太陽能果樹修枝鋸的設計與試驗

趙穎彪 陳 益 孫 權 陳芳嬌 王占領 王旭峰，3*

(1 塔里木大學機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 阿拉爾質量技術監督局， 新疆 阿拉爾 843300)(3 新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室， 新疆 阿拉爾 843300)

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太陽能果樹修枝鋸的設計與試驗

趙穎彪1陳 益2孫 權1陳芳嬌1王占領1王旭峰1，3*

(1 塔里木大學機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 阿拉爾質量技術監督局， 新疆 阿拉爾 843300)(3 新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室， 新疆 阿拉爾 843300)

南疆地區果園一般為矮化密植種植模式，傳統的果樹修剪機修剪效率低、應用效果較差。針對這一現狀，利用太陽能光伏發電原理，設計了一種能依靠太陽能提供電能的果樹修枝裝置。該裝置由太陽能光伏發電系統和電動修枝鋸裝置組成，可在果園中移動使用。通過樣機的切割試驗，結果表明：該裝置可切割直徑≤50mm的新鮮果樹樹枝，切割效果可以，滿足南疆地區果園的作業要求；本裝置結構簡單，性能穩定可靠，能有效提高樹枝修剪效率，且節能明顯。

太陽能； 果樹修枝； 設計； 試驗

在我國的新疆南疆地區，林果種植已經成為繼糧食、棉花之后的第三大農業產業。2012年林果種植面積已達到2 000萬畝，南疆特色林果業被列為新疆維吾爾自治區的四大支柱產業之一。南疆林果業的快速發展，對果園農業機械化提出了新的要求。在南疆主要的果園產區，果園的管理仍是以人工管理模式，果樹的修剪是果園日常管理的主要任務之一。然而，由于日照條件充足，南疆果園均采用矮化密植種植模式，傳統的果樹修剪機械不能完全適應矮化密植種植模式下的果樹修枝管理[1]。目前，國內外主要的果樹修剪機械有手持背負式、車載式，自動式等多種形式，其中手持背負式是主流工具[2-3]。手持背負式果樹修剪機械又分為有動力和無動力兩種，其中有動力又可以按照驅動力的不同分為電動式、氣動式、液壓傳動、小型汽油柴油機等。據文獻報道[4]，電動剪刀式果樹修枝機效率較高，但手柄處直徑較大，工作時受到的沖擊力很大，而且蓄電池需要背負，增加作業人員的負擔，同時蓄電池不能滿足長時間工作的需要；華南熱帶作物機械研究所設計的3GS-8型修剪機是通過自動升降平臺，將工人送往不同的高度，進行人工修枝，不適宜于矮化密植種植模式的果樹修剪[5]；蔡良錐、方文熙等設計的 TJDH30-2型氣動式果樹修剪機單獨配備汽油或柴油空氣壓縮機，有較好的修枝性能，但在沒有機耕道的矮化密植模式果園運輸極為困難，不利于南疆果園的使用[6]；往復鋸條式或鏈鋸式修枝機通常為小型汽油機帶動，結構簡單，效率高，視角和操作角度合適，但是操作過程振幅過大，操縱桿重，噪聲大，且能耗較大，工作舒適度也不高。

針對目前果樹修枝機的一些問題，本文結合南疆地區果園的種植模式和實際需要，根據太陽能發電原理，采用圓盤鋸片和柔性同步帶輪結構，設計了一種移動型太陽能果樹修枝鋸，具有方便使用，性能平穩可靠，能有效降低沖擊，減少震動等特點，同時又能保持較好的節能效果。

1 太陽能果樹修枝鋸的總體設計思路

南疆地區是我國太陽能資源最為豐富的地區之一，年日照時間達2 500～3 000小時，豐富的太陽能資源為太陽能的利用提供了可行性。太陽能驅動的果樹修枝機械能方便地獲取電能，滿足大面積果園移動式修剪作業的需要；而電動修剪機在修剪時的瞬時電流較大，與太陽能電源和結合特點不適宜，而電動鋸具備較好的樹枝切削性能，同時，電動鋸對電源的瞬時沖擊不大，工作較為平穩；南疆林果業普遍為矮化密植種植方式，也不適宜于較高大型的果樹修剪機。因此，針對南疆地區林果業發展現狀和特點，設計一種既能夠滿足果園長時間移動式作業的需要，同時又具有快速切削樹枝的基于太陽能發電原理的果樹修枝鋸。

太陽能光伏發電系統是將太陽能轉化為電能的一種系統，在這個系統中能量轉換器是太陽能電池，又名光伏電池。當太陽光照射到太陽能電池面板上時，電池吸收光能，形成帶電荷的粒子，并產生光電子空穴，在電池內建電場的作用下，正負電荷分別向兩端移動，產生光伏電壓形成電能[7-8]。具體的系統結構圖如圖1所示，太陽能電池產生電能后，通過控制器向蓄電池組進行充放電控制，蓄電池組在系統中起穩壓作用，直接提供直流電源向果樹修枝鋸提供驅動能量。

在修枝鋸機械裝置的設計上，采用圓盤鋸片和柔性同步帶輪結構，使機械裝置運行平穩，對太陽能系統無較大的瞬時沖擊負載，同時具有良好的鋸齒切削性能。

圖1 太陽能果樹修枝鋸設計結構框圖

2 核心部件的設計

南疆矮化密植種植模式下，果園中需修剪處理的果樹枝直徑一般為10～20 mm之間，為了提高修枝鋸的可靠性，需要對鋸齒的切削力等參數進行計算，本文選擇最大切削直徑為50 mm最大果樹枝作為設計參數，以保證切削的可靠性。

2.1 切削參數計算模型

2.1.1 切削力的計算

切削力是評價果樹切削性能的基礎，樹枝在切削過程中，刀具與木材之間的彈性和塑性變形的結果，同時也反映了刀具和機械所承受的載荷。在機械設計中切削力是確定切削機械所需輸入的動力、刀具及夾具設計的主要依據。切削力還是確定最佳切削條件的重要因素。

不同的木材類型和切削條件對切削力的計算會產生不同影響，因此，計算出的切削力在設計完成時還要經過實際測試驗證。圓盤鋸片是由若干刀齒組成的整體，所以只需要分析和計算單個刀齒的切削力。最大切削力的計算公式為

(1)

公式(1)中：K—切削常數(查機械手冊，取14 N/mm1. 5)；

b—切削寬度，即鋸片的齒寬(根據最大的切削直徑選擇為2 mm)；

h—切削厚度，h可以為每個齒的切削平均厚度(取0. 01 mm)。

平均切削厚度與圓盤鋸片的進給速度，以及鋸片與樹枝的主偏角有關。進給速度越大，切削工效越高，但表面加工質量會變差。由此計算出圓盤鋸片的單齒切削力為 F=2. 8 N。

2.1.2 切削功率的計算

切削功率是果樹修枝鋸電機等零件的設計依據，按果樹修枝鋸最大切削直徑為R=50mm，齒圓盤鋸選用標準細鋸齒數為40齒，齒距為7. 85 mm。在圓盤鋸切割過程，整個鋸片上均有一個以上的齒刀在切割樹枝，圓盤踞的切削力等于單個齒刀的切削力與同時參與切削的齒數的乘積，則圓盤鋸片的功率計算公式為：

p=M·ω·z/η

(2)

公式(2)中：

M—單齒的切削轉矩(N.m)；

ω—圓盤鋸片的角速度；

Z—為參與切削樹枝的齒數；

η—為機械效率(取0. 8)。

根據切削力可知，圓盤鋸的轉速為1 500r/min，則鋸片的角速度為157rad/s，以樹枝的最大切削直徑計算，則鋸片的最大切削齒數為2. 5，則切削功率的為P=54. 95～137. 4W。

2.2 電動果樹修枝鋸的設計

根據計算對切削參數的計算，設計電動果樹修枝鋸結構圖如圖2所示。電動修枝鋸是用角鐵作為機架，將長臂手柄與機架焊接為一體的設計。在機架的最前端安裝圓盤鋸片，一根主軸將圓盤鋸片與同步帶輪連接，主軸用兩個軸承支座固定在機架上。電動機固定在機架的另一端，驅動小同步帶輪轉動，通過同步帶將動力傳給大同步帶輪，從而帶動圓盤鋸片的轉動，達到切割樹枝的目的。軸承支座與電動機支座之間是可調的，以便于張緊皮帶輪。

圖2 電動果樹修枝鋸結構圖

根據切削參數的計算結果，選用RS775型永磁直流電動機，功率Pt=108W，額定電壓U=24V，額定電流I=4. 5A，額定轉速1 800r/min。果樹修枝機選用木工圓盤鋸片作為切削果樹枝條的作業工具，鋸片R=50mm，基片材料為65Mn，厚度為1. 2mm，齒寬為2mm，齒數為40齒。采用40齒的圓盤鋸片在鋸片的轉速、進給速度和外徑相同的條件下，增加鋸片齒數，可以增大參與切削嚙合的齒數，同時增大切削平面的光滑度。

2.3 太陽能光伏發電系統的設計

圖3 太陽能光伏發電系統設計框圖

太陽能光伏發電系統設計框圖如圖3所示，系統主要由太陽能電池陣列、蓄電池組，充放電控制器等元件組成。太陽能電池陣列采集太陽能源進行轉按鈕成電能，供給充電電路。充放電控制器主要由充電控制電路與放電控制電路組成，帶負載工作前，需要通過充電電路接收太陽能電池陣列的電能充電至畜電池組；工作時，則由畜電池組輸出穩定的直流電源給修枝鋸負載進行作業。為了使用方便，將整個太陽能光伏發電系統集成到一個小推車上。具體的設計簡圖如圖4所示，太陽能電池置于小車頂部，兩端用螺栓固定，并且可以沿電池的中心軸轉動，以便于隨時調整電池板角度。將蓄電池放在小車底部，降低小車的重心，以防止側翻。充放電控制器安裝在小車的正前面，有利于對該系統的控制。太陽能光伏發電系統中太陽能電池、充放電控制器、蓄電池之間用電線連接。為了使果樹修枝鋸使用方便，在小車內加裝一個搖臂式收線滾筒，擴大了操作者的活動范圍，降低了使用過程中小車的移動頻率，減輕了操作人員的勞動強度。

太陽能光伏發電系統的設計關鍵在于太陽能電池的選用，充放電控制器的設計以及蓄電池的容量設計與選型。設計時根據蓄電池負擔的工作部件所需的功率來設計蓄電池的容量，又可以根據充放電時間來選用適合的太陽能電池。

圖4 太陽能光伏發電系統圖

2.3.1 太陽能電池的選型

太陽能電池的選擇依據電動修枝鋸的負載要求進行選擇。根據果樹修枝鋸的設計要求，電動機選用24V直流電機，按最大需求功率計算，則果樹修枝鋸的工作電壓UL=24V，工作電流為4A，容量為8A·h，K為電壓轉換率(通常取1. 43)，因此U= 34. 32V，選用太陽能電池時，選用36V的太陽能電池板。因此，選用型號為GHM-150太陽能電池，功率為150W，電壓為36V，電流為4. 29A。

2.3.2 充放電控制器的設計

控制器是太陽能光伏發電系統中的主要部件，其可靠性直接影響整個系統及用電器的正常工作。控制器按照太陽能電池組件的最大輸出功率選型，并且具有夜間防反充電保護、蓄電池過充放電保護、蓄電池開路保護、負載過電壓保護、輸出過載保護、輸出短路保護以及太陽能電池和蓄電池接反保護等功能,設計選用多脈沖寬度調制的充放電控制器。多脈沖寬度調制也就是PWM脈沖寬度調制技術，是利用多個脈沖信號來控制充電與放電的電子開關，脈沖的寬度則可以控制電子開關接通或斷開時間的長短。根據電動修枝鋸太陽能系統充電和放電分開進行的特點，選用國產MPT-36型多脈沖寬度調制充放電控制器。MPT-36型控制器采用IGBT電力電子元件進行脈沖寬度調制，具有控制穩定、響應速度快等特點，能很好地應用于太陽能充放電的控制系統。

2.3.3 蓄電池組的容量設計

蓄電池組是存儲太陽能電池轉換的電能，工作時又給負載充電的裝置。由于太陽能電池輸出的能量是不穩定的以及負載使用的不定時性，太陽能光伏發電系統必須配備蓄電池才能夠提供對負載持續穩定的能量。當前使用的較為普遍的為鉛酸蓄電池，設計使用BW-24型鉛酸蓄電池組。

蓄電池組容量可根據公式(3)計算：

(3)

公式(3)中：B—為需要的蓄電池組容量(A·h)；

N—為維持天數；

t—為修正系數(取1. 35)；

DOD—為最大放電深度(深循環鉛蓄電池通常取0. 75)

通過計算，選取容量為24V8A·h的蓄電池組。

3 樣機的試驗分析

3.1 試驗條件和方法

根據設計內容研制了一臺試驗用樣機，如圖5所示。為了驗證樣機的結構設計和技術參數的合理性，試驗組人員在塔里木大學實驗果園對果樹修枝鋸的切削效果進行了現場測試。

3.1.1 試驗前，準備了電流表、游標卡尺等，將小推車放置在太陽光下為蓄電池充電，并對果樹枝條進行測量，選取0～10mm、10～20mm、20～30mm、30～35mm、35～40mm、40～50mm這樣不等直徑范圍的6組果樹枝作為切削試驗樣品。

3.1.2 試驗時，將電流表串接在果樹修枝鋸和蓄電池之間，打開控制開關，記錄此時的電流值，然后對6組不同粗細的樹枝分別進行切割，并記錄各組切削時的電流值。

3.1.3 試驗時，通過對比果樹修枝鋸切割不同直徑的樹枝的切削能力、切削斷面的平整度和切削時電流的峰值。

圖5 太陽能果樹修枝鋸試驗用樣機

3.2 試驗結果與分析

通過對6種不同樹枝樣品的切削試驗，得出如表1所示的切削試驗數據。

3.2.1 對直徑30mm以下的樹枝能夠很容易切斷，且切削斷面平整，產生的峰值電流均小于蓄電池最大輸出電流。

3.2.2 對直徑30mm～50mm的樹枝進行切削時，電流峰值有明顯增加，表明切削阻力有所增加，但切削情況平穩，蓄電池組供電情況良好。

表1 切削試驗數據記錄表

4 結論

通過對太陽能果樹修枝鋸的研究設計與試驗，表明了太陽能果樹修枝機適用于南疆地區果園的果樹枝修剪作業，具有較好的應用前景。

4.1 太陽能果樹修枝鋸能靈活應用，充電均可在果園進行，作業可進行移動式作業，使用方便，利于南疆地區矮化密植種植模式下的果樹修枝。

4.2 修枝裝置結構簡單，效率高，振動和沖擊少。

4.3 試驗樣機在對直徑50mm以下的樹枝進行切削時，切削情況平穩，切削斷面平整，太陽能供電情況良好。

4.4 本文所設計的裝置整體運行情況良好，可靠性高，與同等果樹修剪機相比，具備更高的切削效率，且具有良好的節能效果。

[1] 葛云,方玨,王世龍,等.矮化密植棗園機械化修剪技術現狀[J].農機化研究,2013(07)：249-252.

[2] 陳偉國,朱瀅元,董瑞華，等.便攜式圓盤鋸多功能桑樹伐條機的研制[J].蠶業科學,2012：1037-1043.

[3] 龍魁,劉進寶,張靜,等.葡萄修剪機械的發展現狀和趨勢[J].農機化研究,2014(03)：246-248.

[4] 李黎,李啟嶺.木材切削加工機械切削功率可靠性計算[J].北京林業大學學報，1995，17(4)：94-98.

[5] 李世葳,王述洋,王慧,張萬里.樹木整枝修剪機械現狀及發展趨勢[J].林業機械與木工設備.2008(01):15-16.

[6] 蔡良錐,方文熙,張德暉,等.TJDH30-2型氣動果樹修剪機的設計[A].中國農業工程學會2011年學術年會論文集[C].2011：112-116.

[7] 黃漢云.太陽能光伏發電應用原理[M].北京,化學工業出版社,2009：156-160.

[8] 史云鵬,王瑩瑩,李培芳.光伏系統中蓄電池充放電控制方案的探討[J].太陽能學報,2005(01)：86-89.

Design and Test of Fruiter-trimmer on the Solar Energy Electricity Generation Principle

Zhao Yingbiao1Chen Yi2Sun Quan1Chen Fangjiao1Wang Zhanling1Wang Xufeng1,3*

(1 College of Mechanical and Electrical Engineering, Tarim University, Alar， Xinjiang 843300)

(2 Quality and Technique Supervision Bureau of Alar Xinjiang, Alar， Xinjiang 843300)

(3 The Key Laboratory of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Alar， Xinjiang 843300)

The orchard in southern Xinjiang generally employ the pattern of dwarfing and high-density planting, and the traditional pruning machine for fruit trees has low pruning efficiency and bad application effect. According to situation, this paper presents a new pruning machine for fruit trees, which is designed according to the theories of solar photovoltaic power generation and machinery, and is powered by solar energy. This machine consists of solar photovoltaic power system and a device of electric pruning saw, and it is movable when being used in orchards. Based on the design parameters, a model machine for test has been successfully developed. Its mechanical performance has been tested by cutting tests. The result shows: the model machine can cut fresh fruit branches which diameter less than or equal 50mm with satisfactory effect of cutting. It can meet the work requirement of the orchards in Southern Xinjiang.The device is simple in structure and reliable performance, witch can effectively improve the efficiency of pruning branches and saves energy obviously.

solar energy; fruit pruning； design; test

2014-06-04

國家大學生創新創業訓練計劃項目(TDGCX201218)

趙穎彪(1990-)，男，2010級本科生，研究方向為農業機械裝備。E-mail:839547201@qq.com

*為通訊作者E-mail:wxfwyq@126.com

1009-0568(2015)01-0086-06

S776.27+4;S

ADOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2015.01.014