Design and test of vibratory harvesting actuator for Camellia oleifera fruits
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摘要:目的
为提高油茶果采净率和采收效率，针对我国南方丘陵地带规范栽植油茶林，设计一种振动式油茶果采收执行器。
方法完成CZC40RY油茶果采收机采收执行器的采收头、采收臂和液压控制系统设计。建立振动装置−油茶树体振动系统力学模型、油茶果−油茶枝单摆动力学模型；运用COMSOL、ANSYS软件完成油茶树三维模型自由模态响应与谐响应分析；采用Box-Behnken试验方法，以振动频率、振幅、振动时间为试验因素，以采净率、落花率为试验指标，确定采收执行器最优作业参数。
结果确定树体受简谐激振力时的振动频率和影响振幅的主要因素，得出油茶果脱落加速度为947.63 m/s2、振动装置频率为15~25 Hz。林间采收试验验证表明，振动频率为21 Hz、振幅为10 mm、振动时间为10 s时，采收执行器平均采净率为95.5%，落花率为2.1%。与现有振动式油茶果采收机采收参数对比分析得出，不同地区、不同品种乃至同株油茶树油茶果脱落频率、大小、成熟度存在明显的差异，提出了分阶振动采收方法，并给出振动频率−振动时间关系图。
结论该采收执行器能够满足油茶果机械化采收需求。
Abstract:ObjectiveIn order to improve the removal rate and harvesting efficiency of Camellia oleifera fruits, a vibratory C. oleifera fruit harvesting actuator was designed for the C. oleifera forest in the hilly area of southern China.
MethodThe design of harvester head, harvester arm and hydraulic control system for the harvesting actuator of CZC40RY C. oleifera fruit harvester was completed. The vibration system mechanical model of vibration device-C. oleifera tree and the single pendulum dynamic model of C. oleifera fruit-C. oleifera branch were established. COMSOL and ANSYS softwares were used to complete the free mode response and harmonic response analysis of the 3D model of C. oleifera tree. The Box-Behnken test method was used to determine the optimal operating parameters of the harvesting actuator with vibration frequency, amplitude and vibration time as the test factors, and the removal rate and flower drop rate as the test indexes.
ResultThe vibration frequency and the main factors affecting the amplitude were determined when the tree was subjected to the simple harmonic exciting force, and the shedding acceleration of C. oleifera fruits was 947.63 m/s2, and the frequency range of the vibration device was 15−25 Hz.The harvesting test of C. oleifera forest verified that when the vibration frequency was 21 Hz, the amplitude was 10 mm and the vibration time was 10 s, the average removal rate of the harvesting actuator was 95.5%, and the flower drop rate was 2.1%. Through comparative analysis of the harvesting parameters with vibratory C. oleifera fruit harvesters, there were obvious differences in the shedding frequency, size and maturity of C. oleifera fruits in different regions, different varieties and even the same C. oleifera tree. The divide order vibration harvesting method was proposed, and the vibration frequency-vibration time relationship diagram was given.
ConclusionThe harvesting actuator can meet the mechanical harvesting needs of C. oleifera fruits.
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从20世纪60年代起，酶的固定化研究已成为酶工程领域中最受关注的研究方向之一，与游离酶相比，固定化酶具有易分离回收、稳定性好、可重复多批次利用等优点，使生物酶的工业应用更为经济可行[1-2]。酶的固定化方法很多，常用的有吸附法、包埋法、交联法和共价结合法[3-5]，其中共价结合法由于其固定化酶通常具有良好的稳定性和可重复利用率而受到研究者的青睐[6]。环氧树脂是一种人工合成的高分子聚合材料，具有多孔立体结构，且在较长的生产周期内具有很强的耐微生物和耐酸碱腐蚀作用，也具有较强的机械性能；同时，环氧基团具有很高的活性和可塑性，在常温下可与酶蛋白表面的氨基酸残基(—NH2、—COOH、—HS等)发生温和的开环共价结合，将酶分子固定在载体表面，使得固定化操作简单方便，作为一种新型的固定化载体材料，被广泛应用于生物酶的固定化研究[7-8]。
利用环氧树脂固定化生物酶，得到的固定化酶的酶活力以及稳定性，主要受两方面因素的影响。一方面，某些生物酶吸附固定后，由于酶和环氧树脂的内部结构有较大差异，在短时间内并未形成多点共价链接，在碱性条件下孵育一段时间可形成牢固的多点共价链接，从而增加其温度稳定性[9]。Torres等[10]在利用环氧树脂固定化L−阿拉伯异构酶和D−葡萄糖异构酶时，2种固定化酶在pH8.5的缓冲液中孵育24 h后，在50 ℃条件下的半衰期都有了显著的提高；Mateo等[11]将在青霉素G酰基转移酶固定到Eupergit C的试验中也得到了类似的结果。另一方面，在生物酶的固定化过程中，载体内部的疏水微环境可以促进载体表面与蛋白质表面的接触，这是固定化生物酶所必须的条件，但在某些情况下，这种疏水微环境可能对酶的性质有强烈的负面影响[12]，欧美国家的环氧树脂生产厂家推荐使用氨基酸等亲水试剂孵育固定化酶来消除载体上过剩的环氧基团，防止酶与载体继续发生疏水相互作用和化学反应，从而消除这一负面影响[11, 13]。本试验采用国产LXEP-120环氧树脂固定化脂肪酶，对阻断脂肪酶与固定化载体剩余环氧基团继续反应的孵育条件进行优化探索，考察氨基酸溶液的种类、浓度、pH以及孵育的温度和时间等因素对固定化酶的酶活力和温度稳定性的影响，从而为国产环氧树脂固定化脂肪酶的稳定性研究提供试验基础。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
脂肪酶，购自深圳恒生生物科技有限公司；LXEP-120环氧树脂，西安蓝晓新材料股份有限公司生产；橄榄油、吡啶、无水醋酸铜，购自阿拉丁公司；丙氨酸、丝氨酸购自麦克林试剂公司；甘氨酸购自捷瑞生物工程有限公司；其他试剂皆为国产分析纯。
瑞士Tecan Infinite M200 Pro酶标仪；SCIENTZ-IID超声破碎仪。
1.2 固定化脂肪酶制备
1.2.1 环氧树脂固定化脂肪酶的制备
准确称取LXEP-120环氧树脂5 g，加入4 mL脂肪酶液(脂肪酶酶粉用pH6.0的1 mol/L磷酸钾缓冲液溶解，至终质量浓度为2 g/L，10 000 r/min离心12 min)，放入22 ℃摇床中，150 r/min条件下固定12 h。用缓冲液洗去载体表面残留的酶分子，抽滤后，4 ℃条件下密封保存。
1.2.2 氨基酸溶液孵育环氧树脂固定化脂肪酶
准确称取5 g制备好的LXEP-120环氧树脂固定化脂肪酶，分别加入5 mL不同的氨基酸溶液，放入摇床中，25 ℃、150 r/min条件下孵育24 h。孵育完成后，用缓冲液洗去载体表面残留的酶分子，抽滤并干燥，冰箱4 ℃条件下密封保存备用。
1.3 固定化酶活力测定
固定化脂肪酶活力测定采用改进的铜皂分光光度法。在测定过程中，只需将反应体系中的游离酶换成适量的固定化脂肪酶即可，其他操作均与游离酶测定酶活力方法相同。
酶活力定义：在测定条件下(40 ℃，pH 8.0)，1 min内催化底物水解产生1 μmol脂肪酸所需的酶量为一个酶活力单位(U)。
相对酶活力定义：在同一组试验中，设定酶活力最高的一组为100%，其余组的酶活力与之相比，用百分数表示结果。
残余酶活力定义：经过不同温度或pH条件下处理一定时间后的相对酶活力(以处理前的酶活力为100%).
1.4 甘氨酸孵育环氧树脂固定化脂肪酶条件优化
1.4.1 孵育LXEP-120环氧树脂的氨基酸溶液的选择
配制1.5 mol/L的pH为7.0的丙氨酸、丝氨酸和甘氨酸溶液，分别取5 mL溶液(每g固定化脂肪酶取1 mL溶液，下同)加入到制备好的固定化脂肪酶中，进行孵育操作(放入25 ℃摇床中，150 r/min条件下孵育24 h)，测定酶活力。
1.4.2 孵育LXEP-120环氧树脂的甘氨酸浓度优化
配制浓度为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和3.0 mol/L的甘氨酸溶液，分别取5 mL甘氨酸溶液加入到制备好的固定化脂肪酶中，按1.4.1进行孵育，测定酶活力。
1.4.3 孵育LXEP-120环氧树脂的甘氨酸溶液pH优化
配制浓度为2.5 mol/L，pH为5.5、6.0、6.5、7.0、7.5和8.0的甘氨酸溶液，分别取5 mL甘氨酸溶液加入到制备好的固定化脂肪酶中，按1.4.1进行孵育，测定酶活力。
1.4.4 LXEP-120环氧树脂的孵育温度优化
配制2.5 mol/L、pH为7.0的甘氨酸溶液，取5 mL甘氨酸溶液加入到制备好的固定化脂肪酶中，分别置于20、25、30、35、40、45和50 ℃摇床中，150 r/min条件下孵育24 h，测定酶活力。
1.4.5 LXEP-120环氧树脂的孵育时间优化
配制2.5 mol/L、pH为7.0的甘氨酸溶液，取5 mL甘氨酸溶液加入到制备好的固定化脂肪酶中，放入25 ℃摇床中，150 r/min条件下，分别孵育0、6、12、18、24、30、36和48 h，测定酶活力。
1.5 固定化脂肪酶的酶学性质测定
1.5.1 固定化脂肪酶的最适反应pH测定
40 ℃条件下，采用不同pH(6.0~10.0)的缓冲液测定甘氨酸孵育后的固定化脂肪酶和未孵育的固定化脂肪酶的酶活力，研究pH对其酶活力的影响。
1.5.2 固定化脂肪酶的最适反应温度测定
设定缓冲液的pH=8.0，测定不同温度(25~60 ℃)孵育后的固定化脂肪酶和未孵育的固定化脂肪酶的酶活力，研究温度对其酶活力的影响。
1.5.3 固定化脂肪酶的pH耐受性测定
分别将甘氨酸孵育后的固定化脂肪酶和未孵育的固定化脂肪酶放置在pH为4、5、6、7、8、9和10的浓度为0.5 mol/L的缓冲液中，室温条件下处理6 h，然后在最适反应条件下测定残余酶活力，对照组不做处理。
1.5.4 固定化脂肪酶热稳定性测定
称取一定质量的甘氨酸孵育后的固定化脂肪酶和未孵育的固定化脂肪酶，在40~80 ℃(间隔5 ℃)条件下处理6 h，然后测定残余酶活力，以放置在4 ℃条件下的固定化脂肪酶为对照。
1.5.5 固定化脂肪酶操作稳定性测定
称取一定质量的甘氨酸孵育后的固定化脂肪酶和未孵育的固定化脂肪酶，在40 ℃、pH7.0条件下连续不间断反应10次，每一次都测定酶活力，以第1次反应测得的酶活力为100%。
1.5.6 固定化脂肪酶储藏稳定性测定
将抽滤干燥后的固定化脂肪酶密封保存在4 ℃冰箱中，每隔一段时间测定其45 ℃、pH8.0条件下的酶活力，以第1次反应测得的酶活力为100%。
1.6 数据分析
采用SPSS 19软件，通过t检验对甘氨酸孵育前后的固定化脂肪酶的酶学性质差异显著性进行比较分析。
2. 结果与分析
2.1 孵育环氧树脂的氨基酸溶液的选择
由图1可知，在相同条件下使用不同氨基酸溶液孵育固定化脂肪酶后，甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸孵育后得到的固定化脂肪酶的酶活力与对照组相比基本没有损失。同时，经70 ℃保温处理6 h后，这3个处理的固定化脂肪酶的残余酶活力基本相同。因此，基于经济角度以及氨基酸的溶解度考虑，选择甘氨酸作为孵育溶液进行后续试验。
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图 1 氨基酸溶液孵育对固定化脂肪酶活力的影响Figure 1. Effect of incubation with amino acid solution on immobilized lipase activity2.2 孵育环氧树脂的甘氨酸溶液的浓度优化
由图2可知，在不同浓度甘氨酸溶液中孵育24 h后，当甘氨酸浓度为0.5~2.0 mol/L时，固定化脂肪酶的酶活力基本相同，其在70 ℃处理6 h后的残余酶活力也基本一致；当甘氨酸浓度为2.5 mol/L时，固定化脂肪酶的酶活力和残余酶活力都达到最大值；当甘氨酸浓度继续增大时，酶活力和残余酶活力都呈现出较为明显的下降趋势。因此，选择浓度为2.5 mol/L的甘氨酸作为孵育试剂。
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图 2 不同浓度甘氨酸溶液孵育对固定化脂肪酶活力的影响Figure 2. Effect of incubation with different concentrations of glycine solution on immobilized lipase activity2.3 孵育环氧树脂的甘氨酸溶液的pH优化
由图3可知，利用中性或碱性的甘氨酸溶液孵育固定化脂肪酶后，得到的固定化脂肪酶活力较高，其中当pH=7.0时最佳；碱性甘氨酸孵育后，固定化酶的残余酶活力相对较低。因此，选择pH为7.0的甘氨酸溶液进行后续的研究。
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图 3 不同pH甘氨酸溶液孵育对固定化脂肪酶活力的影响Figure 3. Effect of incubation of glycine solution with different pH on immobilized lipase activity2.4 甘氨酸孵育环氧树脂的温度优化
由图4可知，25 ℃条件下孵育后得到的固定化脂肪酶活力最高，之后随着温度的上升，固定化脂肪酶逐渐失活，当温度超过40 ℃后酶活力急剧下降。因此选择25 ℃条件进行固定化脂肪酶孵育的后续研究。
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图 4 孵育温度对固定化脂肪酶活力的影响Figure 4. Effect of incubation temperature on immobilized lipase activity2.5 甘氨酸孵育环氧树脂的时间优化
由图5可知，当孵育0~20 h时，孵育时间对固定化酶的酶活力基本没有影响；当温度从20 ℃升高到25 ℃时，固定化脂肪酶活力有较大的提高；超过25 ℃后，随着温度的不断升高，酶活力下降。从图5中可知，未孵育的固定化脂肪酶的残余酶活力为53%左右，而孵育后的固定化脂肪酶的残余酶活力都大于60%，说明甘氨酸孵育可以在一定程度上提高固定化脂肪酶的稳定性。因此选择24 h的孵育条件进行后续的研究。
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图 5 孵育时间对固定化脂肪酶活力的影响Figure 5. Effect of incubation time on immobilized lipase activity2.6 孵育后固定化脂肪酶的酶学性质
2.6.1 固定化脂肪酶的最适反应pH
由图6可知，固定化脂肪酶孵育前后在不同pH缓冲液中的酶活力变化趋势基本一致，最适反应pH都是8.0，在pH为6.0~9.0范围内的相对酶活力都在75%以上。在pH为6.0~8.0时，甘氨酸孵育后的固定化脂肪酶相对酶活力大于未孵育的固定化脂肪酶；而当pH>9.0时，未孵育的固定化脂肪酶的相对酶活力相对较大，且差异极显著(P>0.01)。说明甘氨酸孵育固定化脂肪酶这一操作，使固定化脂肪酶对反应环境pH的敏感性产生了一定的影响。
2.6.2 固定化脂肪酶的最适反应温度
由图7可知，固定化脂肪酶孵育前后在不同反应温度中的酶活力变化趋势基本一致，最适反应温度均为45 ℃。但是当温度>55 ℃后，孵育后的固定化脂肪酶的相对酶活力比未孵育的高，且差异显著(P>0.05)，随着温度的升高，这种趋势越明显。说明甘氨酸孵育后，固定化脂肪酶对温度的敏感性降低了，具有更宽广的温度适用性。
2.6.3 固定化脂肪酶的pH耐受性
由图8可知，2种固定化脂肪酶在不同pH缓冲液中都表现出良好的耐受性，在pH5.0~9.0范围内处理6 h后，都保持90%以上的酶活力。其中，孵育后的固定化脂肪酶在pH8.0时耐受性最好，为最初酶活力的99%；未孵育的固定化脂肪酶在pH7.0时耐受性最好，为最初酶活力的97%。说明甘氨酸孵育对固定化脂肪酶的pH稳定性并未产生明显的影响(P>0.05)。
2.6.4 固定化脂肪酶的温度耐受性
由图9可知，相较于未经孵育的固定化脂肪酶，甘氨酸孵育后的固定化脂肪酶显示出良好的温度耐受性。在80 ℃条件下处理6 h后仍保存60%左右的酶活力，而相同条件下处理后的未经孵育的固定化脂肪酶只剩下45%左右的酶活力，差异极显著(P<0.01)。说明甘氨酸孵育可以提高固定化脂肪酶的温度耐受性。
2.7 固定化脂肪酶的操作稳定性
固定化酶的操作稳定性是衡量其是否具有工业使用价值的一个重要指标，因此试验比较了孵育后固定化脂肪酶和未孵育的固定化脂肪酶的操作稳定性。由图10可知，2种固定化脂肪酶的操作稳定性基本相似，在连续反应10批次后，相对酶活力都保持在初始酶活力的70%以上，整体上孵育后固定化脂肪酶的相对酶活力高于未孵育固定化脂肪酶或者与未孵育固定化脂肪酶基本持平，二者差异不显著(P>0.05)，说明甘氨酸孵育对固定化脂肪酶的操作稳定性没有影响。
2.8 固定化脂肪酶的储存稳定性
由图11可知，2种固定化脂肪酶在4 ℃条件下储存10 d左右酶活力基本没有损失，储存4周后保持80%以上的酶活力，差异均不显著(P>0.05)，说明该固定化脂肪酶较易储存，且甘氨酸孵育不影响固定化脂肪酶的储存稳定性。
3. 讨论与结论
由于载体上剩余的环氧基团可以使得固定化的工业酶失活，因此孵育消除剩余环氧基团是环氧树脂固定化酶必不可少的一个技术环节。在过去的研究中，有人分别采用巯基乙醇和甘氨酸孵育环氧树脂Eupergit C青霉素G酰基转移固定化酶和胰凝乳蛋白固定化酶[11, 14]，利用甘氨酸孵育环氧改性丙烯酸固定化半乳糖苷酶，对环氧树脂固定化酶的稳定性进行了初步的研究[15]，但都未系统地研究孵育的具体条件以及孵育操作对固定化酶性状的影响，本研究系统地对甘氨酸孵育固定化脂肪酶的条件进行了优化，并研究了孵育后固定化酶的相关酶学性质。
本试验的最佳条件为选用pH7.0、浓度为2.5 mol/L的甘氨酸溶液，在25 ℃条件下孵育24 h。比较了甘氨酸孵育前后固定化脂肪酶的酶学性质，发现孵育后固定化脂肪酶的最适反应pH(8.0)和温度(45 ℃)不变，pH耐受性变化较小，但是对温度的敏感性降低，具有更为宽广的温度适用性。本试验探索了甘氨酸孵育对环氧树脂固定化脂肪酶稳定性的影响，发现甘氨酸孵育可以较大程度地增加固定化脂肪酶的温度稳定性，在最佳条件下孵育得到的固定化脂肪酶在80 ℃条件下处理6 h后仍保存60%左右的酶活力，而相同条件下处理后的未经孵育的固定化脂肪酶只剩下45%左右的酶活力。此外，甘氨酸孵育对于固定化脂肪酶的机械稳定性和储存稳定性的影响较小。
致谢：感谢“科学”号科考船对本工作的支持！
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图 1 CZC40RY油茶果采收机
1：采收头；2：采收臂；3：行走底盘。
Figure 1. CZC40RY Camellia oleifera fruit harvester
1: Harvesting head; 2: Harvesting arm; 3: Walking chassis.
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图 2 振动装置−油茶树体振动系统力学模型
$ l $：偏心块轴中心到油茶树主干中心的距离；m：偏心块质量；M1：振动装置质量(不包括偏心块质量)；M：油茶树夹持点处的等效质量；k：油茶树等效弹性系数；c：油茶树等效阻尼系数；r：偏心块的偏心距；$ \omega $：偏心块的角速度；t：工作时间；$ x、y $：树干在$ x $、$ y $方向上的位移；Fx、Fy：偏心块在x、y方向上的惯性力。
Figure 2. Vibration system mechanical model of vibration device-Camellia oleifera tree
l: Distance from the center of the eccentric block axis to the center of the C. oleifera tree trunk; m: Mass of the eccentric block; M1: Mass of the vibration device (excluding the mass of the eccentric block); M: Equivalent mass at the holding point of C. oleifera tree; k: Equivalent elastic coefficient of C. oleifera tree; c: Equivalent damping coefficient of C. oleifera tree; r: Eccentric distance of the eccentric block; $ \omega $: Angular velocity of the eccentric block; t: Working time; $ x, \;y$: Displacement of the trunk in the $ x $ and y direction; Fx, Fy: Inertial force of the eccentric block at x and y directions.
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图 3 油茶果−油茶枝单摆动力学模型
FN：果柄结合力；Fg：油茶果受迫振动产生的惯性力；Fn：惯性力的法向分量；Fτ：惯性力的切向分量；G：油茶果的重力；Gn：重力的法向分量；Gτ：重力的切向分量；a：油茶果的加速度；an：加速度的法向分量；aτ：加速度的切向分量；θ：油茶果脱落时果柄与竖直方向的夹角。
Figure 3. Single pendulum dynamic model of Camellia oleifera fruit-C. oleifera branch
FN: Binding force of the fruit stalk; Fg: Inertial force produced by the forced vibration of C. oleifera fruit; Fn: Normal component of the inertial force; Fτ: Tangential component of the inertial force; G: Gravity of C. oleifera fruit; Gn: Normal component of the gravity force; Gτ: Tangential component of the gravity force; a: Acceleration of C. oleifera fruit; an: Normal component of the acceleration; aτ: Tangential component of the acceleration; θ: Angle between the fruit stalk and the vertical direction of the C. oleifera fruit when it falls off.
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图 4 典型模态振型图
括号中的数值为特征频率。
Figure 4. Typical mode vibration patterns
Values in parentheses are characteristic frequencies.
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图 5 油茶树有限元模型
1~10为不同的检测点。
Figure 5. Finite element model of Camellia oleifera tree
1−10 are different detection points.
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图 6 振动频率−加速度响应特性曲线
Figure 6. Response characteristic curve of vibration frequency-acceleration
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图 7 采收头结构
1：收集装置；2：振动装置；3：连接架。
Figure 7. Structure of harvesting head
1: Gathering device; 2: Vibration device; 3: Connector.
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图 8 振动装置结构
1：夹持爪； 2：固定偏心块； 3：活动偏心块； 4：夹持油缸； 5：齿轮； 6：振动马达。
Figure 8. Structure of vibration device
1: Clamping claw; 2: Fixed eccentric block; 3: Movable eccentric block; 4: Clamping hydro-cylinder; 5: Gear; 6: Vibration motor.
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图 9 偏心块结构尺寸图
$ R $：大半圆半径；$ {r}_{1} $：小半圆半径；$ {r}_{0} $：内孔半径；$ r $：偏心块偏心距。
Figure 9. Structure size diagram of eccentric block
$ R $: Radius of a large semicircle; $ {r}_{1} $: Radius of a small semicircle; $ {r}_{0} $: Radius of the inner hole; $ r $: Eccentricity of the eccentric block.
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图 11 收集装置结构
1：主动杆； 2：防漏毛刷； 3：伞布驱动机构； 4：主框架； 5：从动杆； 6：伞布。
Figure 11. Structure of gathering device
1: Driving lever; 2: Leakproof brush; 3: Driving mechanism of the umbrella cloth; 4: Main frame; 5: Follower lever; 6: Umbrella cloth.
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图 12 油茶果在伞布面上的受力分析
$ {\theta }_{1} $：斜面和水平面的夹角；$ G $：油茶果重力；$ {F}_{{\mathrm{N}}}^{'} $：油茶果受到的支持力；$ {f}^{'} $：油茶果受到的摩擦力。
Figure 12. Force analysis of Camellia oleifera fruit on umbrella cloth surface
$ {\theta }_{1} $: Angle between the inclined plane and the horizontal plane; $ G $: Gravity of the C. oleifera fruit; $ {F}_{{\mathrm{N}}}^{'} $: Supporting force of C. oleifera fruit; $ {f}^{'} $: Frictional force experienced by C. oleifera fruit.
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图 13 伞布的驱动机构
图a中，1：驱动齿轮； 2：支撑座； 3：齿条； 4：推臂； 5：伞布的驱动油缸；6：主动杆。图b中，FB：主动杆受到的拉力； LB：伞布与主动杆接触长度；FL：油缸拉力；LZ：FB的力臂；RZ：齿轮分度圆半径。
Figure 13. Driving mechanism of the umbrella cloth
In figure a, 1: Drivegear; 2: Support seat; 3: Rack; 4: Pushing arm; 5: Driving hydro-cylinder of the umbrella cloth; 6: Driving lever. In figure b, FB: Pull on the driving lever; LB: Umbrella cloth and driving lever contact length; FL: Pull of the hydro-cylinder; LZ: Force arm of FB; RZ: Dividing circle radius of the gear.
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图 14 采收臂结构和工作空间
AX：0°~125°；Bf：0°~60°；Ca：500 mm；Ds：1 520 mm；Es：2 100 mm；Fs：495 mm；Gc：3 417 mm。1：拉臂A； 2：拉头油缸； 3：伸缩臂； 4：伸缩油缸； 5：副臂；6：拉臂B； 7：副臂油缸；8：主臂； 9：主臂油缸； 10：立柱。
Figure 14. Structure and workspace of the harvesting arm
1: Pulling arm A; 2: Pulling head hydro-cylinder; 3: Telescopic arm; 4:Telescopic hydro-cylinder; 5: Jib; 6: Pulling arm B; 7: Jib hydro-cylinder; 8:Main arm; 9: Main arm hydro-cylinder; 10: Upright column.
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图 15 采收臂受力分析
F0：主臂油缸的推力；L0：动力臂；L1：G1对A0的力臂；L2：G2对A0的力臂；L3：G3对A0的力臂。
Figure 15. Force analysis of the harvesting arm
F0: Thrust of the main arm hydro-cylinder; L0: Power arm; L1: Force arm of G1 against A0; L2: Force arm of G2 against A0; L3: Force arm of G3 against A0.
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图 16 液压原理图
1：油箱； 2：过滤器； 3：双联泵； 4：溢流阀； 5：调速阀； 6：振动马达； 7：二位四通比例阀； 8：伸缩油缸； 9：伞布驱动油缸； 10：夹持油缸； 11：平衡阀； 12：主臂油缸； 13：副臂油缸； 14：拉头油缸。
Figure 16. Hydraulic principle diagram
1: Fuel tank; 2: Filter; 3: Double-pump; 4: Relief valve; 5: Control valve; 6: Vibration motor; 7: Two-bit four-way proportional valve; 8: Telescopic hydro-cylinder; 9: Driving hydro-cylinder of the umbrella cloth; 10: Clamping hydro-cylinder; 11: Balance valve; 12: Main arm hydro-cylinder; 13: Secondary arm hydro-cylinder; 14: Pulling head hydro-cylinder.
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图 17 振幅、振动频率、振动时间对采净率的响应面
Figure 17. The response surface of amplitude, vibration frequency and vibration time on the removal rate
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图 18 振幅、振动频率、振动时间对落花率的响应面
Figure 18. The response surface of amplitude, vibration frequency, and vibration time on the flower drop rate
表 1 林间试验结果
Table 1 Forest test results
序号
Order number因素 Factor 评价指标 Evaluating indicator 振幅/mm
Amplitude (A)振动频率/Hz
Vibration frequency (B)振动时间/s
Vibration time (C)采净率/%
Removal rate (Z)落花率/%
Flower drop rate (L)1 10 20 10 96 1 2 10 15 15 90 3 3 10 25 15 96 9 4 10 20 10 97 2 5 15 20 5 92 5 6 10 20 10 95 2 7 5 20 5 88 2 8 10 20 10 97 3 9 10 25 5 93 4 10 10 20 10 95 2 11 5 20 15 92 4 12 5 25 10 95 6 13 10 15 5 85 2 14 15 15 10 91 2 15 15 20 15 92 8 16 5 15 10 84 1 17 15 25 10 97 10 
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表 2 方差分析结果
Table 2 Results of analysis of variance
变异来源
Source采净率 Removal rate 落花率 Flower drop rate 平方和
Sum of
Squares自由度
Degree of
freedom均方和
Mean
SquaresF P1) 平方和
Sum of
Squares自由度
Degree of
freedom均方和
Mean
SquaresF P1) 模型 Model 251.63 9 27.96 19.09 0.0004 **120.01 9 13.33 16.23 0.0007 **A 21.13 1 21.13 14.43 0.0067 **18.00 1 18.00 21.91 0.0023 **B 120.13 1 120.13 82.04 < 0.0001 **55.13 1 55.13 67.11 < 0.0001 **C 18.00 1 18.00 12.29 0.0099 **15.13 1 15.13 18.41 0.0036 **AB 6.25 1 6.25 4.27 0.0777 2.25 1 2.25 2.74 0.1419 AC 4.00 1 4.00 2.73 0.1424 0.25 1 0.25 0.30 0.5983 BC 1.00 1 1.00 0.68 0.4358 4.00 1 4.00 4.87 0.0631 A2 19.01 1 19.01 12.98 0.0087 **9.47 1 9.47 11.53 0.0115 *B2 19.01 1 19.01 12.98 0.0087 **6.58 1 6.58 8.01 0.0254 *C2 34.80 1 34.80 23.77 0.0018 **6.58 1 6.58 8.01 0.0254 *残差 Residual 10.25 7 1.46 5.75 7 0.82 失拟项 Lack of fit 6.25 3 2.08 2.08 0.2451 3.75 3 1.25 2.50 0.1985 误差 Error 4.00 4 1.00 2.00 4 0.50 1)*表示显著影响(P＜0.05)，**表示极显著影响(P＜0.01)。
1)* indicates significant effect (P＜0.05), ** indicates highly significant effect (P＜0.01).
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