手持式柑橘除梢機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

葉昌曉，洪添勝，李 震，吳偉斌，王建波，劉 岳

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械化研究室/廣東省山地果園機(jī)械創(chuàng)新工程技術(shù)研究中心，廣州 510642)

0 引言

柑橘是一年多次抽發(fā)新梢的果樹，其新梢按抽發(fā)時(shí)期可分為春梢、夏梢和秋梢。夏梢的抽發(fā)期與幼果的生長(zhǎng)期重疊，夏梢的抽發(fā)與幼果爭(zhēng)奪養(yǎng)發(fā)，引發(fā)幼果大量脫落，且容易引發(fā)病蟲害[1]，早期抽發(fā)的秋梢是柑橘黃龍病的傳播媒介木虱產(chǎn)卵的溫床[2]，因此夏梢和早期秋梢都需及時(shí)除去。目前，去除柑橘新梢主要有營(yíng)養(yǎng)控梢、物理除梢和化學(xué)殺梢劑等技術(shù)手段。對(duì)于營(yíng)養(yǎng)控梢法，新梢抽發(fā)的早期仍需進(jìn)行除梢，且效果不顯著[3];若使用化學(xué)殺梢劑進(jìn)行殺梢，極易對(duì)老葉及幼果產(chǎn)生藥害，且對(duì)下季度新梢的抽發(fā)產(chǎn)生影響，從而影響樹勢(shì)[4]。目前，國(guó)內(nèi)柑橘除梢工作仍以人工除梢為主。

柑橘新梢的抽發(fā)具有抽發(fā)量大、抽發(fā)周期長(zhǎng)及抽發(fā)反復(fù)性高的特點(diǎn)，因此人工除梢是一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)成本高、消耗時(shí)間長(zhǎng)的工作。由于柑橘樹樹體高大，常需架梯作業(yè)，使得人工除梢工作具有一定的危險(xiǎn)性且反復(fù)上下梯還降低了除梢的效率。為此，設(shè)計(jì)了一種手持式柑橘除梢機(jī)，并進(jìn)行了整機(jī)除梢性能試驗(yàn)，以期降低人工除梢強(qiáng)度、提高人工除梢效率。

1 柑橘新梢特性與除梢機(jī)設(shè)計(jì)要求

柑橘新梢大多抽發(fā)在果樹樹冠末端，少數(shù)抽發(fā)在主干及分支上。果樹樹冠末端抽發(fā)的新梢位于兩片或多片葉子之間，新梢抽發(fā)初期梢稈纖細(xì)，梢稈根部直徑在3mm左右，抽發(fā)初期的新梢具有含水率高、硬度小和木質(zhì)化程度低等特點(diǎn)，此時(shí)是去除柑橘新梢的最佳時(shí)間。

我國(guó)柑橘種植規(guī)模雖然很大，但是我國(guó)90%的柑橘種植在丘陵山地上，且種植間距較窄，果樹長(zhǎng)大之后果樹間的作業(yè)空間更為狹窄，使得許多大中型果園管理機(jī)械無法進(jìn)入果園作業(yè)[5]。因此，針對(duì)我國(guó)柑橘種植情況及柑橘新梢特性，總結(jié)了柑橘除梢機(jī)的4點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：①新梢割除后理想的切割面應(yīng)是光滑的圓形或者橢圓形，且留茬長(zhǎng)度在10mm以下較為理想，因此要求切割刀具有良好的切削性；②由于新梢抽發(fā)在茂密的樹冠中，除梢機(jī)除掉新梢的同時(shí)應(yīng)對(duì)果樹其他枝葉的損傷較小；③由于果樹高矮不一，樹冠大小不同，該除梢機(jī)應(yīng)能調(diào)節(jié)作業(yè)高度，適應(yīng)不同的樹高；④該除梢機(jī)需結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量小、操作簡(jiǎn)單，以便在狹小的果樹間距里工作。

2 主要結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 主要結(jié)構(gòu)

柑橘除梢機(jī)主要由切割組件、伸縮桿組件及動(dòng)力控制組件等組成，如圖1所示。切割組件由直流無刷電機(jī)、電機(jī)連接軸套和圓鋸片等組成，電機(jī)連接軸套直接與電機(jī)輸出軸連接，鋸片通過螺母固定于電機(jī)連接軸套上；伸縮桿組件由可伸縮鋁管和鉸接式連接頭組成，無刷電機(jī)通過法蘭盤連接在伸縮桿組件上；動(dòng)力控制組件由無刷電調(diào)電子調(diào)速器、舵機(jī)測(cè)試儀和鋰電池組成，無刷電調(diào)電子調(diào)速器和鋰電池外置于掛包中，不計(jì)入整機(jī)總質(zhì)量中。

1.鉸接式連接頭 2.法蘭盤 3.直流無刷電機(jī) 4.電機(jī)連接軸套 5.圓鋸片 6.伸縮桿 7.鋰電池 8.舵機(jī)測(cè)試儀 9.無刷電調(diào)電子調(diào)速器

2.2 工作原理

柑橘除梢機(jī)作業(yè)時(shí)，以11.1V的鋰電池作為電源給無刷電機(jī)提供動(dòng)力，通過無刷電機(jī)電子調(diào)速器和舵機(jī)測(cè)試儀對(duì)無刷電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)和調(diào)速[6]。無刷電機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)電機(jī)軸上安裝的圓鋸片高速旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)的圓鋸片將新梢從根部適當(dāng)位置切斷。調(diào)整伸縮桿的伸縮量可改變作業(yè)高度，調(diào)整鉸接式連接頭可改變鋸片的切割傾角。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

通過柑橘山地果園作業(yè)需求，結(jié)合山地果園種植特點(diǎn)及機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確定柑橘除梢機(jī)主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 柑橘除梢機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)及主要參數(shù)確定

3.1 除梢機(jī)切割組件設(shè)計(jì)

3.1.1 切割鋸片的參數(shù)確定

由于果樹冠層的復(fù)雜性，鋸片作業(yè)的空間十分有限，對(duì)長(zhǎng)度15cm左右的柑橘新梢的幾何參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，如圖2所示。測(cè)量的幾何參數(shù)：葉梢傾角和雙葉傾角。新梢梢稈與周圍葉片之間較小夾角為葉梢傾角，新梢周圍兩葉片的夾角為雙葉傾角，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

圖2 正視圖傾角參數(shù)

表2 新梢傾角參數(shù)

通過對(duì)新梢?guī)缀螀?shù)的測(cè)量，且采用滑切的切割方式，為降低功耗，一般滑切角在20°～55°的范圍內(nèi)選取比較合適。為滿足留茬長(zhǎng)度小于10mm的條件及較好地減少對(duì)枝葉的損傷，鋸片直徑選擇35～50mm為佳。本文選用直徑為44mm，齒數(shù)為36，孔徑為6.35mm，厚度為0.8mm，前角為15°的高速鋼圓鋸片。

3.1.2 鋸片轉(zhuǎn)速確定

所選擇的旋轉(zhuǎn)刀片切割方式屬于無支撐切割，由材料力學(xué)分析知，為獲得更好的切割效果，應(yīng)增大梢稈慣性力和梢稈的反彈力，因此除了盡可能降低割除高度外,還應(yīng)提高切割線速度。鋸片切割速度圖如圖3所示。其中，v是鋸片的齒尖線速度和手持桿進(jìn)給速度的合成；v1為鋸片的齒尖線速度；v2為手持桿進(jìn)給速度，即操作者手持除梢機(jī)移向新梢的速度，此速度約為0.07m/s[7]。

圖3 鋸片速度圖

根據(jù)飼草切割機(jī)理，無支撐切割的最低切割速度必須大于一定數(shù)值，才能保障鋸片順利地進(jìn)行無支撐切割，最低速度應(yīng)不小于30m/s?？紤]到機(jī)具的可靠性和安全性，初步確定鋸片齒尖線速度為35m/s。轉(zhuǎn)速公式為[8]

式中v1—鋸片齒尖線速度(m/s)；

n—鋸片轉(zhuǎn)速(r/min)；

D—鋸片直徑(mm)。

可計(jì)算出鋸片轉(zhuǎn)速為15 192r/min，根據(jù)鋸片進(jìn)給量公式有

式中v2—手持桿進(jìn)給速度(m/s)；

uz—鋸片每齒進(jìn)給量(mm)；

z—鋸片齒數(shù)。

將z=36、v2=0.07m/s及n=15 192r/min帶入式中，計(jì)算得鋸片每齒進(jìn)給量uz=0.13mm，滿足木材鋸切推薦的每齒進(jìn)給量0.1～0.2mm[9]。

3.1.3 電機(jī)轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的切割鋸片直接安裝于電機(jī)輸出軸上，工作時(shí)會(huì)受到刀片的轉(zhuǎn)矩等因素影響，產(chǎn)生一定的沖擊和振動(dòng)，因此應(yīng)考慮轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度要求[9]。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為

式中τT—扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力(MPa)；

T—軸所受的扭矩(N·mm)；

WT—軸的抗扭截面系數(shù)(mm3)；

n—軸的轉(zhuǎn)速(r/min)；

P—軸傳遞的功率(kW)；

d—計(jì)算截面處的直徑(mm)；

[τT] —許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力(MPa)。

由上式可得軸的直徑為

3.2 伸縮桿設(shè)計(jì)

柑橘除梢機(jī)伸縮桿采用鋁合金材料。鋁合金材料密度較小，強(qiáng)度與質(zhì)量比高[11]。為滿足人手握桿的舒適性要求，手持桿的直徑應(yīng)適中，通過對(duì)比，最終選擇最大徑22mm，中間直徑19mm，最小徑17mm的三節(jié)式伸縮鋁管。該伸縮桿最大伸縮長(zhǎng)度可達(dá)1.6m，操作者手持可達(dá)到果樹最高高度，最小伸縮長(zhǎng)度0.63m，便于不工作時(shí)存放。

3.3 電機(jī)電池參數(shù)的確定

根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為15 192r/min，且考慮電機(jī)質(zhì)量和體積的因素，選擇高速航模無刷電機(jī)，型號(hào)為新西達(dá)A2212kV2200外轉(zhuǎn)子無刷電機(jī)，KV的定義為r/V，即輸入電壓增加1V，無刷電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值。該電機(jī)的外形尺寸為27.8mm×28mm，質(zhì)量為48g，輸出軸徑3.17mm。因此，電源選用TCB航模鋰電池，型號(hào)為10000maH/11.1V/25C,外形尺寸為168mm×66mm×29.5mm，質(zhì)量為688g,鋰電池外置于挎包內(nèi)，不計(jì)入整機(jī)總質(zhì)量。經(jīng)測(cè)定，無刷電機(jī)空轉(zhuǎn)電流約為1.21A，切割時(shí)電流約為1.84A，工作電壓約為11.5V，故采用的單塊鋰電池可以連續(xù)工作6h以上，配備兩塊電池可連續(xù)工作12h。

4 手持桿的靜態(tài)受力分析

持桿的簡(jiǎn)化力學(xué)模型如圖4所示。其中，AC為桿的全長(zhǎng)，AC=1.6m；AB為手持時(shí)兩手距離，AB=0.4m。假設(shè)桿為質(zhì)量均勻分布的桿，D為桿AC的重心位置，C處為工作組件安裝的位置。其中，工作組件的質(zhì)量m1=145g,鋁合金桿的總質(zhì)量為225g,持桿時(shí)手對(duì)桿有作用力F1、F2和Ff，設(shè)桿AC與水平地面的夾角為α。

圖4 力學(xué)分析圖

由∑MA=0，F(xiàn)2·AB=G·ADcosα+G1ACcosα，得F2=10.09cosα；由∑MB=0，F(xiàn)1·AB=G1·BCcosα+G1·BDcosα，得F1=6.47cosα；由∑F=0，F(xiàn)f=Gsinα+G1sinα，得Ff=3.63sinα。

以平均身高1.7m的男子進(jìn)行作業(yè)，伸縮桿下端距離地面1.2m，當(dāng)切割組件接近平均樹高2.5m的位置時(shí)，由以上計(jì)算可知，α≈55°。此時(shí)F1=3.7N,F2=5.79N,操作非常輕松，人的頭部上仰角度θ≤34°，頭部上仰角度小，方便進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作。在平均圓周半徑為1.3m的樹體進(jìn)行作業(yè)時(shí)，可達(dá)到的最高作業(yè)高度為3.1m，對(duì)于平均樹高2.5m的果園，基本滿足不同高度新梢的作業(yè)要求。

5 試驗(yàn)研究與結(jié)果分析

性能試驗(yàn)選擇在江西省安遠(yuǎn)縣孔田鎮(zhèn)的山地果園種植區(qū)進(jìn)行。選擇5年樹齡的紐荷爾臍橙抽發(fā)的新梢作為試驗(yàn)對(duì)象，該地區(qū)是贛南地區(qū)主要的柑橘生產(chǎn)地之一，柑橘均種植在山地上。由于山地限制，果樹平均種植間隔3m，平均樹高2.5m[12]。

5.1 除梢機(jī)切割性能試驗(yàn)與結(jié)果分析

選擇對(duì)象為7月中旬抽發(fā)的秋梢，以10～15cm左右長(zhǎng)的梢稈為試驗(yàn)對(duì)象，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速在15 192r/min時(shí)進(jìn)行除梢工作，每組試驗(yàn)材料選至于一棵果樹上符合條件的所有新梢，記錄每組新梢的總數(shù)量、梢稈根部直徑和未完全切斷稈數(shù)。表3為試驗(yàn)結(jié)果。

表3 除梢機(jī)切割性能試驗(yàn)結(jié)果

分析表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)：在鋸片切割線速度恒定的情況下，所統(tǒng)計(jì)的梢稈根部直徑在小于2.8mm、2.8～3.3mm和大于3.3mm的未完全切斷率分別為0%、4.1%、15.7%，整體未完全切斷率為6.2%，完全切斷率為93.8%，未完全切斷率低，隨著梢稈根部直徑的增加，梢稈未完全切斷率隨之增加，根據(jù)灌木切割機(jī)理，因?yàn)樯叶捴睆皆黾?，?dǎo)致切割線速度和進(jìn)給速度不完全匹配，可適當(dāng)增加進(jìn)給速度提高完全切斷率。

5.2 新梢留茬長(zhǎng)度試驗(yàn)與結(jié)果分析

對(duì)除梢機(jī)切割性能試驗(yàn)后的其他數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)每一組新梢的總數(shù)量、新梢所處高度和切割后新梢留茬長(zhǎng)度，以新梢切割后留茬長(zhǎng)度小于10mm為理想結(jié)果。表4為統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表4 新梢留茬長(zhǎng)度試驗(yàn)結(jié)果

分析表4：所統(tǒng)計(jì)的新梢所處高度小于1.5m、1.5～2.5m和2.5～3.1m的切割后的留茬長(zhǎng)度理想率分別為85%、95.3%和80%。該除梢機(jī)在新梢所處高度為1.5～2.5m時(shí)留茬長(zhǎng)度理想率最高為95.3%，在所有高度的留茬長(zhǎng)度理想率為88.4%。在2.5～3.1m高度作業(yè)時(shí)留茬長(zhǎng)度理想率較低，是由于高度較高，鋸片定位至梢稈根部較難，如追求留茬長(zhǎng)度理想化，將導(dǎo)致對(duì)其他枝葉的損傷較大。

6 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種手持式柑橘除梢機(jī)，主要由切割組件、伸縮桿組件與動(dòng)力控制組件組成，整機(jī)質(zhì)量370g，操作輕便。該機(jī)可達(dá)到的最大工作高度為3.1m，基本滿足不同高度新梢的作業(yè)要求，可連續(xù)工作12h以上。

2)介紹了梢稈切割機(jī)理，指出圓鋸片切割為無支撐切割，并對(duì)鋸片齒尖線速度和手持桿進(jìn)給速度的匹配問題進(jìn)行了計(jì)算與分析，得出除梢機(jī)作業(yè)適宜的鋸片齒尖線速度為35m/s。

3)該除梢機(jī)進(jìn)行除梢作業(yè)時(shí)，梢稈完全切斷率為93.8%，除梢成功率高。除梢后留茬長(zhǎng)度理想率達(dá)88.4%，除梢性能優(yōu)良。