液壓驅(qū)動式油茶果采摘機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

饒洪輝 黃登昇 王玉龍 陳 斌 劉木華

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南昌 330045)

0 引言

油茶是我國南方特有的木本油料作物，主要分布在我國江西省、湖南省等地，是世界四大木本油料作物之一，具有較高的實(shí)用價(jià)值[1-2]。江西省作為我國油茶種植的主要省份，近年來油茶種植面積不斷擴(kuò)大,然而油茶果的采摘依然靠人工完成，未能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，因此實(shí)現(xiàn)油茶果的機(jī)械化采摘具有重要意義[3-5]。

國外的林果機(jī)械化采摘發(fā)展較為成熟，智能化程度較高。主要采用氣吸式、振動式采摘裝置和采摘機(jī)器人等，對蘋果、開心果、杏仁、油橄欖、柑橘等進(jìn)行采摘[6-10]。我國林果機(jī)械化正穩(wěn)步推進(jìn)，相關(guān)科研院所和學(xué)者研制出了一些樣機(jī)并取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果[11-16]。

國外只有東南亞等地有少量油茶果種植，因此油茶果機(jī)械化采摘尚無國外文獻(xiàn)報(bào)道。國內(nèi)部分學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，高自成等[17]應(yīng)用D-H矩陣變換法建立了油茶果采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)中采摘齒的空間運(yùn)動方程，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)的可行性。葉霜等[18]對油茶果振動采摘機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動仿真，得到了振動采摘頭末端一點(diǎn)的運(yùn)動位置和速度曲線圖，但并未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。饒洪輝等[19]設(shè)計(jì)了一種電動膠輥旋轉(zhuǎn)式油茶果采摘執(zhí)行器，試驗(yàn)表明，該采摘執(zhí)行器對油茶果采摘率較好，花苞損傷低，但戶外移動不方便，且電機(jī)驅(qū)動采摘持續(xù)時(shí)間有限，采摘機(jī)的高度調(diào)節(jié)范圍小，旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速不高(30 r/min)，其采摘效率和實(shí)用性有待提高。

為進(jìn)一步提高電動膠輥旋轉(zhuǎn)式油茶果采摘執(zhí)行器的采摘效率，本文設(shè)計(jì)一種可在緩坡地帶行走的液壓驅(qū)動式油茶果采摘機(jī)，通過分析影響油茶果采摘效果的主要因素，確定采摘機(jī)的主要工作參數(shù)。并以主要工作參數(shù)為因素，以油茶果采摘率和花苞損傷率為指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)，以期在提高采摘效率的同時(shí)獲得采摘機(jī)較佳的工作參數(shù)組合。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

液壓式油茶果采摘機(jī)主要由膠輥組、上下旋轉(zhuǎn)架、鏈輪鏈條、齒輪箱、采摘頭執(zhí)行液壓馬達(dá)、采摘頭液壓缸、主臂、副臂、主臂液壓缸、副臂液壓缸、履帶式行走系統(tǒng)等組成。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要參數(shù)為：主臂液壓缸行程0～160 mm，副臂液壓缸行程0～330 mm，采摘頭液壓缸行程0～230 mm，采摘機(jī)采摘高度范圍900～3 000 mm，采摘頭采摘寬度465 mm，外形尺寸(長×寬)3 000 mm×920 mm。

圖1 液壓驅(qū)動式油茶果采摘機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of hydraulic-driven picking machine for camellia fruit1.膠輥 2.旋轉(zhuǎn)架 3.鏈條 4.齒輪箱 5.采摘頭執(zhí)行液壓馬達(dá) 6.采摘頭液壓缸 7.副臂 8.主臂 9.副臂液壓缸 10.主臂液壓缸 11.履帶式行走系統(tǒng) 12.采摘頭、主臂、副臂、液壓馬達(dá)控制手柄

1.2 工作原理

采摘機(jī)總寬度不大，但長度較長，因此其適宜的油茶種植條件為地勢較為平坦，油茶株行距為4 m×4 m；或緩坡地帶(坡度不大于25°)株行距為3 m×4 m。液壓式油茶果采摘機(jī)工作原理如圖2所示，通過控制主臂手柄和動臂手柄將采摘頭調(diào)整至樹枝的正向位置，將油門控制閥調(diào)至預(yù)定轉(zhuǎn)速位置處并撥動采摘頭執(zhí)行液壓馬達(dá)手柄，液壓馬達(dá)開始工作，經(jīng)傳動系統(tǒng)減速后帶動上下組旋轉(zhuǎn)架按圖2所示方向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)油茶果經(jīng)碰撞和擠壓掉落，完成采摘過程。

圖2 采摘機(jī)工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of picking machine

2 油茶果與膠輥相互作用力影響因素分析

油茶果與膠輥相互作用力主要由膠輥與油茶果碰撞時(shí)的正壓力和摩擦力組成，為了分析方便，本文將油茶果與膠輥的作用形式簡化成如圖3所示的模型。

由如圖3油茶果受力分析可得

(1)

式中FN1、FN2——上、下膠輥對油茶果表面的正壓力，N

f1、f2——油茶果兩側(cè)形成的沿切線方向摩擦力，N

μ——油茶果與膠輥接觸時(shí)摩擦因數(shù)

α——FN1、FN2與x軸的夾角，(°)

Fx——油茶果所受上、下膠輥?zhàn)饔昧Φ暮狭ρ厮椒较虻姆至?，N

圖3 油茶果與膠輥?zhàn)饔媚Ｐ虵ig.3 Interaction model between camellia fruit and rubber roller

由式(1)可得油茶果受膠輥?zhàn)饔煤竺撀涞牧W(xué)條件為

(FN1+FN2)cosα+μsinα(FN1+FN2)≥F1

(2)

式中F1——油茶果與果柄的結(jié)合力，N

上下組膠輥?zhàn)钚￠g距d與膠輥直徑關(guān)系式為

d=L-(2R+D)

(3)

式中L——上、下膠輥組旋轉(zhuǎn)中心距，mm

R——膠輥組旋轉(zhuǎn)半徑，mm

D——膠輥直徑，mm

當(dāng)d變小，其它條件不變時(shí)，膠輥對油茶果的正壓力FN1、FN2將增大，由式(2)可知，油茶果所受上、下膠輥?zhàn)饔昧Φ暮狭ρ厮椒较虻姆至⒃龃蟆?/p>

當(dāng)膠輥旋轉(zhuǎn)架角速度ω增大，其它條件不變時(shí)，油茶果受膠輥?zhàn)矒裘撾x的速度v將變大，油茶果與膠輥?zhàn)饔脮r(shí)間也將變短，由動量定理得

FΔt=m1(v-v0)

(4)

式中m1——油茶果質(zhì)量，g

v0——被膠輥喂入的初始速度，m/s

v——油茶果脫離速度，m/s

Δt——油茶果與膠輥?zhàn)饔脮r(shí)間，s

F——油茶果受膠輥?zhàn)饔煤蟮暮狭Γ琋

由式(4)可知，當(dāng)膠輥旋轉(zhuǎn)架角速度ω增大時(shí)，油茶果受膠輥?zhàn)矒裘撾x的速度v將變大，油茶果受膠輥?zhàn)饔煤蟮暮狭⒃龃蟆?/p>

當(dāng)膠輥直徑D增大時(shí)，膠輥的質(zhì)量將增大，其它條件保持不變時(shí)，膠輥對油茶果的采摘力也將增大。因此，油茶果所受膠輥?zhàn)饔玫牟烧τ绊懸蛩刂饕猩舷履z輥間距、膠輥旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速和膠輥直徑。

3 油茶果與膠輥相互作用力仿真分析

3.1 三維模型的建立

由于采摘機(jī)采摘時(shí)油茶果與膠輥?zhàn)饔眠^程較為復(fù)雜，為了分析不同因素對油茶果與膠輥相互作用力(即油茶果受膠輥的碰撞力)的變化規(guī)律，本文借助ADAMS軟件對油茶果與膠輥?zhàn)饔靡?guī)律進(jìn)行建模仿真。

由于采摘頭模型較為復(fù)雜，在ADAMS中建立三維模型較為繁瑣，為此本文在SolidWorks軟件中建立油茶果與旋轉(zhuǎn)架的三維模型，并利用ADAMS軟件與SolidWorks的接口將SolidWorks中建立的三維模型直接導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行分析，導(dǎo)入的三維模型如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)架與油茶果接觸模型Fig.4 Contact model between rotary frame and camellia fruit1.上旋轉(zhuǎn)架 2.膠輥 3.油茶果 4.下旋轉(zhuǎn)架

3.2 材料屬性定義

直接在ADAMS軟件材料庫中選擇steel作為上下旋轉(zhuǎn)架各個(gè)組件的材料，油茶果的材料屬性由文獻(xiàn)[20]可知，各種材料屬性設(shè)置如表1所示。

表1 材料屬性Tab.1 Material property

3.3 約束和驅(qū)動添加

如圖5所示，分別添加旋轉(zhuǎn)架各個(gè)組件直徑的固定副JOINT_1～JOINT_10，回轉(zhuǎn)軸與大地之間的旋轉(zhuǎn)副JOINT_11、JOINT_12；在旋轉(zhuǎn)副上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。圖中所示的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動在設(shè)置轉(zhuǎn)速時(shí)，上旋轉(zhuǎn)架驅(qū)動取正值，下旋轉(zhuǎn)架取負(fù)值，即大小相等、方向相反。通過沖擊函數(shù)法分別設(shè)置上、下兩膠輥與油茶果之間的接觸力,其剛度k計(jì)算公式為

(5)

其中

式中R1、R2——兩碰撞物體的半徑

υ1、υ2——兩物體的泊松比

E1、E2——兩物體的彈性模量

圖5 添加約束和驅(qū)動界面Fig.5 Interface of adding constraints and drivers

3.4 仿真結(jié)果與分析

3.4.1不同轉(zhuǎn)速下油茶果所受接觸碰撞力

當(dāng)模型油茶果直徑30 mm、上下組膠輥間距15 mm、膠輥直徑為30 mm時(shí)，在旋轉(zhuǎn)副JOINT_11、JOINT_12上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動轉(zhuǎn)速分別為10、30、50、70 r/min。圖6所示為不同轉(zhuǎn)速下油茶果所受到的接觸碰撞力變化曲線。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下油茶果受到的碰撞力變化曲線(d=15 mm)Fig.6 Impact force curves of camellia fruit at different rotational speeds (d=15 mm)

由圖6可知，隨著轉(zhuǎn)速的不斷提高，油茶果所受的接觸碰撞力在不斷增加。從油茶果脫落臨界條件來看[17](縱向拉斷力3.92 N、橫向拉斷力3.36 N)，轉(zhuǎn)速在10 r/min時(shí)，油茶果受到的最大碰撞力為5.287 N,因此在間距15 mm時(shí)旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速應(yīng)大于10 r/min。

為進(jìn)一步驗(yàn)證滿足油茶果脫落的速度條件，設(shè)定當(dāng)模型油茶果直徑30 mm、膠輥直徑為30 mm、上下組膠輥間距為25 mm時(shí)，在旋轉(zhuǎn)副JOINT_11、JOINT_12上添加10、12、14 r/min的轉(zhuǎn)速，得到圖7所示的油茶果接觸碰撞力變化曲線。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下油茶果受到的碰撞力變化曲線(d=25 mm)Fig.7 Impact force curves of camellia fruit at different rotational speeds (d=25 mm)

由圖7可知，當(dāng)d為25 mm時(shí)，轉(zhuǎn)速在10 r/min時(shí)受到的最大接觸碰撞力為1.3 N；轉(zhuǎn)速在12 r/min時(shí)最大接觸碰撞力為2.7 N；轉(zhuǎn)速在14 r/min最大接觸碰撞力為4.2 N。因此d為25 mm時(shí)要使得油茶果脫落，需將轉(zhuǎn)速提高到14 r/min。

綜合以上兩個(gè)仿真結(jié)果得出：當(dāng)膠輥直徑和油茶果直徑不變時(shí)，隨著膠輥間距的增大，油茶果脫落所需的旋轉(zhuǎn)架理論轉(zhuǎn)速也將增大。

3.4.2不同膠輥直徑下油茶果所受接觸碰撞力

當(dāng)油茶果直徑30 mm，上、下組膠輥間距15 mm，旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速為50 r/min時(shí)，設(shè)定膠輥直徑分別為25、30、35 mm，圖8所示為油茶果受到的碰撞接觸力曲線。

圖8 不同膠輥直徑下油茶果受到的碰撞力變化曲線Fig.8 Impact force curves of camellia fruit at different rubber roller diameters

由圖8可知，隨著膠輥直徑的不斷增大，油茶果所受到的接觸碰撞力在逐漸增大，可見膠輥直徑大小對油茶的采摘有直接的影響。

3.4.3不同間距下油茶果所受接觸碰撞力

當(dāng)油茶果直徑為30 mm、膠輥直徑30 mm、旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速為50 r/min時(shí)，間距分別為15、20、25 mm時(shí)，油茶果受到的碰撞接觸力曲線如圖9所示。

圖9 不同間距下油茶果受到的碰撞力變化曲線Fig.9 Impact force curves of camellia fruit at different rubber roller gaps

由圖9可知，隨著間距的不斷增大，油茶果所受的接觸碰撞力在逐漸減小，且隨著間距的擴(kuò)大，油茶果所受最大接觸碰撞力的時(shí)間也在向后推移，可知間距的大小對油茶果的采摘起關(guān)鍵性作用。

4 采摘試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件與設(shè)備

圖10 采摘試驗(yàn)Fig.10 Picking test

2018年10月22日在江西省林科院國家高產(chǎn)油茶林基地進(jìn)行室外試驗(yàn)，選擇6棵掛果數(shù)量較多、分布茂盛的贛無1油茶品種作為采摘對象。該油茶林基地果樹之間分布較為密集，油茶果樹與油茶花樹交錯分布。茶樹高在3～5 m之間，用游標(biāo)卡尺測得贛無1品種油茶果直徑分布在12～38 mm，平均直徑約25 mm，油茶花苞直徑約8 mm，油茶樹枝之間交錯狀分布且分布較為密集。

試驗(yàn)前通過數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速表測量采摘頭的執(zhí)行液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，并在油門處對旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速45、55、65 r/min進(jìn)行標(biāo)定。每組膠輥安裝有直徑為20、25、30 mm膠輥各1個(gè)。試驗(yàn)設(shè)備包括：采摘樣機(jī)、收集裝置、游標(biāo)卡尺、AR926型數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速表等。

試驗(yàn)選用型號為BMR125的液壓馬達(dá)作為采摘頭驅(qū)動馬達(dá)，其主要參數(shù)如表2所示。

室內(nèi)試驗(yàn)在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心進(jìn)行，分別從2棵贛無1油茶樹上摘取長勢相近的18枝油茶樹枝，每枝均長有花苞和油茶果。

表2 液壓馬達(dá)主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of hydraulic motor

試驗(yàn)情況如圖10所示，圖10a、10b為室外試驗(yàn)圖，圖10c、10d為室內(nèi)試驗(yàn)圖。

4.2 影響因素和評價(jià)指標(biāo)

4.2.1試驗(yàn)影響因素

由前面的分析和仿真試驗(yàn)可知，油茶果采摘時(shí)受膠輥?zhàn)饔玫牟烧τ绊懸蛩赜心z輥間距、膠輥旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速和膠輥直徑等。

膠輥間距應(yīng)綜合考慮油茶果和花苞直徑。一方面，膠輥間距應(yīng)小于油茶果直徑，間距越小，油茶果脫落的機(jī)率越大。另一方面，膠輥間距應(yīng)大于油茶花苞直徑，且間距越大，油茶花苞在采摘時(shí)脫落損傷越少。

膠輥旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速過低將會直接影響油茶果的采摘效果，由前面的仿真試驗(yàn)可知，要使油茶果脫落，旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速不應(yīng)小于14 r/min；轉(zhuǎn)速過高將會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)架和膠輥在轉(zhuǎn)動過程中對油茶花苞和枝葉造成損傷。因此膠輥架轉(zhuǎn)速應(yīng)在減少花苞和枝葉損傷的同時(shí)盡量增大。

4.2.2試驗(yàn)指標(biāo)

該樣機(jī)研制的目的是在提高油茶采摘率的同時(shí)，降低油茶果花苞損傷?？紤]試驗(yàn)時(shí)油茶果樹枝呈交錯狀分布狀態(tài)，難以對花苞數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)。以單位時(shí)間內(nèi)油茶果采摘數(shù)量來估算采摘效率，由于室內(nèi)采摘試驗(yàn)每枝油茶枝果實(shí)數(shù)量少，不宜統(tǒng)計(jì)采摘效率，因此戶外試驗(yàn)主要驗(yàn)證指標(biāo)為油茶果采摘率，并估算采摘效率，室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證指標(biāo)為采摘率和花苞損傷率。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.3.1試驗(yàn)方案

試驗(yàn)以上下組膠輥間距、旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速、膠輥直徑作為影響因素，分別設(shè)置3個(gè)水平,采用正交試驗(yàn)表L9(34)進(jìn)行9次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)重復(fù)2次取平均值。室外試驗(yàn)時(shí)用收集傘收集油茶果以便統(tǒng)計(jì)其個(gè)數(shù)，每次試驗(yàn)操作時(shí)間為15 s，試驗(yàn)因素水平如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素水平Tab.3 Test factors and levels

4.3.2試驗(yàn)結(jié)果

室外試驗(yàn)方案及極差分析結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果與極差分析(室外)Tab.4 Experimental design and result

由表4極差分析結(jié)果得：RA=0.019，RB=0.007，RC=0.008，三因素中膠輥間距極差大于另外兩因素，是主要影響因素，膠輥直徑和旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速極差相近，均為次要因素。由表4計(jì)算采摘效率，其平均值為210個(gè)/min。第3、7次試驗(yàn)油茶果采摘數(shù)量多，而第9次試驗(yàn)油茶果采摘數(shù)量較少，主要是因?yàn)椴烧獣r(shí)油茶果枝掛果過密或過稀造成的。由于試驗(yàn)因素中有膠輥旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速，一般情況下，膠輥旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速越高，其它條件相同時(shí)，相同數(shù)量的油茶果采收時(shí)間越短，采摘效率越高。

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和極差分析如表5所示。

表5 試驗(yàn)結(jié)果與極差分析(室內(nèi))Tab.5 Experimental result and range analysis

由表5極差分析結(jié)果可知，三因素對油茶果采摘率影響的主次順序?yàn)椋耗z輥間距、旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速、膠輥直徑；對油茶花苞損傷率影響的主次順序?yàn)椋耗z輥直徑、膠輥間距、旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速。另外由表4可知室外試驗(yàn)油茶果采摘率在90%以上，由表5可知，室內(nèi)試驗(yàn)平均采摘率為83.6%，平均花苞損傷率為11.3%。綜合室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果可知樣機(jī)的油茶果采摘率較高，花苞損傷率較小。

4.4 最優(yōu)方案

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，以采摘率和花苞損傷率為評價(jià)指標(biāo)，采摘率和花苞完好率各占50%的權(quán)重，用綜合評分法確定最優(yōu)方案，評價(jià)結(jié)果見表6。計(jì)算公式為

(6)

(7)

(8)

式中Y1——室內(nèi)試驗(yàn)采摘率，%

Y2——室內(nèi)試驗(yàn)花苞損傷率，%

Y——綜合得分

表6 綜合評分結(jié)果Tab.6 Result of comprehensive scoring

由表6可知，得分最高的組合是A1B2C2和A2B1C2。結(jié)合室外試驗(yàn)，組合A1B2C2比A2B1C2的室外采摘率更高，因此針對贛無1油茶品種確定的最優(yōu)方案為:A1B2C2，即上下組膠輥間距15 mm、轉(zhuǎn)速55 r/min、膠輥直徑30 mm。在此組合下，液壓驅(qū)動式采摘機(jī)的旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速比電動膠輥旋轉(zhuǎn)式油茶果采摘執(zhí)行器(30 r/min)提高了83.33%，因而其采摘效率得到了明顯提高。平均采摘效率為210個(gè)/min。

5 結(jié)論

(1)為提高電動膠輥旋轉(zhuǎn)式油茶果采摘執(zhí)行器的采摘效率，設(shè)計(jì)了一種液壓驅(qū)動式油茶果采摘機(jī)。

(2)分析了油茶果與膠輥相互作用力的主要影響因素，并通過仿真試驗(yàn)得出了不同因素對油茶果和膠輥相互作用力的影響規(guī)律。

(3)影響油茶果采摘率的主要因素依次為上下組膠輥間距、旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速、膠輥直徑；影響花苞損傷率的主要因素依次為膠輥直徑、膠輥間距、旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速。

(4)樣機(jī)采摘試驗(yàn)表明：當(dāng)油茶果的平均直徑在25 mm左右、油茶花苞直徑在8 mm左右時(shí)，綜合考慮采摘率和花苞損傷率，采摘機(jī)工作參數(shù)最佳組合為：上下組膠輥間距15 mm、旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速55 r/min、膠輥直徑30 mm。在此組合下，該采摘機(jī)旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速比電動膠輥旋轉(zhuǎn)式油茶果采摘執(zhí)行器提高了83.33%，采摘效率明顯提高，其平均采摘效率為210個(gè)/min。