饒洪輝 張立勇 黃登昇 陳 斌 劉木華

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

0 引言

當(dāng)前油茶果的采摘主要靠人工，效率低，成本高，且勞動(dòng)力短缺，油茶果迫切需要機(jī)械化采摘。國(guó)外對(duì)林果機(jī)械采摘研究開展較早，其采摘方式主要有效率較高的振動(dòng)采摘和技術(shù)要求較高的機(jī)器人采摘，前者如油橄欖、柑橘和櫻桃等的采摘[1-5]；后者如蘋果、獼猴桃等的采摘[6-7]。國(guó)內(nèi)針對(duì)林果采摘機(jī)械的研究剛剛起步，在林果振動(dòng)采摘模型、理論及物理樣機(jī)研制等方面陸續(xù)取得了一些成果，如對(duì)藍(lán)莓、山核桃、油茶果等的采摘[8-14]。另外，根據(jù)不同林果的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)學(xué)者研制了一些樣機(jī)并開展了試驗(yàn)。如高自成等[15]研制了齒梳式油茶果采摘機(jī)，該機(jī)采用回轉(zhuǎn)式齒梳采摘頭實(shí)現(xiàn)連續(xù)采摘，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的可行性。史高昆等[16]設(shè)計(jì)了一種基于伯努利原理的氣吸式紅棗收獲機(jī)械，該機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、采摘效率較高，能實(shí)現(xiàn)紅棗的撿拾收集和除雜分選，該機(jī)械適用于南疆地矮化密植棗園。羅時(shí)挺等[17]設(shè)計(jì)了一種齒梳撥刀式油茶果采摘裝置，其原理是利用采摘頭之間的齒梳間隙梳攏樹上油茶果，并由采摘頭前端的撥刀加速擊打油茶果，從而達(dá)到采摘油茶果的目的。尹建軍等[18]設(shè)計(jì)了一種欠驅(qū)動(dòng)雙指手葡萄采摘裝置，采摘試驗(yàn)結(jié)果表明該裝置采摘率為100%，果實(shí)擠傷率為5.2%。

然而，油茶果作為我國(guó)特有的木本油料，其機(jī)械采摘國(guó)外無文獻(xiàn)報(bào)道，目前國(guó)內(nèi)油茶果機(jī)械振動(dòng)采摘尚處于理論研究階段，從成熟油茶果與果柄的結(jié)合力均大于油茶花苞與花柄的結(jié)合力(縱向拉斷和橫向扭斷力)來看[19]，其技術(shù)是否可行還有待深入研究?，F(xiàn)有的油茶果采摘機(jī)械尚需提高采摘效率，減少油茶花苞損傷。解決上述兩個(gè)問題的關(guān)鍵在于油茶果末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)。輥式末端執(zhí)行器具備良好的滾動(dòng)性、耐磨性和較強(qiáng)的適應(yīng)性，在農(nóng)林作物收獲機(jī)械中應(yīng)用較多，如在玉米摘穗機(jī)構(gòu)、拔棉稈、秸草打捆和紅花采收等方面[20-24]開展了樣機(jī)研制及試驗(yàn)，并取得了一些成果。

為此，借鑒上述膠輥采摘良好的機(jī)械性能和效率，設(shè)計(jì)一種電動(dòng)膠輥旋轉(zhuǎn)式采摘執(zhí)行器，通過上、下兩組膠輥旋轉(zhuǎn)喂入油茶果，以期提高油茶果采摘效率和減少油茶花苞損傷。

1 油茶果采摘末端執(zhí)行器工作原理

設(shè)計(jì)的油茶果采摘末端執(zhí)行器(即采摘頭)三維模型如圖1所示。采摘頭包括上、下膠輥組件，各有3組膠輥，每組膠輥有3根采摘膠輥，膠輥回轉(zhuǎn)軸頭部有兩根可調(diào)伸縮桿。采摘機(jī)工作時(shí)，人工將裝有腳輪的采摘執(zhí)行器推至油茶果樹前合適位置，操作螺桿可調(diào)節(jié)采摘頭的傾斜角度，以便采摘頭順利伸進(jìn)油茶果枝，啟動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器減速后，由主從動(dòng)齒輪分別帶動(dòng)側(cè)邊上、下鏈輪旋轉(zhuǎn)，鏈輪再分別帶動(dòng)上、下膠輥組件做同步異向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其中上膠輥組件做逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，下膠輥組件做順時(shí)針運(yùn)動(dòng)。通過調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)組件中伸縮桿上的螺旋段可以調(diào)節(jié)上下膠輥間距，膠輥在連續(xù)回轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)過程中不斷將油茶果枝夾緊，油茶果在受到上下回轉(zhuǎn)膠輥的撞擊力后脫落，從而完成采摘過程。

圖1 油茶果膠輥旋轉(zhuǎn)采摘頭三維模型Fig.1 3D model of picking head of camellia fruit with rotate rubber roller1.膠輥組件 2.回轉(zhuǎn)組件架 3.機(jī)架 4.電動(dòng)機(jī)

2 油茶果采摘執(zhí)行器采摘頭參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 采摘頭回轉(zhuǎn)組件結(jié)構(gòu)及模型

采摘頭回轉(zhuǎn)組件包括回轉(zhuǎn)架組件和膠輥組件，其中回轉(zhuǎn)架組件主要由伸縮桿、伸縮座、回轉(zhuǎn)架、回轉(zhuǎn)軸構(gòu)成；膠輥組件主要由膠輥、膠輥架、膠輥軸構(gòu)成，其三維模型如圖2所示?；剞D(zhuǎn)架通過緊定螺釘安裝至回轉(zhuǎn)軸兩端上，伸縮桿通過螺紋外旋合在伸縮座里，伸縮座通過螺栓固定在回轉(zhuǎn)架上。伸縮桿外螺紋與伸縮座內(nèi)螺紋通過牙面旋合，伸縮行程最大可達(dá)60 mm。膠輥架通過緊定螺釘安裝在膠輥軸兩端，膠輥兩側(cè)通過菱形帶座軸承安裝在膠輥架上。每組膠輥組件上安裝3根膠輥呈等邊三角形對(duì)稱布置。這種布置形式在工作時(shí)不僅能保證膠輥組件的采摘穩(wěn)定性，而且能擴(kuò)大油茶果采摘范圍。每根膠輥可以繞軸自轉(zhuǎn)，以降低膠輥與油茶枝葉的摩擦力，從而提高膠輥工作壽命，減少花苞和枝葉損傷。

圖2 采摘頭回轉(zhuǎn)架及膠輥組件模型Fig.2 Model of swinging strut and rubber roller of picking head1.膠輥架 2.膠輥軸 3.膠輥 4.回轉(zhuǎn)架 5.回轉(zhuǎn)軸 6.伸縮桿 7.伸縮座

2.2 回轉(zhuǎn)組件上對(duì)輥間距及轉(zhuǎn)速確定

油茶果采摘裝置在作業(yè)時(shí)，回轉(zhuǎn)組件上對(duì)輥的間隙直接影響油茶樹枝的喂入速度及油茶果與果柄分離效果。對(duì)輥間隙大，油茶樹枝喂入量增加，膠輥對(duì)油茶果的正壓力和摩擦力相應(yīng)減小，油茶果難以被采落；對(duì)輥間隙小，則油茶樹枝喂入量較少，采摘效率較低。由相關(guān)文獻(xiàn)資料知油茶果平均直徑為37.5 mm，種植面積最廣的普通油茶果直徑為30 mm，油茶果直徑最大的為廣寧紅花油茶，平均直徑為78 mm，未開的花苞平均直徑為3.12 mm[20]，根據(jù)油茶果及其花苞直徑的差異，初步確定回轉(zhuǎn)組件上對(duì)輥間距為20～65 mm。合理調(diào)節(jié)上、下回轉(zhuǎn)組件上膠輥間距不僅能將油茶果采摘下來，而且可以避免膠輥組件損傷油茶果花苞。另外，回轉(zhuǎn)架組件旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)合理設(shè)置，旋轉(zhuǎn)速度過大，會(huì)對(duì)油茶樹枝造成沖擊斷裂；轉(zhuǎn)速過小，則油茶果采摘效率將會(huì)大大降低。通過對(duì)油茶果相關(guān)特性研究，初步擬定回轉(zhuǎn)架角速度范圍為：每0.5 s至1 s間隔內(nèi)膠輥與油茶果接觸一次。由于上下各有3組膠輥架，上下兩組膠輥旋轉(zhuǎn)相遇實(shí)現(xiàn)采摘油茶果時(shí)每組膠輥轉(zhuǎn)過的弧度φ為2π/3,則回轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速范圍估算式為

ω=nπ/30=φ/t(0.5 s≤t≤1 s)

(1)

式中ω——回轉(zhuǎn)架角速度，rad/s

n——回轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速，r/min

t——膠輥與油茶果接觸一次的時(shí)間間隔，s

φ——膠輥與油茶果接觸時(shí)間間隔內(nèi)轉(zhuǎn)過的弧度，為2π/3

由式(1)得回轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速n合適范圍為20 r/min≤n≤40 r/min。

2.3 采摘頭膠輥組件參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1膠輥組件采摘油茶果作用形式

上、下膠輥組對(duì)油茶果的作用有3種形式，如圖3所示。圖3a是單膠輥式，即上、下膠輥組件中分別有一根膠輥與油茶果枝同時(shí)接觸。圖3b是單雙膠輥式，即其中一組膠輥組件中有一根膠輥與油茶果枝作用，另一組膠輥組件有2根膠輥與油茶果枝作用。圖3c是雙膠輥式，即上、下膠輥組件中分別有2根膠輥與油茶果枝同時(shí)接觸。上述3種作用方式均能將油茶果從樹枝上摘落下來。

圖3 膠輥組件采摘油茶果作用形式Fig.3 Action forms of rubber roller assembly

2.3.2膠輥采摘油茶果原理分析

為了方便分析膠輥組件采摘油茶果原理，將膠輥與油茶果簡(jiǎn)化成圖4所示模型，其中膠輥與油茶果作用情況可分為接觸、脫落、分離3個(gè)過程，下面依次分析其作用機(jī)理。

(1)當(dāng)采摘頭接近油茶樹時(shí)，膠輥與油茶果表面接觸，上、下膠輥?zhàn)霎愊蛲竭\(yùn)動(dòng)，如圖4a所示。此時(shí)膠輥在油茶果表面接觸位置處產(chǎn)生的正壓力大小相等，受力方向均指向油茶果球心。同時(shí)，由于油茶果表皮質(zhì)地及粗糙程度大致相同，油茶果兩側(cè)處形成沿切線方向的摩擦力大小相等，油茶果在摩擦力作用下將沿上、下膠輥旋轉(zhuǎn)中心線垂直方向向前加速運(yùn)動(dòng)。

(2)隨著上下膠輥相向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)上、下膠輥運(yùn)行至最低點(diǎn)時(shí)，如圖4b所示。膠輥在油茶果表面接觸位置處壓力的垂直分力達(dá)到最大值，油茶果果柄逐漸與油茶果枝拉緊。當(dāng)膠輥對(duì)油茶果產(chǎn)生的作用力大于油茶果果柄與果枝結(jié)合力時(shí)，油茶果果柄與油茶果枝脫落。由于油茶花苞直徑遠(yuǎn)小于油茶果直徑，因此花苞易從膠輥間隙漏過。

(3)在油茶果受膠輥碰撞脫落過程中，有一個(gè)臨界脫落過程，如圖4c所示，由受力分析得

(2)

式中F1、F2——上、下膠輥對(duì)油茶果表面的正壓力，N

f1、f2——油茶果兩側(cè)處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)

結(jié)合式(2)可得

圖4 膠輥與油茶果作用過程Fig.4 Interaction process between camellia fruit and rubber roller

(3)

式中L——上、下膠輥組旋轉(zhuǎn)中心距，mm

α1——膠輥中心和旋轉(zhuǎn)中心連線與上、下膠輥組旋轉(zhuǎn)中心線構(gòu)成角度，(°)

R1——上膠輥組旋轉(zhuǎn)半徑，mm

r1——上膠輥組半徑，mm

r3——油茶果半徑，mm

F——油茶果兩側(cè)處形成沿切線方向的摩擦力合力，N

當(dāng)膠輥運(yùn)行至最低點(diǎn)位置處時(shí)見圖4b，由受力分析得

(4)

式中F1y、F2y——上、下膠輥在油茶果表面壓力的垂直分力，N

F1x、F2x——上、下膠輥在油茶果表面壓力的分力，N

f1y——油茶果受上膠輥摩擦力垂直分力，N

θ——膠輥與油茶果軋角，(°)

由式(4)得

(5)

式中F′——油茶果所受膠輥正壓力和摩擦力沿垂直方向分力的合力

(4)當(dāng)膠輥與油茶果分離時(shí)見圖4c，此時(shí)有

(6)

由圖4c中幾何關(guān)系得

F″=2(f1y+F1y)=2F1(μcosα1+sinα1)

(7)

式中F″——油茶果所受合力沿垂直方向分力，N

當(dāng)油茶果進(jìn)入膠輥中，油茶果能被膠輥組件順利采摘下來必須滿足關(guān)系式

(8)

式中α2——膠輥離開轉(zhuǎn)角，即膠輥中心和旋轉(zhuǎn)中心連線與上下膠輥組旋轉(zhuǎn)中心線構(gòu)成角度，(°)

Fδ——油茶果果柄與油茶樹枝的結(jié)合力

Δs——油茶果與膠輥由接觸至分離時(shí)運(yùn)行距離

r2——下膠輥組半徑，mm

Δl——油茶果果柄與樹枝伸展長(zhǎng)度

若油茶果未能在最低點(diǎn)與樹枝發(fā)生斷裂，則會(huì)在摩擦力f1、f2及正壓力F1、F2作用下運(yùn)動(dòng)。反之，當(dāng)膠輥運(yùn)行至圖4d所示位置時(shí)，油茶果將與上、下膠輥組發(fā)生碰撞脫落，以臨界速度v脫離膠輥。

3 油茶果采摘試驗(yàn)

根據(jù)圖1研制了電動(dòng)膠輥旋轉(zhuǎn)式油茶果采摘執(zhí)行器，選取江西農(nóng)業(yè)大學(xué)油茶林中長(zhǎng)勢(shì)大致相同的油茶果樹枝共15枝，每枝上均長(zhǎng)有油茶果和油茶花苞，如圖5a所示，圖5b是其中2枝。用游標(biāo)卡尺測(cè)量并記錄每枝油茶果樹果枝上油茶果與花苞的數(shù)量和直徑。

圖5 油茶果枝及花苞試驗(yàn)樣本Fig.5 Sample of camellia fruit branch and its bud

采摘試驗(yàn)參數(shù)為膠輥直徑為30 mm，間距為25 mm，膠輥旋轉(zhuǎn)速度為30 r/min，膠輥線速度為0.833 m/s，啟動(dòng)電動(dòng)膠輥旋轉(zhuǎn)式油茶果執(zhí)行器，將15枝油茶果樹果枝分別伸入采摘執(zhí)行器中進(jìn)行采摘。單枝油茶果枝在采摘試驗(yàn)過程中，依次歷經(jīng)油茶果枝喂入、碰撞脫落、分離3個(gè)階段,如圖6所示。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證樣機(jī)試驗(yàn)效果，2017年10月下旬至11月初，課題組采用電動(dòng)膠輥旋轉(zhuǎn)式采摘執(zhí)行器在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)油茶林和工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了室內(nèi)外試驗(yàn)，如圖7、8所示。

在室外試驗(yàn)過程中，油茶果與膠輥?zhàn)饔脮r(shí)存在碰撞與摩擦力，由于每個(gè)膠輥架均能轉(zhuǎn)動(dòng)，膠輥架會(huì)因碰撞及摩擦力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致油茶果難以采落。針對(duì)上述問題，在室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，把膠輥間距調(diào)整為最小25 mm,膠輥架焊接固定，問題得以解決。

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 油茶果采摘結(jié)果

采摘執(zhí)行器進(jìn)行油茶果室內(nèi)單枝采摘試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量并記錄每組試驗(yàn)號(hào)和油茶果枝中油茶果脫落情況及果徑，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖6 油茶果采摘試驗(yàn)過程Fig.6 Process of picking camellia fruit test

圖7 室外采摘試驗(yàn)Fig.7 Outdoor test of camellia fruit picking with rotate rubber roller

圖8 室內(nèi)采摘試驗(yàn)Fig.8 Indoor test of camellia fruit picking with rotate rubber roller

分析表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，當(dāng)上、下膠輥組間距為25 mm，試驗(yàn)中油茶果直徑在26.5～40 mm時(shí)，油茶果均能從果枝上脫落下來；而油茶果直徑在12～23.8 mm時(shí)，油茶果未能被摘落。根據(jù)未采摘成功的油茶果數(shù)與總油茶果數(shù)之比計(jì)算漏采率，其值為13.6%。由此可見，油茶果脫落效果與油茶果直徑、上下膠輥組間距因素有關(guān)。當(dāng)油茶果直徑小于采摘頭膠輥組間距時(shí)，油茶果未能順利采摘；當(dāng)油茶果直徑大于采摘頭膠輥組間距時(shí)，油茶果能順利被采摘。

4.2 油茶花苞損傷結(jié)果

由于油茶樹具有“花果同期”特點(diǎn)，在樣機(jī)機(jī)械采摘時(shí)必須考慮油茶花苞損傷情況(以油茶花苞是否脫落為損傷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn))。進(jìn)行室內(nèi)單枝油茶樹枝采摘時(shí)油茶花苞損傷試驗(yàn)，測(cè)量并記錄每組試驗(yàn)號(hào)油茶樹枝中油茶花苞脫落情況和花苞直徑，其數(shù)據(jù)如表2所示。

分析表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，油茶花苞直徑在7～11 mm時(shí)均未脫落且其表皮未見明顯損傷。因?yàn)橛筒杌ò睆竭h(yuǎn)小于采摘頭膠輥組間距25 mm，油茶花苞易從采摘頭膠輥間隙漏過去。試驗(yàn)中花苞損傷評(píng)價(jià)以采摘試驗(yàn)中花苞是否脫落為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)油茶花苞脫落數(shù)與油茶花苞總數(shù)之比計(jì)算花苞損傷率，其值為0，可見本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)膠輥旋轉(zhuǎn)式油茶果采摘執(zhí)行器在采摘過程中對(duì)油茶花苞損傷較小。

表1 油茶果樹果枝采摘試驗(yàn)果實(shí)脫落數(shù)據(jù)Tab.1 Shedding data of camellia fruit picking test on each camellia branch

注：“-”表示油茶果枝上此處無油茶果，“√”表示脫落，“×”表示未脫落，試驗(yàn)參數(shù)為膠輥直徑30 mm、間距25 mm、膠輥旋轉(zhuǎn)速度30 r/min、膠輥線速度0.833 m/s。

表2 單枝油茶樹枝采摘時(shí)花苞脫落數(shù)據(jù)Tab.2 Shedding data of camellia bud damage test on each camellia branch

注：“-”表示油茶樹枝上此處無油茶花苞，“×”表示未脫落，試驗(yàn)參數(shù)為膠輥直徑30 mm、間距25 mm、膠輥旋轉(zhuǎn)速度30 r/min、膠輥線速度0.833 m/s。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

采摘執(zhí)行器室外試驗(yàn)時(shí)油茶果枝由采摘頭自行喂入，在喂入前需要調(diào)節(jié)采摘頭的傾角。操作螺桿可頂起機(jī)架，從而改變采摘頭的傾角，以便油茶果枝順利喂入采摘頭。而室內(nèi)試驗(yàn)則由人工喂入，操作者可用手調(diào)整油茶果枝進(jìn)入旋轉(zhuǎn)膠輥的位姿，以便油茶果枝的喂入。從試驗(yàn)結(jié)果來看，直徑較小的油茶果易漏采，可以縮小上下膠輥間距來減少漏采率，但可能會(huì)降低油茶果枝喂入效率。試驗(yàn)中膠輥組件轉(zhuǎn)速越高對(duì)油茶果及花苞作用力越大，試驗(yàn)時(shí)先從低速加速到膠輥組件轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)油茶花苞均未發(fā)生脫落，其原因是油茶花苞直徑小于上下膠輥間距，花苞易從間隙中漏過去，且膠輥材質(zhì)表面較光滑，本身繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，不容易損傷花苞及枝葉。隨著膠輥組件轉(zhuǎn)速進(jìn)一步加大，膠輥對(duì)花苞的作用力將增大，花苞損傷率可能會(huì)增加。與齒梳式油茶果采摘機(jī)比較，本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)膠輥旋轉(zhuǎn)式油茶果采摘執(zhí)行器體積較小，易在較密油茶林中作業(yè)；膠輥間距可調(diào)，可以適應(yīng)不同直徑油茶果的采摘；膠輥可自轉(zhuǎn)且表面光滑，對(duì)油茶花苞的損傷較小。

5 結(jié)論

(1)為提高油茶果采摘效率，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)膠輥旋轉(zhuǎn)式油茶果采摘裝置。油茶果能在上、下膠輥旋轉(zhuǎn)碰撞中脫落下來，由于膠輥材質(zhì)表面較光滑，在采摘過程中可有效避免對(duì)油茶花苞的損傷。

(2)膠輥與油茶果在作用過程中依次經(jīng)歷接觸、斷裂、分離3個(gè)階段，油茶果被膠輥順利采落的臨界條件為油茶果所受合力大于油茶果果柄與油茶樹枝的結(jié)合力，油茶果與膠輥由接觸至分離時(shí)運(yùn)行距離應(yīng)大于油茶果果柄與樹枝伸展長(zhǎng)度。

(3)通過對(duì)回轉(zhuǎn)架組件參數(shù)設(shè)計(jì)，確定了上、下回轉(zhuǎn)架組件間距有效調(diào)節(jié)范圍為20～65 mm，初步擬定膠輥架轉(zhuǎn)速范圍為20～40 r/min。

(4)樣機(jī)的室內(nèi)外采摘試驗(yàn)結(jié)果表明，油茶果脫落效果與油茶果直徑、上下膠輥組間距因素有關(guān)，當(dāng)油茶果直徑小于采摘頭膠輥組間距時(shí)，油茶果無法采落。當(dāng)油茶果直徑大于采摘頭膠輥組間距時(shí)，油茶果能順利從樹枝上脫離下來。當(dāng)膠輥回轉(zhuǎn)組件轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)，膠輥間距為25 mm，樣機(jī)順利采摘直徑在25 mm以上的油茶果，且脫落效果較好，未開的油茶花苞未見明顯損傷，初步驗(yàn)證了該樣機(jī)的實(shí)用性。