扭梳式油茶果采摘末端執(zhí)行器設(shè)計與試驗(yàn)

伍德林 袁嘉豪 李 超 姜 山 丁 達(dá) 曹成茂

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

0 引言

油茶是我國獨(dú)有的油料物種，與橄欖、椰子、油棕并稱世界四大木本油料作物[1]。油茶具有極高的營養(yǎng)價值和經(jīng)濟(jì)價值，目前我國油茶種植面積已達(dá)5.33×106hm2[2]。但油茶果采摘主要依靠人工，采摘效率低、勞動強(qiáng)度大、成本高，而油茶果適采周期又短，因此限制了油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3]。

目前，國外林果采摘技術(shù)發(fā)展較為成熟，已研制了針對蘋果、橄欖、獼猴桃、柑橘、櫻桃等林果的振動采摘裝置和機(jī)器人采摘裝置[4-8]。為解決我國機(jī)械化采摘林果問題，王克奇等[9]研制了一種擊打式松果采摘機(jī)器人，采用旋轉(zhuǎn)擊打的方式實(shí)現(xiàn)松果采摘。劉曉敏等[10]設(shè)計了2種規(guī)格帶有回轉(zhuǎn)腕部功能的多自由度3指采摘柔性手爪，通過腕部旋扭分離方式完成采摘。王榮炎等[11]設(shè)計了一種小型梳齒往復(fù)式杭白菊采摘裝置，利用梳齒梳脫和輥刷清掃作用以及曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性實(shí)現(xiàn)杭白菊的采收。這些采摘裝置對生長在丘陵山地、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜的油茶采摘并不適用[12]。

針對油茶果機(jī)械化采摘問題，國內(nèi)學(xué)者設(shè)計了不同類型和不同采摘方式的油茶果采摘裝備，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。高自成等[13]研制了齒梳式油茶果采摘機(jī)，利用回轉(zhuǎn)梳齒時對油茶果產(chǎn)生的剪切力實(shí)現(xiàn)采摘，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該采摘方式的可行性。羅時挺等[14]研制了一種齒梳撥刀式油茶果采摘裝置，通過撥刀對油茶果產(chǎn)生拉力實(shí)現(xiàn)油茶果采摘，并通過試驗(yàn)證明，該裝置能有效減少花苞損傷，但仍存在對枝條花苞的損傷。饒洪輝等[15]設(shè)計了一種電動膠輥旋轉(zhuǎn)式油茶果采摘裝置，通過上下膠輥對油茶果進(jìn)行撞擊，膠輥對油茶果產(chǎn)生的拉力大于油茶果結(jié)合力，從而實(shí)現(xiàn)采摘，試驗(yàn)表明，采摘效率較好，但膠輥?zhàn)饔脮r對枝條作用面積較大，因此對枝條的損傷較大。饒洪輝等[16]為提高電動膠輥采摘效率，設(shè)計了一種液壓驅(qū)動式油茶果采摘機(jī)，試驗(yàn)表明，與電動膠輥采摘相比，其采摘效率提高了80%。高自成等[17]設(shè)計了一種懸掛振動式油茶果采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過對果樹主干施加機(jī)械振動，對油茶果產(chǎn)生的慣性力大于油茶果結(jié)合力，從而實(shí)現(xiàn)采摘，試驗(yàn)表明，在特定的頻率和高度振動時，落果率較高、落花率較低，但對樹體的損傷較大。伍德林等[18]研制一款搖枝式油茶果采摘裝置，通過對枝條激振，從而實(shí)現(xiàn)油茶果的脫落，試驗(yàn)表明，在最佳參數(shù)組合下，油茶果采凈率較高、花苞損傷率較低，但由于花苞結(jié)合力小于油茶果結(jié)合力，激振仍對花苞產(chǎn)生一定影響。

目前，國內(nèi)關(guān)于油茶果采摘裝置的研究仍處于試驗(yàn)階段，主要存在對花苞、枝條損傷大的問題，因此末端執(zhí)行器的設(shè)計至關(guān)重要。目前研制的油茶果采摘末端執(zhí)行器采用的激振、齒梳式或膠輥旋轉(zhuǎn)式采摘方式均局限于單一作用力進(jìn)行油茶果采摘。由于油茶果花果同期、油茶果結(jié)合力大于花苞結(jié)合力的特性[19-20]，導(dǎo)致單一作用力無法避免油茶果漏采以及對油茶花苞、枝葉產(chǎn)生損傷的現(xiàn)象。根據(jù)油茶果結(jié)合力特性，本文提出一種扭梳式油茶果采摘末端執(zhí)行器，通過扭轉(zhuǎn)、梳脫和反向扭轉(zhuǎn)的復(fù)合作用方式，以期減小油茶樹枝條、花葉的損傷和脫落。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

扭梳式油茶果采摘裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由扭梳式末端執(zhí)行器、伸縮裝置、升降裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、傳輸裝置、電控箱、履帶式移動底盤組成，末端執(zhí)行器通過連接架連接在伸縮裝置的伸縮液壓缸的最前端。

1.2 工作原理

采摘作業(yè)時，通過移動整機(jī)和旋轉(zhuǎn)裝置將末端執(zhí)行器移動到油茶樹最右側(cè)，通過控制系統(tǒng)啟動電機(jī)轉(zhuǎn)動絲杠，將兩邊扭梳組件遠(yuǎn)離至合適位置，通過升降裝置將末端執(zhí)行器移動到合適高度，啟動電機(jī)，通過鏈輪鏈條調(diào)整末端執(zhí)行器角度，以便其順利伸進(jìn)有果枝條中，通過伸縮裝置將末端執(zhí)行器移動插入樹冠中，啟動電機(jī)，反向轉(zhuǎn)動絲杠，使扭梳組件靠近，夾持有果樹枝至合適位置，通過控制系統(tǒng)控制電機(jī)帶動鏈輪鏈條使整個扭梳組件在0°～48°范圍內(nèi)往返轉(zhuǎn)動，同時控制系統(tǒng)啟動電機(jī)帶動梳輥組件在0°～48°往返轉(zhuǎn)動，作用一段時間后，扭梳組件轉(zhuǎn)動到最大角度時，松開夾持的枝條，此時由于枝條具有韌性，會進(jìn)行反轉(zhuǎn)，從而使得果實(shí)產(chǎn)生慣性力脫落。在扭梳組件轉(zhuǎn)動的過程中，對油茶果產(chǎn)生了扭力和剪力，梳輥轉(zhuǎn)動的過程中梳齒對油茶果產(chǎn)生撞擊力、剪力、扭轉(zhuǎn)力，扭梳組件松開枝條時，枝條回彈，弛豫過程中，在恢復(fù)力的作用下，油茶果產(chǎn)生慣性力。在多種力的復(fù)合作用下使油茶果脫落，完成采摘，保證了落果率，同時由于扭齒間距和梳齒間距都很大，很難作用到花苞，因此幾乎不會對花苞產(chǎn)生損傷，同時扭爪轉(zhuǎn)動角在0°～48°以及梳輥轉(zhuǎn)動角在0°～48°，由于樹枝具有柔性體特征，因此樹枝基本沒有損傷。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計和油茶果脫落因素分析

2.1 末端執(zhí)行器三維模型

末端執(zhí)行器主要由扭梳組件和梳輥組件構(gòu)成，其中扭梳組件由轉(zhuǎn)動軸、絲杠支座、雙向絲杠、扭齒、鏈輪鏈條組成，梳輥組件由梳輥軸、軸承、梳齒組成，其三維模型如圖2所示。

扭齒固定連接在梳輥支座上，梳輥支座通過螺栓固定連接在螺母連接座上，螺母連接座滑動連接在雙向絲杠上，雙向絲杠兩端安裝軸承，軸承通過軸承蓋固定連接在絲杠支座上，絲杠驅(qū)動電機(jī)通過聯(lián)軸器和絲杠的一端固定連接。梳齒均勻分布在梳輥上，梳輥組件通過軸承、軸承端蓋安裝在梳輥支座上，梳輥驅(qū)動電機(jī)通過聯(lián)軸器與梳輥軸的一端固定連接。扭齒間距為50 mm，梳齒上下間距70 mm，一圈分布8排，左右排相互錯開。

2.2 扭梳組件作用原理分析

扭梳組件對油茶果的作用原理如圖3所示。扭梳組件對油茶果有3種作用形式：扭齒單獨(dú)作用(圖3b)、梳齒單獨(dú)作用(圖3c)、扭齒和梳齒同時作用(圖3d)。

2.3 梳輥組件參數(shù)設(shè)計

采摘作業(yè)時，梳齒間密度以及排布方式直接影響油茶果漏采率，同時梳齒間密度過大或者排布方式不合理，作業(yè)時會造成樹枝損傷。測量6年樹齡長林4號、長林40號、長林53號以及7年樹齡湘林210號共4個品種多組油茶果的直徑，得出最大直徑為50.55 mm，最小直徑為23.53 mm，平均直徑為36.043 mm，為保證作用到盡可能多的油茶果，同時盡可能減小對樹枝的損傷，確定梳齒長度為30 mm，梳輥半徑為30 mm，梳齒間距離為70 mm，一圈分布8排，分布形式如圖4所示。這樣既可以得到較大的梳齒間距，保證作業(yè)時樹枝有足夠的空間從而減小損傷，同時保證了油茶果不會從梳齒間直接穿過。

2.4 扭梳組件參數(shù)設(shè)計

為保證扭轉(zhuǎn)時作用盡可能多的油茶果，同時油茶果脫落后不會卡在扭齒之間，扭齒間距為50 mm，同時為防止油茶果卡在梳輥和梳輥支座中間，梳輥中心軸距離梳輥支座為80 mm。在采摘裝置作業(yè)時，雙向絲杠長度決定單次作業(yè)范圍，單次作業(yè)范圍越大，采摘效率越高，但同時會存在夾抱枝條內(nèi)部油茶果作用不到，根據(jù)油茶樹枝條冠徑，確定絲杠單邊行程為0～200 mm。

2.5 油茶果脫落影響因素分析

為了方便分析扭梳采摘油茶果原理，將采摘過程分為扭齒作用、梳齒作用、扭齒和梳齒同時作用、枝條弛豫4個過程。

2.5.1扭齒單獨(dú)作用

扭齒與油茶果相互作用力主要由與油茶果碰撞時的正壓力和摩擦力組成，本文將扭齒與油茶果的作用形式簡化成圖5所示的模型。圖5中扭齒與油茶果的接觸點(diǎn)B的位置隨著作用位置的改變在油茶果上移動，O1為扭齒的旋轉(zhuǎn)中心，O2為點(diǎn)B投影到油茶果中心軸上的點(diǎn)。

當(dāng)扭梳組件以角速度ω3勻速轉(zhuǎn)動時，扭齒上B點(diǎn)的速度vB為

vB=ω3R2

(1)

式中R2——點(diǎn)B到旋轉(zhuǎn)中心O1的距離，m

由于扭梳組件勻速轉(zhuǎn)動，此時點(diǎn)B的切向加速度aBn=0，法向加速度aBt為

(2)

此時點(diǎn)B所受的力FB為

(3)

式中M1——扭梳組件質(zhì)量，kg

因此油茶果受到的扭齒壓力Fn1為

(4)

式中α2——線BO1和線BO2的夾角，(°)

油茶果所受的摩擦力Ff1為

(5)

式中μ1——扭齒與油茶果的摩擦因數(shù)

當(dāng)油茶果相對樹枝沒有產(chǎn)生位移時，油茶果受力平衡，可得

(6)

式中MA——油茶果結(jié)合力的抗扭力，N·m

L2——點(diǎn)B到油茶果中心軸的距離，m

Fx——油茶果x方向結(jié)合力，N

Fy——油茶果y方向結(jié)合力，N

當(dāng)油茶果產(chǎn)生位移時，由油茶果受力可知，油茶果會發(fā)生繞點(diǎn)A轉(zhuǎn)動以及繞z軸轉(zhuǎn)動。FA為油茶果x方向和y方向結(jié)合力的合力，油茶果可視為實(shí)心球體，當(dāng)油茶果繞點(diǎn)A轉(zhuǎn)動時，油茶果的轉(zhuǎn)動慣量J1為

(7)

式中m——油茶果質(zhì)量，kg

r——油茶果半徑，m

當(dāng)油茶果繞z軸轉(zhuǎn)動時，油茶果的轉(zhuǎn)動慣量J2為

(8)

此時，由轉(zhuǎn)動定律可知

(9)

式中ω4——油茶果繞點(diǎn)A轉(zhuǎn)動角速度，rad/s

L1——點(diǎn)O2到點(diǎn)A的距離，m

t——時間，s

ω5——油茶果繞z軸轉(zhuǎn)動角速度，rad/s

隨著油茶果轉(zhuǎn)動角逐漸增大，果柄連接處發(fā)生斷裂，油茶果脫落。當(dāng)α1越小，作用點(diǎn)B到旋轉(zhuǎn)中心的距離R2越大，油茶果受到扭齒壓力Fn1越大。由式(3)～(6)、(9)可以看出，影響油茶果脫落的主要因素是扭梳組件轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動角以及油茶果抗剪力和抗扭力。

2.5.2梳齒單獨(dú)作用

梳齒作用在油茶果上時，在撞擊的一瞬間對油茶果產(chǎn)生撞擊力，若油茶果未脫落，梳齒繼續(xù)作用在油茶果上，主要對油茶果產(chǎn)生正壓力和摩擦力，對油茶果產(chǎn)生剪切以及扭轉(zhuǎn)作用，右梳輥?zhàn)饔糜筒韫问胶喕蓤D6所示模型。圖中點(diǎn)C為梳齒與油茶果的接觸點(diǎn)，R3為點(diǎn)C到旋轉(zhuǎn)中心的距離，R3隨著作用位置的改變而改變。

當(dāng)梳輥以角速度ω2勻速轉(zhuǎn)動時，梳齒上點(diǎn)C速度vC為

vC=ω2R3

(10)

由于梳輥勻速轉(zhuǎn)動，此時點(diǎn)C切向加速度aCn=0，法向加速度aCt為

(11)

此時點(diǎn)C所受力FC為

(12)

式中M2——梳輥質(zhì)量，kg

因此油茶果受到的梳齒壓力Fn2為

(13)

式中α3——FC方向與線O2C的夾角，(°)

梳齒對油茶果摩擦力Ff2為

(14)

式中μ2——梳齒與油茶果的摩擦因數(shù)

當(dāng)油茶果相對樹枝沒有發(fā)生位移時，油茶果受力平衡，可得

(15)

式中L4——點(diǎn)C到油茶果中心軸的距離，m

當(dāng)油茶果發(fā)生位移時，由油茶果受力可知，油茶果會產(chǎn)生繞點(diǎn)A轉(zhuǎn)動以及繞z軸轉(zhuǎn)動，如圖3c所示。油茶果可視為實(shí)心球體，當(dāng)油茶果繞點(diǎn)A轉(zhuǎn)動時，油茶果轉(zhuǎn)動慣量為J1，當(dāng)油茶果繞z軸轉(zhuǎn)動時，油茶果轉(zhuǎn)動慣量為J2。此時，由轉(zhuǎn)動定律可知

(16)

式中L3——點(diǎn)O2到點(diǎn)A距離，m

隨著油茶果轉(zhuǎn)動角逐漸增大，果柄連接處產(chǎn)生斷裂，油茶果脫落。由式(13)～(16)可以看出影響油茶果脫落的主要因素為梳輥轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動角以及油茶果抗剪力和抗扭力。

2.5.3扭齒和梳齒同時作用

當(dāng)梳齒和扭齒同時作用在油茶果時，油茶果受力簡化成圖7所示模型。

扭齒和梳齒同時作用在油茶果上時，梳輥以角速度ω2勻速轉(zhuǎn)動，扭梳組件以角速度ω3勻速轉(zhuǎn)動，油茶果受到扭齒和梳齒壓力的合力Fn3為

(17)

式中θ——Fn1、Fn2在水平方向的夾角

油茶果所受的摩擦力Ff3為扭齒和梳齒對油茶果摩擦力Ff1、Ff2的合力，計算式為

(18)

當(dāng)油茶果相對樹枝沒有產(chǎn)生位移時，油茶果受力平衡，可得

(19)

當(dāng)油茶果產(chǎn)生位移時，由油茶果受力可知，油茶果會產(chǎn)生繞點(diǎn)A轉(zhuǎn)動以及繞過點(diǎn)A和點(diǎn)O2的軸轉(zhuǎn)動。油茶果可視為實(shí)心球體，當(dāng)油茶果繞點(diǎn)A轉(zhuǎn)動時，油茶果轉(zhuǎn)動慣量為J1，當(dāng)油茶果繞z軸轉(zhuǎn)動時，油茶果轉(zhuǎn)動慣量為J2。此時，由轉(zhuǎn)動定律可知

(20)

隨著油茶果轉(zhuǎn)動角逐漸增大，果柄連接處產(chǎn)生斷裂，油茶果脫落。由式(17)～(20)可以看出，影響油茶果脫落的主要因素為扭梳組件和梳輥轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動角以及油茶果抗剪力和抗扭力。

2.5.4枝條弛豫

當(dāng)枝條被扭轉(zhuǎn)到最大角度時，根據(jù)胡克定律可知，作用在枝條上的剪切力τ為

(21)

式中G——扭轉(zhuǎn)模量，MPa

γ——相對扭轉(zhuǎn)角，(°)

φ——枝條扭轉(zhuǎn)角，(°)

r1——枝條半徑，m

l——枝條長度，m

末端執(zhí)行器松開所夾持枝條，此時枝條若未達(dá)到彈性極限，在其內(nèi)部的恢復(fù)力作用下恢復(fù)到原本的狀態(tài)，該過程為枝條的弛豫過程。在這一過程中，最初恢復(fù)力等于作用在枝條上的剪切力τ。油茶果運(yùn)動狀態(tài)也隨著枝條運(yùn)動狀態(tài)的改變而改變。當(dāng)油茶果產(chǎn)生的慣性力大于果柄結(jié)合力時，油茶果脫落。因此油茶果是否能脫落主要由松弛前作用在枝條上的最大剪切力τ決定。根據(jù)式(21)可知，枝條上最大剪切力τ主要由枝條扭轉(zhuǎn)模量、枝條相對扭轉(zhuǎn)角以及旋轉(zhuǎn)枝條長度決定。枝條相對扭轉(zhuǎn)角主要由末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)的最大角度決定。因此油茶果脫落主要影響因素有枝條扭轉(zhuǎn)模量、末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)最大角、旋轉(zhuǎn)枝條長度。

綜上可知，影響油茶果脫落的因素有扭梳組件和梳輥轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動角以及油茶果抗剪力和抗扭力、枝條扭轉(zhuǎn)模量、旋轉(zhuǎn)枝條長度。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)由硬件部分與軟件部分組成，硬件包括以STM32開發(fā)板為核心的控制器、霍爾位置傳感器、觸摸屏以及電動機(jī)驅(qū)動器，軟件通過LabVIEW對控制程序進(jìn)行編寫、下載及調(diào)試?？刂葡到y(tǒng)由兩個電源模塊供電，傳感器、單片機(jī)及電機(jī)驅(qū)動器控制信號電壓為5 V，電動機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電壓為24 V。整個控制系統(tǒng)采用末端控制原理,由STM32開發(fā)板獲取傳感器數(shù)據(jù)，處理后將方向信號、脈沖數(shù)和脈沖頻率傳輸給電機(jī)驅(qū)動器，從而實(shí)現(xiàn)對末端執(zhí)行器動作的有序控制。圖8為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

NJK-8002C型霍爾位置傳感器有兩對，一對安裝在絲杠支座一邊，與電機(jī)連接架外側(cè)同一邊，用于檢測絲杠上電機(jī)連接架張開達(dá)到最大位置及復(fù)位，防止超出量程；一對安裝在電機(jī)連接架內(nèi)側(cè)兩邊，用于檢測電機(jī)連接架內(nèi)側(cè)兩邊夾持達(dá)到試驗(yàn)最小位置及復(fù)位，試驗(yàn)確定了電機(jī)連接架內(nèi)側(cè)兩邊夾持達(dá)到試驗(yàn)最小位置10～50 mm時可安全有效夾緊樹枝。

3個K25R-C2-GN-XG型異步電機(jī)和1個CH/V-750-S型三相異步減速電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力源，分別完成接近動作、抓持動作及旋轉(zhuǎn)動作。1個K25R-C2-GN-XG型異步電機(jī)用于控制絲杠上電機(jī)連接架運(yùn)動位置及夾緊距離，2個K25R-C2-GN-XG型異步電機(jī)用于控制梳輥反向旋轉(zhuǎn)48°后正向旋轉(zhuǎn)48°循環(huán)往復(fù)；CH/V-750-S型三相異步減速電機(jī)用于末端執(zhí)行裝置整體正向轉(zhuǎn)動48°，反向轉(zhuǎn)動48°，從而實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)動作。整體動作使用的變頻驅(qū)動器有3個，型號均為AE200H，用于驅(qū)動電機(jī)按需動作。

控制系統(tǒng)軟件部分基于LabVIEW平臺開發(fā)，軟件控制流程如圖9所示，實(shí)現(xiàn)控制扭梳式末端執(zhí)行裝置的按需動作、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)顯示及人機(jī)交互。

4 油茶特性試驗(yàn)

目前，油茶主要種植于丘陵山地地區(qū)，采用適合機(jī)械化作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的油茶栽培模式[21]。本文試驗(yàn)的油茶樹品種為湖南省永州市里灣基地主要種植的油茶良種品系。

4.1 油茶果結(jié)合力分析

4.1.1試驗(yàn)設(shè)備

采用HP-50型VICTOR數(shù)顯式推拉力計測量果實(shí)的抗拉力和抗剪力，最大負(fù)荷為50 N，精度為0.01 N，誤差為0.05%，用其峰值保持功能記錄瞬時抗拉力和抗剪力。果實(shí)質(zhì)量測量使用友恒電子天平，最大量程300 g，精度為0.01 g。采用HP-10型安瑞特扭力測試儀測量果實(shí)的抗扭力矩，最大負(fù)荷為10 N·m，精度為0.001 N·m。采用游標(biāo)卡尺(分度值為0.02 mm)對果實(shí)尺寸進(jìn)行測量。

4.1.2試驗(yàn)方法

針對6年樹齡長林4號、長林40號、長林53號以及7年樹齡湘林210號共4個品種，隨機(jī)抽取20顆油茶果為1組進(jìn)行抗拉力測試，隨機(jī)抽取20顆油茶果為1組進(jìn)行抗剪力測試，隨機(jī)抽取20顆油茶果為1組進(jìn)行抗扭力矩測試，為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，每次測試進(jìn)行3組。

(1)抗拉力測試

將油茶果所在的側(cè)枝固定，再將油茶果固定在推拉計的夾具上，保證夾具與果柄保持一條直線，勻速緩慢拉動推拉力計，直至油茶果脫落，如圖10a所示，記錄測試的峰值數(shù)據(jù)。

(2)抗剪力測試

將油茶果所在的側(cè)枝和油茶果固定，再將推拉力計配套的鉤子鉤住果柄，保證鉤子與果柄保持垂直，勻速緩慢拉動推拉力計，直至果實(shí)脫落，如圖10b所示，記錄測試的峰值數(shù)據(jù)。

(3)抗扭力矩測試

將油茶果固定在夾具上，再將夾具固定在安瑞特扭力測試儀，如圖11所示，勻速緩慢轉(zhuǎn)動與油茶果相連的側(cè)枝，直至側(cè)枝與油茶果分離，記錄扭力測試儀上的峰值數(shù)據(jù)。

(4)油茶果質(zhì)量與尺寸測量

將進(jìn)行過抗拉力、抗剪力、抗扭力矩測量的油茶果去掉果柄后，用電子天平測量其質(zhì)量，游標(biāo)卡尺測量其最大直徑，并對應(yīng)記錄質(zhì)量和直徑。

4.1.3結(jié)果和分析

油茶的生物特性相差較大，經(jīng)過多次重復(fù)測試后，其抗拉力、抗剪力、抗扭力矩的數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布，剔去較大誤差，取剔除后數(shù)據(jù)作為依據(jù)，得到長林4號、長林40號、長林53號、湘林210號油茶果抗拉力、抗剪力、抗扭力矩結(jié)果箱型圖，如圖12所示。

由圖12a可知，湘林210號抗拉力最大值為26.61 N，最小值為11.14 N。長林4號抗拉力最大值為18.18 N，最小值為8.38 N。長林40號抗拉力最大值為21.79 N，最小值為9.27 N。長林53號抗拉力最大值為27.04 N，最小值為17.45 N。

由圖12b可知，湘林210號抗剪力最大值為17.87 N，最小值為11.32 N。長林4號抗剪力最大值為11.45 N，最小值為5.27 N。長林40號抗剪力最大值為15.37 N，最小值為6.17 N。長林53號抗剪力最大值為15.11 N，最小值為8.42 N。

由圖12c可知，湘林210號抗扭力矩最大值為0.041 N·m，最小值為0.018 N·m。 長林4號抗剪力最大值為0.023 N·m，最小值為0.008 N·m。長林40號抗剪力最大值為0.031 N·m，最小值為0.009 N·m。長林53號抗剪力最大值為0.031 N·m，最小值為0.014 N·m。

同品種油茶抗拉力、抗剪力、抗扭力矩差異較大，不同品種之間結(jié)合力差異同樣較大，但抗拉力主要集中在10～25 N之間，抗剪力主要集中在5～15 N之間，抗扭力矩主要集中在0.015～0.030 N·m之間。由此可知油茶果抗拉力遠(yuǎn)大于抗剪力以及抗扭力矩。

長林4號、長林40號、長林53號、湘林210號油茶果質(zhì)量和直徑箱型圖，如圖13所示。

由圖13a可知，湘林210號油茶果最大質(zhì)量為64.6 g，最大直徑為51.52 mm，最小質(zhì)量為25.8 g，最小直徑為40.12 mm。長林4號油茶果最大質(zhì)量為26.6 g，最大直徑為34.71 mm，最小質(zhì)量為11.0 g，最小直徑為24.84 mm。長林40號油茶果最大質(zhì)量為23.2 g，最大直徑為36.01 mm，最小質(zhì)量為10.4 g，最小直徑為24.13 mm。長林53號油茶果最大質(zhì)量為43.2 g，最大直徑為46.01 mm，最小質(zhì)量為20.6 g，最小直徑為34.60 mm。

可知不同品種油茶果大小相差較大，湘林210號油茶果是4個品種里最大的，其自身大小差異也比較大，長林53號油茶果大小略小于湘林210號，長林4號和長林40號油茶果大小差異較小，遠(yuǎn)小于長林53號油茶果。

4.2 油茶枝條扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

4.2.1試驗(yàn)設(shè)備和材料

采用美特斯SANS微機(jī)控制電子扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)測定6年樹齡長林4號、長林40號、長林53號以及7年樹齡湘林210號掛果枝條在扭轉(zhuǎn)力偶作用下受力和變形量的關(guān)系，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)型號為CTT1103，最大扭矩為1 000 N·m，電壓220 V，功率0.75 kW，準(zhǔn)確度等級為1級，游標(biāo)卡尺(分度值為0.02 mm)測量枝條直徑、標(biāo)距。

4.2.2試驗(yàn)方法

隨機(jī)剪取長林4號、長林40號、長林53號以及湘林210號不同生長區(qū)域掛果枝條多根。去除枝條上的葉子、花苞、油茶果和葉鞘，只留下枝條部位，截取合適的枝條長度，將節(jié)間作為枝條兩頭[22]。枝條兩頭節(jié)間稍微削平，以保證試驗(yàn)機(jī)可以夾緊枝條。將枝條兩端用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)配合特制夾具夾緊，測量直徑和標(biāo)距，打開試驗(yàn)程序，輸入直徑和標(biāo)距，啟動機(jī)器勻速轉(zhuǎn)動，當(dāng)枝條斷裂，機(jī)器自動停止運(yùn)行，生成試驗(yàn)報告。

4.2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖14為不同枝條扭矩扭角關(guān)系曲線，長林4號枝條直徑為5.13 mm，標(biāo)距為10.1 cm，長林40號直徑為7.35 mm，標(biāo)距為15.4 cm，長林53號直徑為6.92 mm，標(biāo)距為10.8 cm，湘林210號直徑為8.02 mm，標(biāo)距為17.6 cm。

由圖14可知，枝條扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時，隨著扭角的不斷增大，枝條承受的扭矩增大，枝條能承受的最大扭矩在峰值處。另外，剛開始時斜率較大呈線性，扭角與扭矩成正比，為彈性變形階段，枝條產(chǎn)生屈服效應(yīng)。屈服階段結(jié)束后，斜率開始下降，扭矩繼續(xù)增大，此時枝條產(chǎn)生不均勻塑性變形，到達(dá)最高點(diǎn)時枝條斷裂。

扭轉(zhuǎn)模量G計算式為

(22)

(23)

式中MP——枝條試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的扭矩，N·m

IP——極慣性矩，mm4

d——枝條直徑，mm

L0——枝條標(biāo)距，mm

扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度τs計算式為

(24)

式中WP——枝條扭轉(zhuǎn)系數(shù)

扭轉(zhuǎn)剛度θ計算式為

(25)

由圖14a可知，長林4號枝條發(fā)生彈性變形時扭角為0.227 63°，扭矩為0.099 25 N·m，彈性段終點(diǎn)扭角為28.667 58°，扭矩為0.166 64 N·m，發(fā)生斷裂時扭角為256.892 94°，扭矩最大值為0.307 54 N·m。計算可知，長林4號扭轉(zhuǎn)模量G=3.52 MPa，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度τs=11.60 MPa，扭轉(zhuǎn)剛度θ=1.28×103rad/m。

由圖14b可知，長林40號枝條發(fā)生彈性變形時的扭角為0.113 9°，扭矩為0.105 37 N·m，彈性段終點(diǎn)扭角為37.447 62°，扭矩為0.576 48 N·m，發(fā)生斷裂時扭角為117.556 11°，扭矩最大值為0.871 77 N·m。計算可知，長林40號扭轉(zhuǎn)模量G=6.79 MPa，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度τs=11.19 MPa，扭轉(zhuǎn)剛度θ=4.49×102rad/m。

由圖14c可知，長林53號枝條產(chǎn)生彈性變形時扭角為0.102 2°，扭矩為0.102 31 N·m，彈性段終點(diǎn)扭角為35.557 84°，扭矩為0.576 48 N·m，發(fā)生斷裂時扭角為106.887 44°，扭矩最大值為0.605 28 N·m。計算可知，長林53號扭轉(zhuǎn)模量G=3.57 MPa，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度τs=9.27 MPa，扭轉(zhuǎn)剛度θ=7.54×102rad/m。

由圖14d可知，湘林210號枝條發(fā)生彈性變形時扭角為0.110 5°，扭矩為0.105 79 N·m，彈性段終點(diǎn)扭角為26.553 49°，扭矩為0.253 02 N·m，發(fā)生斷裂時扭角為232.892 18°，扭矩最大值為0.637 75 N·m。計算可知，湘林210號扭轉(zhuǎn)模量G=2.41 MPa，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度τs= 6.30 MPa，扭轉(zhuǎn)剛度θ=6.52×102rad/m。

由圖14可知，不同品種油茶枝條扭轉(zhuǎn)模量在2～7 MPa之間，不同品種的油茶枝條彈性段終點(diǎn)基本集中在25°～40°之間，但扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)在扭矩未超過0.1 N·m時沒有記錄枝條扭轉(zhuǎn)角，因此彈性段開始前，枝條已經(jīng)轉(zhuǎn)動一定角度，枝條一旦扭轉(zhuǎn)超過極限角，會產(chǎn)生不均勻塑性變形，受到損傷，無法恢復(fù)，為保證枝條不發(fā)生損傷，在作業(yè)時枝條扭轉(zhuǎn)角不得超過50°，而轉(zhuǎn)動角越大，油茶果越容易脫離，因此確定扭梳組件和梳輥轉(zhuǎn)動角為48°。

5 性能試驗(yàn)

5.1 整機(jī)試驗(yàn)及評價指標(biāo)

2020年10月，選用長林53號油茶樹進(jìn)行整機(jī)性能試驗(yàn)，如圖15所示。整機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 采摘機(jī)主要作業(yè)參數(shù)Tab.1 Main operating parameters of picking machine

根據(jù)油茶果結(jié)合力，計算可知扭梳組件轉(zhuǎn)速不小于10 r/min，梳輥轉(zhuǎn)速不小于60 r/min，油茶果才會脫落。選取長勢相似的多棵油茶樹分別以不同扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、不同梳脫轉(zhuǎn)速以及作用時間進(jìn)行采摘性能試驗(yàn)。

以采凈率以及花苞損傷率作為評價指標(biāo)[23]。試驗(yàn)前夾持枝條上的總掛果數(shù)量為N1和花苞數(shù)為N2，試驗(yàn)后枝條上剩余的油茶果數(shù)量為N3和花苞數(shù)為N4。采凈率P1計算式為

(26)

花苞損傷率P2計算式為

(27)

5.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.2.1扭梳組件轉(zhuǎn)速的影響

在固定梳輥轉(zhuǎn)速為80 r/min，作業(yè)時間為10 s的工況下，進(jìn)行扭梳組件轉(zhuǎn)速的單因素試驗(yàn)，扭梳組件轉(zhuǎn)速分別為10、20、30、40、50 r/min，試驗(yàn)結(jié)果如圖16所示。

由圖16可知，隨著扭梳組件轉(zhuǎn)速的增加，采凈率、花苞損傷率逐漸升高。當(dāng)扭梳組件轉(zhuǎn)速增大，作用在油茶果上的力變大，油茶果更易脫落，枝條在弛豫過程中，油茶果產(chǎn)生的慣性力也更大，油茶果和花苞更容易脫落。當(dāng)扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)到40 r/min后采凈率變化很小，同時花苞損傷率明顯增高，因此扭梳組件轉(zhuǎn)速在25～35 r/min采摘性能較優(yōu)。

5.2.2梳輥轉(zhuǎn)速的影響

在固定扭梳組件轉(zhuǎn)速為30 r/min，作業(yè)時間為10 s的工況下，進(jìn)行梳輥轉(zhuǎn)速的單因素試驗(yàn)，梳輥轉(zhuǎn)速分別為60、70、80、90、100 r/min，試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。

由圖17可知，隨著梳輥轉(zhuǎn)速的增加，采凈率、花苞損傷率逐漸升高。當(dāng)梳輥轉(zhuǎn)速增大，作用在油茶果上的力變大，同時梳輥對油茶枝條產(chǎn)生的激振作用隨著轉(zhuǎn)速的增大而加強(qiáng)，油茶果和花苞更易脫落。當(dāng)梳輥轉(zhuǎn)速達(dá)到90 r/min后，采凈率變化很小，同時花苞損傷率明顯增高，因此梳輥轉(zhuǎn)速在75～85 r/min采摘性能較優(yōu)。

5.2.3作業(yè)時間的影響

在固定扭梳組件轉(zhuǎn)速為30 r/min、梳輥轉(zhuǎn)速為80 r/min的工況下，進(jìn)行作業(yè)時間的單因素試驗(yàn)，作業(yè)時間分別為5、10、15、20、25 s，試驗(yàn)結(jié)果如圖18所示。

由圖18可知，隨著作業(yè)時間的增加，采凈率、花苞損傷率逐漸升高。主要是因作業(yè)時間的增加，采摘裝置傳遞到油茶枝條的能量隨之增加，油茶果和花苞更易脫落。當(dāng)作業(yè)時間達(dá)到15 s后，采凈率變化很小，同時花苞損傷率明顯增高，作業(yè)時間在8～12 s之間采摘性能較優(yōu)。

5.3 正交試驗(yàn)

為研究扭梳式油茶果采摘末端執(zhí)行器不同的作業(yè)參數(shù)組合對油茶果采凈率和花苞損傷率的影響，選取梳齒轉(zhuǎn)速、扭齒轉(zhuǎn)速、作業(yè)時間為參數(shù)變量，選取扭梳組件轉(zhuǎn)速為25～35 r/min、梳輥轉(zhuǎn)速為75～85 r/min、作業(yè)時間為8～12 s對長林53號油茶樹進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平如表2所示，正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表4為正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析，以油茶果采凈率作為評價指標(biāo)時，較優(yōu)水平為扭梳組件轉(zhuǎn)速A3(35 r/min)、梳輥轉(zhuǎn)速B3(85 r/min)、作業(yè)時間C3(12 s)，扭梳組件轉(zhuǎn)速對油茶果采凈率的影響最大，其次是作業(yè)時間，最后是梳輥轉(zhuǎn)速；以花苞損傷率作為評價指標(biāo)時，較優(yōu)水平為扭梳組件轉(zhuǎn)速A1(25 r/min)、梳輥轉(zhuǎn)速B2(80 r/min)、作業(yè)時間C1(8 s)，扭梳組件轉(zhuǎn)速對花苞損傷的影響最大，其次是作業(yè)時間，最后是梳輥轉(zhuǎn)速。

表2 正交試驗(yàn)因素水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal experiment

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of orthogonal test

表4 極差分析Tab.4 Range analysis

圖19為作業(yè)后效果圖。由于各試驗(yàn)因素對油茶果采凈率和花苞損傷率的較優(yōu)參數(shù)組合不一致，采用綜合評分法對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析[24]。油茶果采凈率隸屬度u1和花苞損傷率隸屬度u2計算公式為

(28)

式中S——指標(biāo)值

Smax——指標(biāo)最大值

Smin——指標(biāo)最小值

采收時首先保證較高的油茶果采凈率，其次保證較低的花苞損傷率，選取油茶果采凈率加權(quán)因子為0.6，花苞損傷率加權(quán)因子為0.4，綜合分?jǐn)?shù)u計算式為

u=0.6u1+0.4u2

(29)

計算結(jié)果如表5所示。

綜合分?jǐn)?shù)極差分析如表6所示。由表6可知，扭梳組件轉(zhuǎn)速對綜合分?jǐn)?shù)影響最大，其次是梳輥轉(zhuǎn)速，最后是作業(yè)時間。最優(yōu)工作參數(shù)組合為A3B3C3，即扭梳組件轉(zhuǎn)速為35 r/min、梳輥轉(zhuǎn)速為85 r/min、作業(yè)時間為12 s。

表6 綜合分?jǐn)?shù)極差分析 Tab.6 Range analysis of comprehensive scores

5.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

表7為油茶果采摘末端執(zhí)行器在最佳參數(shù)組合下驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，油茶果采凈率平均值為93.37%，花苞損傷率平均值為13.16%。

表7 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果 Tab.7 Results of verification test

6 結(jié)論

(1)設(shè)計了扭轉(zhuǎn)和梳脫相結(jié)合的油茶果采摘裝置，通過對油茶果產(chǎn)生多種作用力實(shí)現(xiàn)采摘，由于扭齒和梳齒間距較大，因此有效降低了對花苞的損傷。

(2)通過理論分析末端執(zhí)行器對油茶果的作用過程，得出影響油茶果脫落的主要因素為扭梳組件和梳輥轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動角及油茶果抗剪力和抗扭力矩、枝條扭轉(zhuǎn)模量。

(3)同品種油茶果的抗拉力、抗剪力、抗扭力矩差異較大，不同品種之間結(jié)合力差異同樣較大，抗拉力主要集中在10～25 N之間，抗剪力主要集中在5～15 N之間，抗扭力矩主要集中在0.015～0.030 N·m之間。油茶果抗拉力大于抗剪力，遠(yuǎn)大于抗扭力矩。不同品種油茶枝條扭轉(zhuǎn)模量在2～7 MPa之間，枝條扭轉(zhuǎn)不可超過50°。

(4)性能試驗(yàn)表明，扭梳式油茶采摘裝置在扭梳組件轉(zhuǎn)速為25～35 r/min、梳輥轉(zhuǎn)速為75～85 r/min、作業(yè)時間為10～20 s工況下的采凈率較高，花苞損傷率較低。通過正交試驗(yàn)得出，扭梳組件轉(zhuǎn)速對綜合分?jǐn)?shù)影響最大，其次是梳輥轉(zhuǎn)速、作業(yè)時間，最優(yōu)工作參數(shù)組合扭梳組件轉(zhuǎn)速35 r/min、梳輥轉(zhuǎn)速為85 r/min、作業(yè)時間12 s。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，最優(yōu)工作參數(shù)組合工況下的油茶果采凈率平均值為93.37%，花苞損傷率平均值為13.16%。