輕簡式油茶側(cè)枝夾持振動采摘裝置研究

摘要：針對油茶樹成林后立地條件復雜，采摘機械作業(yè)空間小，中、大型機械化采摘作業(yè)難等問題，基于油茶側(cè)枝水平夾持振動采摘工作原理，設計一種輕簡式油茶果側(cè)枝夾持振動采摘裝置。根據(jù)振動裝置采摘原理與試驗相結(jié)合的分析方法，建立油茶果振動力學模型，分析對油茶果采摘效果產(chǎn)生影響的主要因素。以樹枝直徑、激振機構(gòu)振幅、頻率為試驗因素，將油茶果采凈率和花苞損傷率作為試驗指標，開展油茶果振動采摘試驗。結(jié)果表明，激振機構(gòu)振動頻率對油茶果采凈率、花苞損傷率影響均為最顯著。當樹枝直徑為16 mm、激振機構(gòu)振幅為40 mm、振動頻率為16 Hz，對應的油茶果采凈率為85.70%，花苞損傷率為4.45%，采摘效果最佳，基本符合采摘要求。

關鍵詞：油茶果；振動采摘；振動力學模型；側(cè)枝夾持；輕簡式

中圖分類號：S225.93" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 10?0033?06

Research on vibration picking device for light and simple Camellia oleifera lateral branches

Tu Hengming1， Rao Honghui1， Li Tao1， Tong Jinjie1， 2， Wang Bangjin1， Liu Muhua1

（1. Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment， Jiangxi Agricultural University， Nanchang， 330045， China;

2. Jiangxi Institute of Science and Technology Information， Nanchang， 330046， China）

Abstract： Aiming at the problems such as" the complexity of ground conditions after the Camellia oleifera tree forest， the limited space for the picking machinery operation， and the challenges of medium and large?scale mechanized picking， a lightweight and simple Camellia oleifera fruit lateral branch clamping vibration picking device based on the working principle of horizontal clamping vibration picking of the Camellia oleifera lateral branches was designed. The mechanics model for Camellia oleifera fruit vibration was established by analyzing the main factors that affected the effectiveness of Camellia oleifera fruit picking， based on the vibration device picking principle and experimental analysis methods. The experiment tested the Camellia oleifera fruit picking rate and bract damage rate by using branch diameter， amplitude， and frequency of the vibration mechanism as test factors. The results showed that the vibration frequency of the vibration mechanism had the most significant impact on the Camellia oleifera fruit picking rate and bract damage rate. Specifically， when the branch diameter of 16 mm， amplitude of 40 mm， the vibration frequency of 16 Hz， corresponding to the Camellia oleifera fruit picking rate was 85.70%， bud damage rate of 4.45%， which was in line with the picking requirements.

Keywords： Camellia oleifera fruit; vibration picking; vibration mechanics model; side branch clamping; light and simple form

0 引言

油茶果是我國南方特有的木本使用油料，被世界糧農(nóng)組織優(yōu)選為健康食用油原料[1?3]，油茶籽產(chǎn)油率約為30%，油茶種植經(jīng)濟性良好，也可保護生態(tài)環(huán)境[4， 5]。茶油作為一種健康型食用油，在國內(nèi)外具有廣闊的發(fā)展空間[6]。茶油中含有多種有益于人體健康的不飽和脂肪酸以及一些活性和抗氧化成分，具有較好的保健效果[7?9]。然而，現(xiàn)有油茶的采摘大部分仍然依靠人工，勞動強度大，亟需可適應現(xiàn)有油茶林的采摘機械。

目前，國內(nèi)科研院所研制出了一系列油茶果采摘裝置。傅立強等[10]研制了履帶式油茶果采摘機，通過對油茶枝條進行夾持振動實現(xiàn)油茶果采摘，不會對油茶枝造成損傷且采摘效率較高，但機械體積較大，油茶林內(nèi)難以行進。李贊松等[11]研制了手自一體式核桃采摘機，可根據(jù)頻率信號對振動頻率調(diào)整，以達到合適振動頻率實現(xiàn)較好采摘效果，但整體質(zhì)量相對較大，人難以長時間工作。閆鋒欣等[12]研制的手持沖擊梳刷式油茶果采摘裝置，通過沖擊指的碰撞作用和指間梳刷作用采摘油茶果，可有效降低花苞損傷率，但需梳刷多次，采摘效率有待提高。

由以上可知，中、大型油茶果采收裝置能夠?qū)崿F(xiàn)較高的采摘效率，且盡量減少花苞損傷；但仍存在通過性較差、爬坡性能較低、可能對油茶樹產(chǎn)生損傷等問題。而便攜式采摘裝置相較于大型采收裝置更為輕便，能更好地適應山地丘陵油茶林，但需人工手持作業(yè)，難以長時間作業(yè)，且限于便攜性要求，執(zhí)行機構(gòu)所能提供的能量較小，采摘效率不高[13， 14]。因此，設計一種相對輕便且可穩(wěn)定長時間作業(yè)的油茶果采摘裝置，同時能夠適應各種種植復雜的油茶林地，對油茶果機械化采摘的大面積推廣具有重要意義。

1 油茶果生物特性研究與采摘理論分析

1.1 油茶果和花苞生物特性研究

振動采摘的基本原理是對油茶樹主干或樹枝施加激振力，當達到油茶果脫落所需能量時，油茶果由于所受到慣性力大于結(jié)合力脫落；同時利用油茶果和花苞的質(zhì)量和結(jié)合力等參數(shù)差異較大的特點，在保證大多數(shù)油茶果振落時盡量減少花苞脫落，以免影響來年產(chǎn)量。油茶果和花苞分離力以及質(zhì)量等參數(shù)作為影響油茶果脫落的關鍵因素，對以上參數(shù)進行測定，可為油茶果振動采摘裝置的設計提供重要參考。

為了獲取油茶生物特性參數(shù)，在贛州袁州區(qū)星火科技園進行了試驗，試驗對象為長林18號、長林40號和贛無1、贛無2兩個系列4個油茶樹主栽品種，對油茶果直徑、質(zhì)量，花苞直徑、質(zhì)量以及油茶果和花苞脫落力進行了測定。試驗所用設備為ZDF-50數(shù)字式拉力計，量程0～50 N，精度±0.01 N。測量過程中樣本隨機取樣，每個品種測量的樣本數(shù)量為20個，利用拉力計對油茶果和花苞結(jié)合力進行測定，并對每個采落的油茶果質(zhì)量、直徑，花苞質(zhì)量、直徑等參數(shù)進行記錄。

由圖1分析可知，油茶果脫落力和花苞脫落力分布范圍重疊較小，油茶果和花苞脫落力均值分別為12.54 N和2.96 N，表明油茶果脫落力相較于花苞較大；且油茶果脫落力數(shù)據(jù)分布偏向于中位線上方，花苞脫落力則相對集中但相對較小。兩者脫落力呈正態(tài)分布，表明試驗數(shù)據(jù)正常，樣本選取較為合理。

由表1分析可知，油茶果直徑和質(zhì)量均遠大于花苞。進而可知，兩者在受到激振力作用時，由于質(zhì)量與體積差異，油茶果所受到的慣性力遠大于花苞。因此，在確定合適采摘激振力后，對振動采摘裝置進行設計，可以達到振落大部分油茶果且盡量減少花苞脫落的采摘效果。

1.2 采摘理論分析

目前，我國機械化振動采摘裝置主要有曲柄滑塊式結(jié)構(gòu)和大質(zhì)量偏心塊結(jié)構(gòu)兩種類型[15]，本文所設計采摘裝置主要針對山地丘陵條帶式油茶林，裝置需滿足行走靈活好、通過性良好的要求。因此，采摘裝置選擇曲柄滑塊式結(jié)構(gòu)作為激振裝置。

由油茶果和花苞脫落力試驗可知，油茶果和花苞質(zhì)量、直徑和脫落力差異較大，振動時油茶果所受慣性力也遠大于花苞。因此，需對油茶果進行振動采摘受力分析，并結(jié)合激振裝置原理確定油茶果所需激振力影響因素，進而對振動采摘裝置關鍵部件進行設計。

圖2為裝置振動時油茶果的受力情況，當油茶果所受慣性力與重力合力大于結(jié)合力[16]時，油茶果掉落。

由圖2分析可知，油茶果脫落條件為

[Fn+Gngt;Ft] （1）

即[Fsinθ+Gcosθgt;Ft] （2）

式中： F——慣性力，N；

Fn——慣性力法向分力，N；

Gn——重力法向分力，N；

Ft——油茶果與樹枝結(jié)合力，N；

θ——重力與結(jié)合力夾角補角，rad。

油茶果和枝條的振動規(guī)律可看作正弦函數(shù)[17]，振動產(chǎn)生的水平位移

[x=Asin（ωt+ψ）?eζωt] （3）

式中： A——振幅，mm；

ω——振動角頻率，rad/s；

t——時間，s；

ψ——初始相位角，rad；

ζ——阻尼比。

對式（3）進行二階求導運算得

[x''=A[ω2-（ζω）2]sin（ωt+ψ）?eζωt] （4）

由牛頓第二定律可知，慣性力

[F=mx''=mA[ω2-（ζω）2]sin（ωt+ψ）?eζωt] （5）

[m{A[ω2-（ζω）2]sin（ωt+ψ）?eζωt+g}gt;Ft] （6）

式中： m——油茶果質(zhì)量，kg；

g——重力加速度，m/s2。

由于油茶果質(zhì)量相對于樹枝質(zhì)量較小，重力分力較小可近似忽略重力影響，脫落條件可簡化為

[mA[ω2-（ζω）2]sin（ωt+ψ）?eζωtgt;Ft] （7）

由式（7）可知，油茶果是否脫落與其質(zhì)量和振動裝置所產(chǎn)生的振動頻率、振幅有關，由于本裝置對油茶側(cè)枝進行夾持采摘，因此油茶果質(zhì)量宏觀表現(xiàn)為油茶側(cè)枝整體質(zhì)量，而側(cè)枝質(zhì)量受樹枝直徑影響，可知油茶果脫落影響因素為油茶樹枝直徑和振動裝置所產(chǎn)生的振動頻率、振幅。

2 整機結(jié)構(gòu)和關鍵部件設計

2.1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

采摘裝置主要由夾持機構(gòu)、往復運動機構(gòu)、采摘桿、棘輪拉緊機構(gòu)、軟軸、手推車架及汽油機等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中夾爪安裝在往復運動機構(gòu)的滑動底座上，棘輪拉緊機構(gòu)通過鋼絲繩皮套控制夾爪的張開與夾緊，采摘桿頂端與往復運動機構(gòu)連接，頂端靠下方鉸接在手推車架上，尾端與軟軸連接；汽油機固定在手推車架上，并與軟軸相連接。

采摘過程中，采摘員將手推車架正對油茶樹，放下手推車架上的搭架，啟動汽油機，人體站立在搭架上；手握采摘桿尾端，根據(jù)油茶枝條長勢調(diào)整采摘頭高度，使夾爪位于二三級側(cè)枝交叉處靠下方位置，按下棘輪拉緊機構(gòu)手柄夾緊樹枝，增加汽油機轉(zhuǎn)速直至油茶果開始陸續(xù)脫落后穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，當大部分油茶果振落時，按下汽油機熄火按鍵，完成一次采摘；松開夾爪后可調(diào)整采摘桿繼續(xù)對附近側(cè)枝進行采摘。

2.2 往復運動機構(gòu)設計

往復運動機構(gòu)為本裝置核心激振機構(gòu)，由滑動底座、滑動軸、滑軌、偏心輪、軸套、往復機構(gòu)外殼等組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。軸套與采摘桿相連接，傳動軸將動力傳遞至偏心輪，偏心輪勻速轉(zhuǎn)動，帶動所連接的螺紋銷讓滑軌做往復運動，滑軌與滑動軸、滑動底座相連接，滑動底座帶動夾爪往復運動，實現(xiàn)對樹枝的往復振動。往復運動機構(gòu)主要將汽油機輸出的能量轉(zhuǎn)化為周期性的往復激振力，可通過調(diào)節(jié)汽油機轉(zhuǎn)速以改變振動頻率，而偏心輪上分布有不同偏心距的螺紋孔，可改變振動裝置振幅。

由于油茶果側(cè)枝有一定的自由度，振幅較小時，難以將激振能量傳遞到冠層樹枝，油茶果不易脫落；振幅較大時，雖然可將油茶果振落，但可能對樹枝產(chǎn)生損傷，且產(chǎn)生較大振動人操作時難以長時間工作。結(jié)合現(xiàn)有文獻與預試驗結(jié)果，選取40 mm、50 mm、60 mm為振幅范圍取偏心孔。

2.3 夾持機構(gòu)設計

夾持機構(gòu)可對油茶枝進行夾緊，可保證振動時油茶枝隨滑動底座一起往復振動，主要由夾爪塊、連桿、中空銷、夾爪座和彈簧、導向銷套等組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。夾爪片上裝有硅膠塊，可保護樹枝避免受損傷，中空銷座通過鋼絲繩與棘輪拉緊機構(gòu)相連接，其在鋼絲繩驅(qū)動下拉動連桿進而拉動夾爪塊進行夾緊；振動采摘完成后，松開棘輪拉緊機構(gòu)，導向銷套上的彈簧回彈，將夾爪張開。

2.4 棘輪拉緊機構(gòu)設計

棘輪拉緊機構(gòu)通過鋼絲皮套實現(xiàn)夾爪對樹枝的夾緊，主要由鋼絲繩皮套、棘輪棘爪、鋼絲繩、定滑輪和固定板等零件構(gòu)成，如圖6所示。通過對手柄的按壓，將皮套內(nèi)的鋼絲繩進行拉緊，且由于鋼絲繩處在兩端固定的鋼絲繩皮套內(nèi)，可實現(xiàn)對夾爪拉緊的同時而不干涉往復運動機構(gòu)的往復振動；振動采摘完成后，可通過對棘爪手柄進行按壓，實現(xiàn)對夾爪的松開。

2.5 動力輸出機構(gòu)選型

本裝置采用汽油機作為動力源，通過軟軸將動力傳遞至激振裝置，動力輸出需提供足夠能量，激振裝置才能將油茶果振落；因此，需對汽油機進行選型。汽油機的主要參數(shù)為汽油機功率和轉(zhuǎn)速，所需功率和轉(zhuǎn)速的大小取決于激振裝置帶動油茶枝振動所需的能量，因此本文結(jié)合往復運動機構(gòu)工作原理進行相關計算。本裝置所采用的激振裝置可簡化為曲柄滑塊機構(gòu)，如圖7所示。

由上文對振動裝置振動系統(tǒng)分析可知，油茶果脫落所需激振力

[FT=Fc=mqω02r] （8）

式中： [Fc]——偏心輪旋轉(zhuǎn)向心力，N；

[mq]——曲柄滑塊機構(gòu)質(zhì)量，kg；

[ω0]——偏心輪角速度，rad/s；

[r]——偏心距，mm。

偏心輪半徑為20 mm、25 mm、30 mm，測量得曲柄滑塊機構(gòu)質(zhì)量為1.2 kg。

曲柄滑塊機構(gòu)轉(zhuǎn)矩

[T=mqr] （9）

汽油機功率

[p=KATn9 550i] （10）

式中： i——傳動機構(gòu)減速比；

KA——汽油機工況系數(shù)；

n——汽油機轉(zhuǎn)速。

由式（9）得，曲柄滑塊機構(gòu)轉(zhuǎn)矩為0.36 N ? m，汽油機轉(zhuǎn)速n為7 500 r/min，減速比為17∶22，由于汽油機工作時受到振動沖擊影響，工況系數(shù)取1.4，計算得汽油機功率0.52 kW，考慮傳動效率等因素影響，選取汽油機功率為0.9 kW，轉(zhuǎn)速為7 500 r/min。

3 油茶果采摘試驗

3.1 試驗條件

為驗證油側(cè)枝夾持式茶果振動采摘裝置采摘效果，于2023年10月11日在江西省新余市分宜縣鈐山鎮(zhèn)山下試驗林場開展了戶外采摘試驗。試驗時選擇10棵樹形較好、果實較多、有較多花苞的長林18號品種油茶樹，樹高2.5 m左右，株距約為3 m。試驗所用的設備主要包括：側(cè)枝夾持式油茶果振動采摘裝置、游標卡尺、卷尺、汽油機轉(zhuǎn)速表。

3.2 試驗方案

本次試驗以夾持樹枝直徑、執(zhí)行機構(gòu)振幅、振動頻率作為試驗因素，如表2所示。油茶果采凈率和花苞損傷率為評價指標，為了尋找各因素水平最佳參數(shù)組合，開展三因素三水平二次旋轉(zhuǎn)正交試驗，應用Design?Expert軟件對試驗結(jié)果進行分析和優(yōu)化。

3.3 試驗結(jié)果與分析

試驗方案與結(jié)果如表3所示。其中X1、X2、X3為因素編碼值。

通過Design-Expert8.0.6軟件對表3中試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到油茶果采摘率、花苞損傷率與各因素的二次多項式回歸模型為

[Y1=82.12-3.18X1+2.46X2+5.19X3+0.58X1X2+0.91X1X3+1.20X2X3-1.17X12-1.77X22+1.15X32] （11）

[Y2=4.96-0.0066X1+0.74X2+1.10X3-0.64X1X2-0.12X1X3+0.69X2X3+0.41X12+0.25X22-0.59X32] （12）

對模型[Y1]和[Y2]進行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗，結(jié)果如表4所示?；貧w模型的擬合度高度顯著（模型P值小于0.05）；模型失擬項的P值大于0.05，說明回歸方程擬合的好，無失擬因素存在，因此可用回歸方程[Y1]和[Y2]代替試驗真實點對采摘試驗結(jié)果進行分析。根據(jù)樹枝直徑、振幅和振動頻率的P值大小可判斷3個試驗因素對油茶果采摘率有顯著影響，試驗因素對油茶果采摘率的影響從大到小依次為振動頻率、樹枝直徑、振幅。模型的校正決定系數(shù)[R2]分別為0.942 7、0.962 2，說明模型擬合優(yōu)度較好，具有較高的可靠性。

對表4分析可知，樹枝直徑和裝置振動頻率對油茶果采凈率均具有極顯著影響，裝置振幅對油茶果采凈率具有顯著影響；裝置振動頻率和振幅對花苞損傷率均具有極顯著影響，樹枝直徑對花苞損傷率影響不顯著；其原因是花苞生長位置一般靠近枝條末端，振動能量傳遞到該位置損耗較大，且花苞所受到慣性力遠小于油茶果，一般不易對花苞產(chǎn)生損傷，樹枝直徑相差不大時，對花苞損傷率影響較小。各因素對油茶果采凈率影響從大到小依次為振動頻率、樹枝直徑、振幅；各因素對花苞損傷率影響從大到小依次為振動頻率、振幅、樹枝直徑。

通過Design-Expert軟件對目標參數(shù)進行優(yōu)化，以油茶果采摘率取最大值，花苞損傷率取最小值為條件，并結(jié)合試驗因素的邊界條件求解回歸模型。通過求解得到采摘裝置的最優(yōu)參數(shù)組合為：樹枝直徑16.12 mm、振幅40.59 mm、振動頻率16 Hz，對應的油茶果采凈率為84.92%，花苞損傷率為4.27%。

3.4 試驗驗證

為了驗證回歸模型得出的最優(yōu)參數(shù)可靠性，2023年10月28日在江西省新余市分宜縣鈐山鎮(zhèn)山下試驗林場進行戶外采摘驗證試驗。試驗選取樹枝直徑為16 mm，調(diào)整采摘裝置參數(shù)為振幅40 mm、振動頻率16 Hz，采用上述參數(shù)進行3次重復試驗，如表5所示。

由表5可知，油茶果采凈率的平均值為85.70%，花苞損傷率的平均值為4.45%，考慮到驗證試驗與采摘試驗相隔時間較長，油茶果整體成熟度有差異[18]，因此驗證試驗結(jié)果與模型預測結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

1） 設計一種側(cè)枝夾持式振動采摘裝置。通過對油茶果及花苞生物力學特性研究，得出油茶果脫落力相較于花苞脫落力較大，基于水平夾持振動采摘工作原理，完成裝置的關鍵部分設計。建立夾持振動系統(tǒng)動力學模型，得出影響油茶果脫落所需激振力的主要因素為樹枝直徑、激振機構(gòu)振幅、頻率。

2） 對油茶主栽品種長林18號等4個品種油茶果和花苞生物特性進行測定，得出油茶果脫落力和花苞脫落力集中區(qū)間分別為4.49～18.54 N和1.4～4.45 N，均值分別為12.54 N和2.96 N，表明油茶果脫落力相較于花苞較大。因此，在確定合適采摘激振力后，對振動采摘裝置進行設計，可以達到振落大部分油茶果且盡量減少花苞脫落的采摘效果。

3） 通過油茶采摘試驗，得到油茶果采凈率和花苞損傷率二次多項式回歸模型通過方差分析可得出執(zhí)行機構(gòu)振動頻率對采摘評價指標影響最大。通過參數(shù)優(yōu)化和試驗驗證可知，當樹枝直徑為16.12 mm、振幅為40.59 mm、振動頻率為16 Hz時，油茶果采凈率為84.92%，花苞損傷率為4.27%。

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