(shù)U(x)來(lái)表示。U(x)就表示了蒜薹縱向振動(dòng)的振型,即蒜薹上距原點(diǎn)x處截面的縱向振動(dòng)幅值。此外,還有1個(gè)時(shí)間函數(shù)φ(t),表示蒜薹的振動(dòng)方式,即蒜薹上各段的振動(dòng)規(guī)律。通過分析,蒜薹振動(dòng)的解具有以下形式：

u(x,t)=U(x)φ(t)。

(14)

對(duì)蒜薹振動(dòng)求解得：

φ(t)=A1cosωnt+B1sinωnt;

(15)

(16)

其中：ωn為蒜薹縱向振動(dòng)的頻率;U(x)則是蒜薹縱向振動(dòng)的振型函數(shù)即主振型。

通過疊加法求得蒜薹的穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)為：

(17)

抽薹力和位移之間的關(guān)系為：

(18)

由式(18)得：蒜薹所受的力與振動(dòng)頻率、振幅有關(guān)。施加力頻率ω等于蒜薹的固有頻率ωn時(shí),發(fā)生共振。蒜薹的固有頻率一定,隨著施加頻率的增加,F增加,抽出蒜薹過程中,蒜薹與蒜莖重合頂端位置先被抽出,之后沿著蒜薹頂端依次向下逐漸抽出,最后是扎薹位置。與假設(shè)的扎薹位置方向相反,抽薹力會(huì)越來(lái)越小。當(dāng)固有頻率與施加頻率相同時(shí),拉力最小;當(dāng)頻率繼續(xù)增大,F增大。當(dāng)振幅增大時(shí),F減小。隨著振幅的增大,抽薹力減小。

直接抽薹過程是微型夾具夾持蒜薹花苞位置,靠向上的拉力將蒜薹從蒜莖中抽出。蒜薹伸出蒜莖部分所有截面處的抗拉力必須大于蒜莖對(duì)蒜薹的摩擦力與扎孔處最大斷裂力之和,否則,蒜薹容易拉斷。而振動(dòng)抽薹過程中蒜薹在每個(gè)振動(dòng)周期只需克服振幅所需的變形力即可,所以既減小了摩擦阻力,又不會(huì)產(chǎn)生大的變形,從而實(shí)現(xiàn)減阻低損。

3 振動(dòng)抽薹試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與方法

根據(jù)GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》試驗(yàn)方法,在2022年4月自行搭建的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)抽薹試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)為河南科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)品種采用河南省洛陽(yáng)市孟津縣九泉村栽種的頂紅早大蒜,試驗(yàn)樣品處于蒜薹收獲期。由人工將蒜薹植株帶蒜頭從土地中挖掘出來(lái)密封于保鮮袋中帶回實(shí)驗(yàn)室中種植,采后3天內(nèi)完成試驗(yàn)。用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量每根蒜薹兩端和中間點(diǎn)處的直徑,兩端和中間點(diǎn)處直徑的平均直徑作為該根蒜薹的直徑,測(cè)量蒜薹的平均直徑為5.48 mm。試驗(yàn)采用拉力試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)為DNS02)測(cè)量抽薹的拉力。試驗(yàn)期間,所用蒜薹無(wú)蟲和病變。其余試驗(yàn)設(shè)備包括游標(biāo)卡尺、鋼卷尺、錐子、配套計(jì)算機(jī)等。振動(dòng)抽薹試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。試驗(yàn)開始時(shí),每次相同的扎薹位置,夾薹位置重復(fù)試驗(yàn)100次,配套計(jì)算機(jī)記錄拉力和時(shí)間的關(guān)系,同時(shí)記錄抽薹成功的次數(shù)。

圖8 振動(dòng)抽薹試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.2 試驗(yàn)因素與指標(biāo)

根據(jù)SB/T 10330—2000《蒜薹》試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及評(píng)價(jià)作業(yè)效果的相關(guān)量化指標(biāo),本文主要研究振動(dòng)對(duì)抽薹性能的影響,以期在農(nóng)戶抽薹的作業(yè)過程中降低勞動(dòng)強(qiáng)度,減小抽薹阻力,減少損耗,提高作業(yè)效率。因此,結(jié)合低損的效果和減阻情況,為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)振動(dòng)抽薹機(jī)構(gòu)在抽薹方面的作業(yè)效果,參考相關(guān)文獻(xiàn)以及田地調(diào)研結(jié)果,以頻率、振幅、抽薹速度為試驗(yàn)因素,以抽薹力和抽薹成功率為指標(biāo)。抽薹成功率計(jì)算方法如下：

(19)

其中：Y2為抽薹成功率,%;S1為扎薹處斷裂蒜薹的數(shù)量,根;S0為每組試驗(yàn)的大蒜植株總數(shù),根。

3.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

3.3.1 試驗(yàn)方案與結(jié)果

采用響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)情況,結(jié)合理論分析及單因素試驗(yàn)結(jié)果,確定頻率為20～40 Hz、振動(dòng)抽薹機(jī)構(gòu)的振幅為2～4 mm和抽薹速度為5～7 mm/s。以此設(shè)計(jì)因素水平編碼表如表1所示。

表1 因素水平編碼

根據(jù) Box-Behnken 試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)的3因素3水平響應(yīng)面結(jié)果如表2所示。表2中,X1、X2、X3為因素編碼值。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用Design-Expert 10.0.7 軟件對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析,得到試驗(yàn)因素頻率、振幅和抽薹速度與試驗(yàn)指標(biāo)抽薹力和抽薹成功率的函數(shù)關(guān)系,各指標(biāo)的方差分析結(jié)果分別如表3和表4所示。

表3 抽薹力方差分析

表4 抽薹成功率方差分析

(Y1)抽薹力

由表3可知,對(duì)于抽薹力,試驗(yàn)因素影響蒜薹抽薹力的主次順序?yàn)椋侯l率、振幅、抽薹速度。得到因素對(duì)抽薹力影響的回歸方程：

(20)

對(duì)式(20)進(jìn)行失擬檢驗(yàn)(如表3所示),失擬項(xiàng)的P值為0.925 9(P>0.1),說(shuō)明模型擬合程度很高。模型的P值為0.000 4,小于0.01,表明模型極顯著。其決定系數(shù)R2為0.908 3,表明90%以上的響應(yīng)值均可以由這個(gè)模型解釋,因此,回歸方程能夠比較準(zhǔn)確地對(duì)該試驗(yàn)臺(tái)的抽薹力指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(Y2)抽薹成功率

由表4可知,對(duì)于抽薹成功率,試驗(yàn)因素影響蒜薹抽薹成功率的主次順序?yàn)椋撼檗匪俣?、頻率、振幅。得到因素對(duì)抽薹成功率影響的回歸方程：

(21)

對(duì)式(21)進(jìn)行失擬檢驗(yàn)(如表4所示),失擬項(xiàng)的P值為0.561 7(P>0.1),說(shuō)明模型擬合程度很高。模型的P值為0.001 7,小于0.01,表明模型極其顯著。其決定系數(shù)R2為0.860 9,表明86%以上的響應(yīng)值均可以由這個(gè)模型解釋,因此,回歸方程能夠比較準(zhǔn)確地對(duì)該試驗(yàn)臺(tái)的抽薹成功率指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.4 交互因素對(duì)抽薹性能影響分析

為了直觀了解各交互因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響,利用 Design-Expert 10. 0. 7 軟件分別作出影響顯著的各交互因素對(duì)抽薹力與抽薹成功率影響的響應(yīng)面分析圖,分別如圖9和圖10所示。

3.4.1 因素交互作用對(duì)抽薹力的影響

因素交互作用對(duì)抽薹力的響應(yīng)面如圖9所示,分析可知：

(a)抽薹力隨抽薹頻率的增大先減小后增大。隨著頻率的增大,振動(dòng)周期縮短,抽薹速度不變時(shí),蒜薹振動(dòng)周期的變形量減小,克服的變形力減小,抽薹力減小。當(dāng)頻率增大到蒜薹自身固有頻率時(shí),抽薹力最小,蒜薹最容易被抽出來(lái)。繼續(xù)增加頻率,抽薹頻率大于蒜薹的固有頻率,抽薹力增大。

(a) X3=5 mm/s

(b)抽薹力隨抽薹振幅的增大先減小后增大。由式(18)得,頻率一定,隨著振幅的增大,抽薹力減小。在抽薹成功的前提下,振幅增大,蒜莖會(huì)隨著蒜薹的振幅變化而隨之變化,蒜薹和蒜莖處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài),削弱振幅變化帶來(lái)的減阻效果,抽薹力會(huì)隨之增大。

(c)抽薹力隨抽薹速度的增大保持基本不變趨勢(shì)。抽薹速度增加,不影響蒜薹的結(jié)構(gòu),速度變化,抽薹力不發(fā)生變化。

3.4.2 因素交互作用對(duì)抽薹成功率的影響

因素交互作用對(duì)抽薹成功率的響應(yīng)面如圖10所示,分析可知：

(a)抽薹成功率隨著頻率的增大先增大后減小。蒜薹為彈性體,頻率越高,蒜薹變形的速度越快。抽薹成功率先增后減是因?yàn)殡S著頻率增加,變形與恢復(fù)的速度逐漸相同,當(dāng)變形與恢復(fù)的速度相同時(shí),抽薹的成功率最高。頻率繼續(xù)增加,恢復(fù)的速度趕不上蒜薹變形的速度,蒜薹過量變形時(shí),蒜薹在非扎薹位置斷裂,抽薹成功率減小。

(a) X3=6 mm/s

(b)抽薹成功率隨著振幅的增大呈整體下降趨勢(shì)。振幅增大,蒜薹截面變形量較大,蒜薹的內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)被破壞,蒜薹在非扎薹位置位置斷裂,抽薹成功率減小。

(c)抽薹成功率隨著速度的增大呈整體下降趨勢(shì)。速度越大,變形速度越快,蒜薹恢復(fù)的速度小于變形速度,蒜薹內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)被破快,達(dá)不到扎薹的位置就會(huì)斷裂,抽薹成功率降低。

3.5 參數(shù)優(yōu)化

為達(dá)到最佳的振動(dòng)抽薹性能,為后續(xù)的機(jī)械化設(shè)計(jì)提供參數(shù),以便達(dá)到更好的抽薹效果,需要使抽薹力減小,抽薹成功率增大。通過交互因素對(duì)抽薹力的影響效應(yīng)分析可知：當(dāng)要達(dá)到較小抽薹力把蒜薹抽出來(lái)時(shí),振幅和頻率位于中心水平。要滿足抽薹成功率最高,須使抽薹速度和振幅小,頻率位于中心水平。考慮各因素指標(biāo)對(duì)響應(yīng)值的影響程度變化不同,需進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析。按照抽薹力最小、抽薹成功率最大的原則,運(yùn)用 Design-Expert 10. 0. 7 軟件對(duì)指標(biāo)的全因子二次回歸模型最優(yōu)化進(jìn)行求解,目標(biāo)函數(shù)約束條件為：

(22)

根據(jù)2個(gè)指標(biāo)的重要性,設(shè)置抽薹力和抽薹成功率的權(quán)重分配為W={0.4,0.6}。優(yōu)化后得到最優(yōu)工作參數(shù)組合為：抽薹速度5.0 mm/s、頻率31.06 Hz、振幅3.27 mm,此時(shí)抽薹力為10.62 N,抽薹成功率為96%。在實(shí)際操作中,為方便參數(shù)的調(diào)節(jié),各參數(shù)取整得到最優(yōu)參數(shù)組合為：抽薹速度5 mm/s、頻率30 Hz和振幅3 mm。

3.6 田間試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可行性,對(duì)取整后最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)于2022年5月在河南省洛陽(yáng)市孟津縣田間進(jìn)行,試驗(yàn)對(duì)象為頂紅早大蒜,固定株距為100 mm,每組試驗(yàn)50株大蒜,保證其他因素不變的情況下,重復(fù)3次取平均值。

根據(jù)GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》試驗(yàn)方法,選取長(zhǎng)勢(shì)均勻、莖葉茂盛及植株高度一致的大蒜植株進(jìn)行收獲試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中,每組試驗(yàn)均保持樣機(jī)的勻速作業(yè)。

試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如表5所示,即抽薹力為11.85 N,抽薹成功率為97%,與最優(yōu)參數(shù)組合預(yù)測(cè)值比較接近。

表5 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié)論

(1)本文提出并研究了“蒜薹采摘微幅振動(dòng)減阻方法”,通過振動(dòng)夾薹機(jī)構(gòu)、紅外測(cè)速儀與拉力試驗(yàn)機(jī)搭建了抽取蒜薹的試驗(yàn)臺(tái),該試驗(yàn)臺(tái)成功地完成了蒜薹的抽取。

(2)采用Box-Behnken試驗(yàn)方法進(jìn)行回歸分析可知,各因素對(duì)抽薹力的影響主次順序?yàn)轭l率、振幅、抽薹速度;各因素對(duì)抽薹成功率影響主次順序依次為抽薹速度、頻率、振幅。

(3)通過響應(yīng)面試驗(yàn)得到最優(yōu)參數(shù)組合為：抽薹速度5.0 mm/s、頻率31.06 Hz、振幅3.27 mm,此時(shí)抽薹力為10.62 N,抽薹成功率為96 %。對(duì)取整后最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn),證明了最優(yōu)參數(shù)組合的可靠性。