搖枝式油茶果采摘機(jī)設(shè)計與試驗

伍德林 傅立強(qiáng) 曹成茂 李 超 徐艷平 丁 達(dá)

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036)

0 引言

隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整及林果種植面積的不斷擴(kuò)大，林果產(chǎn)業(yè)已成為我國林果產(chǎn)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)和農(nóng)民增收致富的新亮點(diǎn)。在林果收獲過程中消耗的勞動力占整個生產(chǎn)過程的33%～50%，勞動力短缺已成為制約林果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的嚴(yán)峻問題。歐美、日本等國家多采用樹冠振動式采摘林果[1]，這種方式主要用于大規(guī)模收獲，例如美國佛羅里達(dá)州柑橘種植者采用連續(xù)的冠層振動臺，通過搖動整個柑橘的樹冠采摘柑橘；還有樹干振動式采摘[2]，針對果樹的疏密程度和樹體大小，通常采用高頻率的采摘頭振動果樹的主干，采摘林果。樹冠振動式和樹干振動式采摘雖然工作效率高，但缺點(diǎn)也很明顯：果、枝、葉等會一起被采摘，對樹體造成損傷，更有可能對根系造成不可恢復(fù)的損害。近年來我國林果產(chǎn)業(yè)取得了快速發(fā)展，但機(jī)械化采收仍處于研究探索階段[3-5]。

油茶作為我國特有的木本油料樹種，被世界糧農(nóng)組織優(yōu)選為健康食用油原料。油茶結(jié)果周期約為1年[6]，油茶果采摘期在每年10月中旬，且收獲期較短[7]。目前，國內(nèi)沒有油茶果機(jī)械采摘較為成熟的機(jī)型，大規(guī)模種植油茶主要依靠人工采摘[8-9]。油茶枝韌性大、承載能力弱，嫩枝較軟[10]，人工采摘時容易折斷枝葉，采摘作業(yè)周期長[11-12]，如果采摘不及時，則因天氣潮濕而導(dǎo)致油茶果品質(zhì)下降[13-16]。油茶果采摘機(jī)能夠降低整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的成本，推進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展[17-18]?；谟筒韫烧鳂I(yè)環(huán)境復(fù)雜、損傷率大和漏采率高的現(xiàn)狀，本文設(shè)計一種與油茶樹接觸面積小、對果樹損傷低、采凈率高、制造成本低、結(jié)構(gòu)緊湊的搖枝式油茶果采摘機(jī)。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

規(guī)范化種植的油茶林株行距為2.5 m×3 m，油茶樹的冠層直徑一般為1.6 m。本文所設(shè)計的采摘機(jī)整機(jī)長為2 m，寬為1.2 m，高為2.5 m，結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括行走系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、采摘裝置、收集裝置、傳送裝置、儲存箱、駕駛室、電機(jī)以及控制箱。采摘機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，可滿足油茶林間行走與采摘要求。

圖1 采摘機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of picking machine1.駕駛室 2.采摘裝置 3.行走機(jī)構(gòu) 4.收集裝置 5.傳送裝置 6.儲存箱 7.電機(jī) 8.控制箱

1.2 工作原理

整機(jī)工作原理是利用采摘裝置夾持油茶樹枝后進(jìn)行激振，激振使油茶果產(chǎn)生慣性力，當(dāng)慣性力大于與樹枝的結(jié)合力，油茶果脫落。作業(yè)時啟動電機(jī)，控制整機(jī)的前進(jìn)、轉(zhuǎn)向與后退，將采摘機(jī)駛?cè)胗筒枇趾线m位置，打開收集裝置；控制采摘裝置的采摘臂升降和采摘頭的閉合以及底盤的轉(zhuǎn)動，移動采摘頭至合適位置，夾持目標(biāo)油茶枝條；電機(jī)的動力通過蝸輪蝸桿減速器傳遞到采摘頭,通過調(diào)節(jié)電機(jī)輸出頻率，改變采摘頭頻率，當(dāng)采摘頭頻率達(dá)到一定值時，采摘頭作用在油茶樹上的激勵產(chǎn)生的慣性力大于油茶果與油茶樹的結(jié)合力，油茶果與枝條分離，實現(xiàn)油茶果采摘。油茶果經(jīng)收集裝置落入傳送裝置，向后傳送落入儲存箱內(nèi)，完成油茶果的采摘與收集。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 采摘裝置

采摘裝置是整機(jī)的重要結(jié)構(gòu)之一，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作原理：調(diào)整采摘主臂Ⅰ與采摘主臂Ⅱ控制采摘爪的高度，使采摘爪向目標(biāo)油茶枝條靠近，夾緊油茶枝條，采摘爪靠底部偏心盤、連桿和上爪板構(gòu)成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生激振效果，作用于油茶枝上，使油茶果隨著油茶枝振動，激振對油茶果產(chǎn)生的加速度使其具有慣性力，當(dāng)油茶果的慣性力大于果柄的結(jié)合力時，油茶果脫落，實現(xiàn)油茶果的采摘。

圖2 采摘裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of picking device1.轉(zhuǎn)盤座 2.轉(zhuǎn)盤 3、4.液壓缸 5.主臂Ⅰ 6.主臂Ⅱ 7、9.減速器 8.副臂 10.采摘頭

2.2 采摘頭

采摘頭上的液壓升降缸與回油管和壓油管連接，液壓缸內(nèi)的活塞桿與采摘爪的下爪連接，上爪板分為振動行程區(qū)與限位固定區(qū)，液壓缸固定在采摘爪上爪的限位固定區(qū)，固定架與導(dǎo)板固定焊接，保證液壓缸工作時的穩(wěn)定性。蝸輪蝸桿減速器通過限位架與上爪板限位固定區(qū)底部連接，蝸輪蝸桿通過連軸與偏心盤中心軸承連接，偏心盤上設(shè)有距輪盤中心不同位置的限位孔，孔距分別為3.5、4、5 cm，孔距決定采摘頭的振幅。偏心盤與上爪限位固定區(qū)使用連桿連接，形成曲柄連桿機(jī)構(gòu)。液壓升降缸的回油管和壓油管與液壓底盤的液壓缸相連，蝸輪蝸桿減速器通過軟軸與電機(jī)相連。

采摘頭工作時，控制液壓油從液壓底盤液壓缸內(nèi)經(jīng)過壓油管進(jìn)入液壓升降缸內(nèi)，抬高活塞桿上的采摘爪下爪，使下爪與上爪閉合夾緊油茶枝，電機(jī)經(jīng)蝸輪蝸桿減速器連軸帶動偏心盤轉(zhuǎn)動，偏心盤通過連桿將激振力傳遞到上爪限位固定區(qū)上，使采摘爪在導(dǎo)板內(nèi)做上下振動，振動幅度由偏心盤限位孔決定，采摘頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采摘頭結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of picking head1.采摘爪 2.導(dǎo)板 3.曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 4.固定架 5.蝸輪蝸桿減速器 6.液壓升降缸

2.2.1采摘頭設(shè)計

(1)采摘爪夾持力分析

為減輕整體質(zhì)量，選用VP-20-FA3型小型單沖程液壓缸，液壓缸直徑為30 mm，活塞桿直徑為15 mm，活塞桿沖程為50 mm。采摘爪夾持力受到液壓升降缸壓力影響，液壓升降缸拉力和推力為

Fp=p1(S-s)=p1(πR2-πr2)

(1)

Ft=p1S=πp1R2

(2)

式中Fp——液壓升降缸拉力，N

Ft——液壓升降缸推力，N

p1——額定壓力，MPa

S——油缸橫截面積，mm2

s——活塞桿橫截面積，mm2

R——缸筒半徑，mm

r——活塞桿半徑，mm

工作時單沖程液壓缸壓力泵額定壓力p1=4 MPa，油缸半徑R=15 mm，活塞桿半徑r=7.5 mm，代入式(1)、(2)，計算出Fp=2 119.5 N，F(xiàn)t=2 826 N，因此采摘頭夾持油茶枝時最大壓力為2 826 N。據(jù)BROWN等[19]研究表明,直徑在40 mm以內(nèi)的樹枝的最大承受夾持力約為9 000 N，所以采摘爪夾持時不會對油茶樹枝條造成傷害。

(2)采摘頭曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計

采摘頭的作用是對油茶樹進(jìn)行夾持和激振，由偏心盤、連桿和上爪板構(gòu)成的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將動能轉(zhuǎn)化為激振作用。偏心盤上的限位孔起到調(diào)節(jié)采摘頭振幅的作用。

以蝸輪蝸桿減速器與偏心盤的連軸為原點(diǎn)O，偏心盤上的孔距l(xiāng)OA作為曲柄，連接孔A和上爪板的連桿長度計作lAB，上爪板B作為滑塊(圖4)。

圖4 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of crank slider mechanism1.蝸輪蝸桿減速器 2.連桿 3.上爪板 4.限位孔 5.偏心盤

實際生產(chǎn)中由于連桿的長度lAB遠(yuǎn)大于孔距l(xiāng)OA，激振力F表示為

F=-mlOAω2cos(ωt)

(3)

式中m——曲柄滑塊機(jī)構(gòu)質(zhì)量，kg

ω——偏心盤角速度，rad/s

t——時間，s

當(dāng)ωt=n′π時(n′為電機(jī)轉(zhuǎn)速)，上爪板受到的應(yīng)力最大，最大值為mlOAω2，實際生產(chǎn)中孔距l(xiāng)OA取3.5、4、5 cm，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)質(zhì)量為8.869 kg。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)功率為

T=mlOA

(4)

(5)

式中P2——電機(jī)功率，kW

T——曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩，N·m

i——蝸輪蝸桿減速器的減速比

μ——電機(jī)使用系數(shù)

為選擇合適的電機(jī)和減速比，以最大扭矩工作狀態(tài)、孔距l(xiāng)OA=0.05 m計算，計算得T≈4.5 N·m。根據(jù)式(5)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n′為3 000 r/min，蝸輪蝸桿減速器的減速比i為8，電機(jī)使用系數(shù)μ取1時，電機(jī)功率P2約為0.18 kW。

2.2.2油茶枝振動分析

自然條件下油茶枝的分布情況復(fù)雜，采摘作業(yè)時，采摘頭的動爪和定爪上下均勻?qū)ΨQ分布，作業(yè)時樹枝受力沿動定爪均勻分布，且動爪和定爪的寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樹枝的長度。為方便計算，將油茶枝受力看作沿動定爪中心位置的單點(diǎn)激勵，將油茶枝的受力簡化，如圖5所示。

圖5 油茶枝受力分析Fig.5 Stress analysis of camellia branch

油茶枝受力為

G1=Gcosα

(6)

G2=Gsinα

(7)

式中G——截取油茶枝重力，N

G1——油茶枝法向分力，N

G2——油茶枝徑向分力，N

α——油茶枝重力與法向分力的瞬時角，(°)

采摘爪抓取樹枝時采用隨機(jī)抓取，采摘爪影響油茶枝振動時的慣性力。將機(jī)械爪的作用力分為徑向作用力和法向作用力，其瞬時振動方程為

F2+G2-εt-vx=max(徑向作用)

(8)

F1+G1-εt-vy=may(法向作用)

(9)

其中

(10)

式中ε——油茶韌性系數(shù)

ax——徑向加速度，m/s2

ay——法向加速度，m/s2

vx——徑向速度，m/s

vy——法向速度，m/s

F1——F法向分力，N

F2——F徑向分力，N

θt——采摘爪作用在油茶枝上力F與力F1的瞬時角，(°)

(11)

(12)

式(11)、(12)的解為

Z(t)=Z1(t)+Z2(t)+a

(13)

式中a——常數(shù)

齊次方程的通解為

Z1x(t)=Ae-ntsin(θt+α)+a

(14)

Z1y(t)=Ae-ntcos(θt+α)+a

(15)

非齊次方程的特解為

Z2x(t)=Bsin(θt-α)

(16)

Z2y(t)=Bcos(θt-α)

(17)

式中A、B——油茶枝徑向、法向的振動幅度，cm

油茶枝振幅主要受到采摘裝置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和油茶枝韌性的影響。

徑向振幅和相位角為

(18)

(19)

(20)

法向振幅和相位角為

(21)

(22)

(23)

當(dāng)采摘裝置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)上偏心盤半徑為3.5 cm，油茶枝振幅為3.5 cm，電機(jī)輸出頻率為30 Hz時，將值代入式(8)、(9)，求得振動對油茶枝產(chǎn)生的徑向力約為57.5 N，法向力約為78.2 N，可知對油茶枝產(chǎn)生的力很小，不會對枝條造成損傷。

2.2.3油茶果振動分析

根據(jù)對油茶枝的受力分析得知，影響油茶枝振動的主要影響因素是油茶枝的振動幅度和電機(jī)輸出頻率，根據(jù)油茶枝的受力情況，對油茶果進(jìn)行受力分析，如圖6(圖中G′為油茶果重力，N)所示。

由圖6可知，油茶果的脫落條件是受到的合力大于果柄結(jié)合力，在徑向和法向的脫落條件為

F′2+G′2>Fa

(24)

F′1+G′1>Fb

(25)

式中F′2——油茶枝受到的徑向分力，N

G′2——油茶果受到的徑向分力，N

Fa——果柄徑向結(jié)合力，N

F′1——油茶枝受到的法向分力，N

G′1——油茶果受到的法向分力，N

Fb——果柄法向結(jié)合力，N

油茶果徑向脫落力方程和法向脫落力方程為

(26)

(27)

由式(26)、(27)可知，影響油茶果脫落的主要因素為油茶枝的振動幅度和電機(jī)輸出頻率，可為進(jìn)一步的作業(yè)參數(shù)選擇提供參考。

2.3 橫梁架

橫梁架是采摘機(jī)的核心承重結(jié)構(gòu)。在整機(jī)裝配中，采摘裝置通過螺栓安裝在橫梁架上，工作時采摘裝置的全部重量作用于橫梁架上，如圖7所示。

圖7 橫梁架結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of beam frame

橫梁架由長600 mm、寬50 mm、高80 mm、壁厚5 mm的兩個槽鋼組成，槽鋼間距為520 mm。

橫梁架承受油茶果采摘機(jī)采摘裝置的載荷，采摘裝置的重力約為3 000 N，每根橫梁架的一側(cè)均受Z向載荷1 500 N。將模型簡化為橫梁架的一側(cè)分別均勻受到采摘裝置重力的一半(F3、F4)，以及駕駛室前端的支持力F5和F6，如圖8所示。

圖8 橫梁架受力分析Fig.8 Stress analysis beam frame

對橫梁架做彎曲強(qiáng)度變形分析，根據(jù)撓曲線方程計算撓度公式為

(28)

式中x——受力點(diǎn)的位置，m

w——撓度，mm

Ga——采摘裝置重力，N

E——鋼彈性模量，GPa

l——橫梁架中點(diǎn)到支點(diǎn)距離，m

a′——受力點(diǎn)到首端的距離，m

b——受力點(diǎn)到末端的距離，m

I——慣性矩，kg·m2

E=200 GPa，a′=b=l，Ga約為3 000 N，求得橫梁架的彎曲變形結(jié)果為w=0.000 5 mm，普通鋼材的許用彎曲撓度最大為長度的1/300，槽鋼長600 mm，該橫梁架的許用彎曲撓度為2 mm，所以采摘裝置安裝在橫梁架上遠(yuǎn)小于橫梁架的最大許用彎曲撓度。

3 采摘試驗

3.1 試驗內(nèi)容

根據(jù)前期預(yù)試驗，以及油茶枝和油茶果振動分析結(jié)果，采摘機(jī)基本滿足采摘需求，同時確定采摘裝置的采摘時間、電機(jī)輸出頻率、振動幅度以及采摘爪的夾持位置(采摘爪夾持油茶枝的夾持中心到油茶樹冠層距離)為油茶果采凈率和花苞損傷率的主要影響因素。采摘機(jī)在實現(xiàn)油茶果高采凈率的同時還需要降低對油茶花苞的損傷。油茶花苞的數(shù)量會影響來年坐果量，所以油茶果采凈率和花苞損傷率是判斷采摘機(jī)性能的主要因素[20]。

通過對采摘裝置的采摘時間、電機(jī)輸出頻率、振動幅度以及采摘爪的夾持位置4個可控采摘影響因素進(jìn)行四因素三水平正交試驗，確定最高油茶果采凈率和較低花苞損傷率的作業(yè)參數(shù)組合。其中電機(jī)輸出頻率與采摘頭的振動頻率比值等于減速比。當(dāng)電機(jī)輸出頻率大于20 Hz時，油茶脫落，電機(jī)輸出頻率大于40 Hz時，采摘機(jī)整機(jī)會發(fā)生輕微振動，為保證安全性，電機(jī)輸出頻率調(diào)節(jié)范圍為20～40 Hz。電機(jī)輸出頻率選取25、30、35 Hz 3個水平。通過正交試驗結(jié)果分析得到不同作業(yè)參數(shù)對油茶果采凈率和花苞損傷率的影響程度。

3.2 試驗條件

2019年10月20日—11月1日在湖南省永州市和衡陽市油茶林基地對5～8年生的成熟期“湘林號”、“華鑫號”和“華金號”油茶樹進(jìn)行田間試驗(圖9)，兩處油茶林基地均具有適合機(jī)械作業(yè)的油茶林間距，可以更準(zhǔn)確地驗證采摘機(jī)的性能。選擇不同電機(jī)輸出頻率、振動幅度和采摘爪的夾持位置進(jìn)行采摘，記錄相關(guān)作業(yè)參數(shù)和作業(yè)時間。開始作業(yè)前統(tǒng)計枝條上油茶果和花苞數(shù)量，作業(yè)后再次統(tǒng)計枝條上油茶果和花苞數(shù)量，若出現(xiàn)樹枝折斷，將折斷枝上的花苞個數(shù)計入花苞損傷率。

圖9 油茶果采摘試驗現(xiàn)場Fig.9 Test field of camellia fruit picking

3.3 油茶果采凈率與花苞損傷率計算

油茶果采凈率是指采摘油茶果時脫落油茶果個數(shù)占這棵樹總油茶果個數(shù)的比例，總油茶果個數(shù)等于采摘作業(yè)時油茶果脫落個數(shù)和未脫落個數(shù)之和。采凈率計算公式為

(29)

式中P——油茶果采凈率，%

ω1——采摘時油茶果脫落個數(shù)

ω2——采摘時未脫落油茶果個數(shù)

采摘機(jī)在工作過程中同時要避免損傷花苞。采摘作業(yè)前統(tǒng)計油茶樹上花苞總數(shù)，作業(yè)后統(tǒng)計花苞的脫落個數(shù)?；ò鷵p傷率計算公式為

(30)

式中Q——花苞損傷率，%

f1——采摘作業(yè)后花苞的脫落個數(shù)

f2——采摘作業(yè)前花苞的總數(shù)

3.4 結(jié)果與討論

采摘機(jī)作業(yè)后效果如圖10所示，正交試驗結(jié)果如表1所示。由表1可知，影響油茶果采凈率和花苞損傷率的主要因素是電機(jī)輸出頻率B，即采摘頭的振動頻率，頻率越高油茶果采凈率也越高，但是花苞損傷率也隨之增加；其次是采摘頭振幅C，振幅越大，油茶果采凈率也越高，同時花苞損傷率也會增加；對油茶果采凈率和花苞損傷率影響較小的因素是采摘爪夾持位置D和采摘裝置采摘時間A。

圖10 采摘機(jī)作業(yè)后效果Fig.10 Effect after picking machine operation

表1 正交試驗結(jié)果Tab.1 Orthogonal test results

由表1可以得出，油茶采摘的最佳工作參數(shù)組合是A2B3C3D3，即采摘裝置的采摘時間為10 s(A2)、電機(jī)輸出頻率為35 Hz(B3)、采摘頭振幅為5 cm(C3)及采摘爪的夾持位置在10～20 cm之間(D3)。試驗時油茶果采凈率最高，為95.2%，此時花苞損傷率為17.2%。根據(jù)前期調(diào)研，人工采摘花苞損傷率在30%左右，因此該采摘方案的花苞損傷率遠(yuǎn)低于人工采摘損傷，且油茶果采凈率達(dá)到95.2%，該采摘方式可行。

在試驗過程中，樹枝有輕微磨損，如圖11所示。樹枝基本不會折斷，且油茶枝在種植的過程中每年都需要修剪，以保證油茶樹的開花與座果率，因此該機(jī)械采摘對枝條的損傷基本符合采摘要求。由于該裝置仍處于試驗階段，離真正油茶果機(jī)械化采摘尚有一定差距，花苞損傷率需要繼續(xù)降低，需進(jìn)一步優(yōu)化作業(yè)參數(shù)，優(yōu)化夾持材料，本文的作業(yè)參數(shù)組合為進(jìn)一步優(yōu)化提供了參考。

圖11 采摘機(jī)作業(yè)后枝條磨損情況Fig.11 Branch wear after picking machine operation

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一款搖枝式油茶果采摘機(jī)，該采摘機(jī)采摘裝置中采摘頭的振幅為3.5、4、5 cm，可調(diào)；電機(jī)輸出頻率20～40 Hz，可調(diào)。

(2)采摘頭夾持油茶枝時最大壓力為2 826 N，振動對樹枝產(chǎn)生的徑向力約為57.5 N、法向力約為78.2 N，該裝置夾持和振動均不會對枝條造成損傷。承載主要載荷的橫梁架彎曲變形為0.000 5 mm，遠(yuǎn)小于橫梁架的最大許用彎曲撓度，橫梁架安全可靠。

(3)對油茶果采凈率和花苞損傷率影響最大的因素是電機(jī)輸出頻率B，即采摘頭振動頻率，其次是采摘頭振幅C，影響較小的因素是采摘爪夾持位置D和采摘裝置采摘時間A。

(4)采摘機(jī)最佳作業(yè)參數(shù)組合為：采摘裝置的采摘時間10 s、電機(jī)輸出頻率35 Hz、采摘頭振幅5 cm及采摘爪夾持位置10～20 cm，此時油茶果采凈率為95.2%，花苞損傷率為17.2%。