便攜式山核桃高空拍打采摘機設計與試驗

曹成茂　詹　超　孫　燕　李澤澤　吳問天　丁　冉

(安徽農業大學工學院， 合肥 230036)

0　引言

山核桃主要分布在浙江省臨安、淳安，安徽省寧國、歙縣等天目山區一帶，平均海拔50～1 200 m，坡度可達30°，山核桃一般樹高8～12 m，最高可達20 m，導致其采摘困難，作業強度大[1-2]，山核桃采摘是一種季節性較強、勞動密集的收獲過程，若采收不及時，會直接影響山核桃質量，并造成巨大經濟損失[3-5]。國外雖對采摘機械研究較早，但還未有山核桃采摘機械，主要有針對杏、扁桃、油橄欖、開心果等林果振動采收機械的研究，采收效果非常好，采收采凈率最高可達90%以上，且激振頻率對采收效果影響較大[6-13]。但此類采收機多為大型車載機械，不僅成本高，且在地形復雜的山區作業十分困難，不適合山核桃種植模式。目前，國內對采摘機械的研究還處于起步階段，王業成等[14-15]研究了便攜式小漿果采收器，該裝置局限于小漿果的采收。陸懷民[16]研究了林木球果采集機器人，該機器人采摘效率、采凈率高。新疆農墾科學院機械裝備研究所[17-19]研究生產出VIBROLIV干果采收機，對于紅棗、沙棗采收切實可行，但機具機型較大，不適于密植型果園采摘。因此，本文設計小機型、高效率且對山核桃采摘及生長環境有較強適應性，具有較高采凈率和對山核桃樹較低損傷率的便攜式高空采摘機，以降低采收成本，提高采收效率，解決山核桃采收難的問題。

1　山核桃果實與樹枝的分離力試驗

1.1　試驗設備與方法

山核桃果實與樹枝的分離力是設計采摘機構的重要依據，就目前為止，對分離力研究的文獻很少。為了獲得山核桃果實與樹枝的分離力，課題組于2015年9月在寧國市山核桃種植基地對果實與樹枝的分離力進行測試。采用數顯拉力計(型號：ZP-50，量程：0～50 N,精度：±0.1%)測定果實與樹枝分離力。因山核桃樹枝作為一種彈性體，在采摘時會因樹枝的搖擺而消耗一部分能量，從而影響測量數據，為了保證測量數據準確，試驗采取兩種方案：一組是固定長有果實的末端樹枝；另一組是不固定長有果實的末端樹枝。因施加于果實上的作用力方向不同，測量得到的果實與樹枝的分離力也不同，所以沿著與果實自然生長方向偏角呈0°、30°、 60° 3個方向進行試驗，測試果實與樹枝的分離力時，每組試驗的樣本數量均為30個[20]。山核桃樣本果柄與果實分離力的具體數據見圖1、2。

圖1　山核桃末端樹枝固定時不同作用力方向下的果實與樹枝的分離力Fig.1　Separation force of fruit and tree branches in direction of different cutting forces when branches of pecan were fixed

圖2　山核桃末端樹枝不固定時不同作用力方向下的果實與樹枝的分離力Fig.2　Separation force of fruit and tree branches in direction of different cutting forces when branches of pecan were not fixed

1.2　試驗結果分析

由圖1可知：大部分的果樹分離位置為果實與果柄連接處，并且分離力的大小隨作用力方向變化而改變，作用力方向與果實自然生長方向呈0°時，絕大多數果樹的分離力低于20 N，最大分離力呈30 N左右，計算得平均分離力為11.06 N；作用力方向與果實自然生長方向呈30°時，可測得果樹的分離力最大為35 N，大多數分離力在0～15 N之間，平均分離力為12.17 N；當作用力方向夾角為60°時，可發現果樹分離力大部分大于20 N，20 N以上力的個數多于0°、30°方向上的個數，且分離力最大達到40 N，平均分離力為15.13 N。

圖2與圖1相對比，可發現分離位置在果實與果柄處的果實個數相對減少，分離力大小分布也發生變化。作用力方向與果實自然生長方向呈0°和60°時，分離力相對降低，其平均分離力分別為8.06 N和12.74 N。作用力方向與果實自然生長方向呈30°時，分離力較0°和60°時相對增加，平均分離力達19.48 N。

根據測量數據分析可知，果實與樹枝分離位置主要在果實與果柄連接處，且分離力的大小與末端枝干是否受固定及作用力作用方向有關。末端枝干被固定時，平均分離力隨作用力方向與果樹自然生長方向夾角的增加而增加，分離力最大值可達40 N。末端枝干不固定時，因果實與樹枝一起來回擺動，作用力方向為0°和 60°時平均分離力較小，在30°時平均分離力相對增大，達18.48 N，分離力最大接近42 N。

2　總體結構與工作原理

2.1　總體結構

仿人工拍打高空便攜式山核桃采摘裝置主要由背負式汽油機、鋼絲軟軸、傳動軸、油門控制裝置、多節采摘桿、快接接頭、拍打機構及拍打桿等組成，總體結構如圖3所示。拍打桿和拍打機構安裝在采摘桿的上端，采摘桿之間通過快接接頭連接，傳動軸安裝在采摘桿的內部，其下端通過鋼絲軟軸與汽油機輸出口相連，靠近采摘桿下端安裝一個汽油機油門控制裝置。

圖3　仿人工拍打高空便攜式山核桃采摘裝置結構示意圖Fig.3　Structure diagram of artificial high-altitude portable tapping pecan picking device 1.動力源　2.控制線　3.拍打桿　4.拍打機構　5.快接接頭　6.采摘桿　7.油門控制裝置　8.傳動軸　9.連接套　10.方形聯軸器　11.鋼絲軟軸　12.橡膠管

2.2　工作原理

首先，將拍打桿靠近有山核桃的樹枝枝干，通過開啟并且調節第一節采摘桿上的油門控制件，保證所產生的最終拍打力不僅能夠將山核桃拍打下來且不會對樹干造成損傷，動力源開啟后，動力通過鋼絲軟軸傳輸給傳動軸，接著傳動軸將動力傳遞給拍打機構內偏心輪，偏心輪轉動帶動從動擺件左右搖擺，而從動擺件上的拍打桿隨著從動擺件的搖擺產生拍打力，當動力源的輸出轉速達到一定值時，拍打機構所產生的拍打力對山核桃枝干產生慣性力，從而帶動樹枝上的果實以一定的振動形式振動并加速運動，果實在受到大于果實與樹枝的結合力時的慣性力將會脫落，實現采摘。當高度不夠時，可用快接接頭將兩個采摘桿連接起來，從而加長采摘桿長度，實現拍打裝置的高空采摘。

3　主要部件設計

3.1　伸縮結構設計

采用快接接頭連接采摘桿，增加采摘桿的長度，實現伸縮功能，管狀采摘桿材料選用硬鋁合金桿，每節桿長2 m，根據高度的需要可以自行增加采摘桿的節數，快接接頭如圖4所示。當高度不夠時，可用快接接頭將兩個采摘桿連接起來，采摘桿內的傳動軸通過快接接頭內的九齒通孔連接傳遞動力，采摘桿與快接接頭的套筒連接，當卡片與采摘桿端部的孔卡死，且快接接頭底部緊固螺釘與采摘桿孔配對時，再按壓擋片，擰緊手柄螺栓，完成兩個采摘桿連接，從而加長采摘桿長度，實現拍打裝置的高空采摘。

圖4　快接接頭結構示意圖Fig.4　Quick connector structure diagram1.套管　2.九齒通軸　3.軸承　4.手柄螺栓　5.擋片　6.卡片 7.彈簧

3.2　拍打機構結構設計

圖5　拍打機構結構示意圖Fig.5　Flapping structure diagram1.偏心輪　2.從動擺件　3.殼體　4.機油泵　5.第一弧齒圓錐齒輪　6.第二弧齒圓錐齒輪

拍打機構是仿人工拍打高空便攜式山核桃采摘裝置的關鍵部件。拍打機構主要由偏心輪、從動擺件、殼體、機油泵、第一弧齒圓錐齒輪、第二弧齒圓錐齒輪和拍打桿組成，如圖5所示。其中第一弧齒圓錐齒輪通過鍵與最上端的采摘桿中的傳動軸上端連接，且第一弧齒圓錐齒輪與第二弧齒圓錐齒輪外嚙合，機油泵與第二弧齒圓錐齒輪接觸，偏心輪通過軸與第二弧齒圓錐齒輪連接，從動擺件內輪廓與偏心輪外輪廓接觸，拍打桿通過螺栓與從動擺件連接。拍打機構安裝于采摘桿頭部，當動力源開啟后，動力通過鋼絲軟軸傳輸給傳動軸，接著傳動軸將動力傳給拍打機構里的第一弧齒圓錐齒輪，第一弧齒圓錐齒輪通過外嚙合帶動第二弧齒圓錐齒輪，第二弧齒圓錐齒輪帶動用軸連接的偏心輪，偏心輪轉動帶動從動擺件左右搖擺，而從動擺件上的拍打桿隨著從動擺件的搖擺產生拍打力，當動力源的輸出轉速達到一定值時，拍打機構所產生的拍打力可將果樹上的山核桃拍打下來，實現采摘過程。

3.2.1機械的高副低代

圖6所示為偏心凸輪幾何半徑為R，偏心距為e，當凸輪與擺動件擺桿擺動中心中心距為a0時，此時偏心輪機構在起始位置，即偏心輪凸輪轉角φ=0°。在偏心凸輪機構順時針轉過φ后，采用高副低代方式將其簡化為擺桿導桿機構，并在平面建立坐標系XC0Y。各構件長度分別為:曲柄lOB=e，導桿lAC=L，機架lOA=a0,曲柄與滑塊鉸接點轉動中心距lBC=R。因此，曲柄OB與導桿AC分別表示凸輪與擺動件擺桿，其轉動方向與擺動方向相一致，滑塊沿AC的滑動表示為凸輪相對擺動件擺桿的滑動。

圖6　偏心凸輪結構與運動簡圖Fig.6　Eccentric cam structure and motion diagram

3.2.2運動規律的確定

根據幾何關系，向量等式lOB+lBC=lOA+lAC在兩坐標軸上的投影方程有

(1)

其中

(2)

式中φ——凸輪轉角Φ——擺桿擺角

(1)擺桿擺角Φ和擺桿長L的確定

令

(3)

(4)

將式(3)、(4)代入式(1)得

(5)

(6)

式(5)乘以cosΦ,式(6)乘以sinΦ，相減得

AcosΦ+BsinΦ-R=0

解得

(7)

式(5)乘以sinΦ,式(6)乘以cosΦ，相加得

L=BcosΦ-AsinΦ

(8)

(2)擺桿擺動角速度ω2和凸輪相對擺桿滑動速度v的確定

式(1)對時間求導數，得

eω1sinφ-Rω2sinΦ=vsinΦ+Lω2cosΦ
eω1cosφ-Rω2cosΦ=vcosΦ-Lω2sinΦ

其中

ω1=dφ/dt

ω2=dΦ/dt

v=dL/dt

式中ω1——凸輪轉動角速度

ω2——擺桿擺動角速度

v——凸輪相對于擺桿滑動速度

式(9)乘以cosΦ，式(10)乘以sinΦ，相減得

ω2=eω1sin(φ-Φ)/L

(11)

式(9)乘以sinΦ,式(10)乘以cosΦ，相加得

v=eω1cos(φ-Φ)-Rω2

(12)

(3)擺桿擺動角加速度α2和凸輪相對于擺桿滑動加速度a的確定

式(9)、(10)對時間求導數，得

(13)

(14)

其中

α1=dω1/dt

α2=dω2/dt

a=dv/dt

式中α1——凸輪轉動角加速度

α2——擺桿擺動角加速度

a——凸輪相對于擺桿滑動加速度

式(13)乘以cosΦ，式(14)乘以sinΦ，相減得

(15)

式(13)乘以sinφ，式(14)乘以cosΦ，相加得

(16)

3.2.3計算結果分析

偏心凸輪機構參數主要有偏心輪凸輪幾何半徑R、偏心距e、凸輪與擺動件擺桿擺動中心中心距a0。由上述公式可知，當改變3個結構參數中的任意一個參數，偏心凸輪機構的運動狀態就會隨之變化，根據實際山核桃枝干間距，以及盡量減少采摘機構重量的情況下，本文偏心輪數據確定為a0=50 mm、R=15 mm、e=7.5 mm。

4　拍打機構虛擬仿真

4.1　ADAMS仿真模型

為了盡量真實模擬偏心輪機構的拍打作業狀況和簡化模型，僅對其中的拍打部分機構建模并導入ADAMS中進行運動仿真。首先將拍打桿與從動擺件之間創建固定副。從動擺件和大地之間添加轉動副。將偏心輪與大地之間添加轉動副，同時在偏心輪與從動擺件之間添加接觸力，形式為實體與實體接觸。最后，在上述偏心輪的轉動副上添加驅動用來提供主動力，使得拍打桿做擺動運動。根據汽油機輸出轉速，可得到拍打機構的偏心輪旋轉速度，模型添加完整約束后如圖7所示。

圖7　完整約束狀態下的仿真模型Fig.7　Simulation model with complete constrain

4.2　拍打機構仿真分析

設置仿真分析終止時間為0.3 s，仿真計算的時間間隔為0.01 s，待仿真結束后進入后期處理模塊，選取拍打桿的質心點paidagan1.CM作為對象，得到拍打桿質心沿Z軸方向的角速度、角加速度和擺角的運動曲線，如圖8所示。

圖8　拍打桿質心沿Z軸方向的角速度、角加速度和擺角運動曲線Fig.8　Angular velocity, angular acceleration, and angle of pendulum in direction of Z axis

由圖8可知擺桿最大角速度ω2=13.15 rad/s，為了減小采摘拍打桿在拍打過程中對枝芽損傷，設計的采摘拍打桿使用材料為橡膠樹脂，且長度L=0.48 m，總質量為m=0.5 kg。采摘拍打桿頭部拍打力

F=ma=mω2L=0.5×13.152×0.48=41.5 N

根據山核桃果樹與果實分離力測試實驗，其果實脫落的拍打力最大需要達到40 N, 而采摘拍打桿拍打力F=41.5 N>40 N,因此采摘拍打桿拍打力滿足山核桃采摘條件。

5　山核桃拍打采摘性能試驗

試驗研究拍打頻率對采摘效果的影響，從而確定最佳采摘參數，為實際生產提供有效幫助。 試驗內容包括：研究采摘機械采摘后對果樹枝芽損傷情況；研究采摘機械對果實采凈率的影響；研究采摘機械采摘果實效率。

5.1　條件與方法

2016年9月16日在寧國市胡樂鎮麻姑嶺山核桃種植基地進行采摘試驗。在山核桃種植基地中，樹高8～10 m，果樹冠寬4～6 m，海拔50～200 m，坡度5°～30°，圖9是山核桃采摘試驗現場。在試驗時隨機選取10棵與之前選取的10棵樹形相似，且處于同一生長期的山核桃樹進行試驗，試驗采用4種不同拍打頻率，分別為3.33、6.67、10.00、13.33 Hz，并得到對應頻率的果實采凈率，如表1～4所示。

圖9　仿人工拍打高空便攜式山核桃采摘樣機試驗Fig.9　Imitation of artificial high altitude portable tapping pecan picking prototype test

枝條編號采摘前顆數采摘后顆數采下顆數11641135122011455631258441416712245518213052615810652722116358819515144914110239101349341

5.2　采凈率計算方法

根據計數法計算采凈率。用山核桃采摘機采摘后拾取并記錄落果的個數，然后采用人工采摘拍打法將未脫落的果實打落拾取并記錄落果個數，最后計算采凈率

表2　f=6.67 Hz山核桃采摘原始數據Tab.2　Pecan picking raw data at f=6.67 Hz

表3　f=10.00 Hz山核桃采摘原始數據Tab.3　Pecan picking raw data at f=10.00 Hz

表4　f=13.33 Hz山核桃采摘原始數據Tab.4　Pecan picking raw data at f=13.33 Hz

(17)

式中P1——采凈率，%

Nr——采摘機采摘落果數，個

Nu——采摘未脫落果實數，個

5.3　數據處理方法

采凈率的試驗數據采用SPSS 18.0分析軟件進行分析，對采凈率進行方差分析，檢驗采摘拍打頻率對采凈率的顯著性，根據方差分析結果，對采凈率相對于拍打頻率進行線性分析，最后建立回歸模型，分析回歸模型的相關系數，確定回歸模型的可靠性。

5.4　試驗結果與分析

5.4.1拍打頻率對果實采凈率的影響

由于山核桃采摘過程的動態性及其生長的多樣性，試驗中通過山核桃的采摘，對比采摘前后山核桃在枝干上的果實分布，分析仿真試驗結果：通過試驗數據分析采摘頻率對采凈率、山核桃枝干損傷率的影響。

不同采摘頻率下采摘果實脫落效果圖如圖10所示，表5為相同采摘條件、不同采摘頻率作用下采摘機的采凈率。試驗結果表明:在給定顯著性水平0.05條件下，拍打頻率對果實采凈率具有顯著性影響，其決定系數R2為0.981。拍打頻率在3.33、6.67、10.00、13.33 Hz 4個水平間差異性顯著，各組水平對果實采凈率都有顯著性的影響。在13.33 Hz時采凈率最高可以達到92.3%。

圖10　不同拍打頻率試驗效果Fig.10　Test results at different beat frequencies

采摘頻率/Hz采凈率/%平均值最大值最小值標準差3.3328.9d32.822.63.16.6748.8c58.240.84.510.0085.1b90.582.34.213.3390.3a92.386.12.5

注：同列不同字母代表差異性顯著，顯著性水平P=0.05。

5.4.2果實采凈率回歸分析

由于拍打頻率對果實采凈率具有顯著性影響，為了了解顯著性影響規律，對拍打頻率采用一元多項式的回歸。假設回歸模型為

P1=AfB

(18)

式中f——采摘頻率，Hz

A、B——系數

通過回歸分析可得多項式回歸方差分析表、回歸參數估計和t檢驗表，分別如表6、7所示。

表6　多項式回歸方差分析Tab.6　Variance analysis of polynomial regression

表7　多項式回歸參數估計和t檢驗Tab.7　Polynomial regression parameter estimation and t test

由多項式回歸方差分析可知：用于擬合優度檢驗的決定系數R2=0.970，擬合程度很高，所以回歸模型可以接受。用于回歸模型顯著性檢驗的P值為0.015，所以在顯著性水平α=0.05的條件下十分顯著，所以回歸模型的假設正確，回歸模型整體顯著。多項式回歸參數估計表明：回歸模型的常數項和指數參數估計分別為9.980和0.875，對應的顯著性檢驗P值均小于0.05，因此在給定顯著性水平α=0.05的條件下非常顯著。拍打頻率f與采凈率P1的多項式回歸模型P1=9.98f0.875，擬合曲線如圖11所示。

分析圖11可以得出：采凈率隨著拍打頻率增大而增大，拍打頻率在6.67 Hz 時采凈率約為3.33 Hz的1.69倍，10.00 Hz 時采凈率比6.67 Hz時高36.3%，13.33 Hz時采凈率比10.00 Hz時高5.2%，在6.67～10.00 Hz范圍內采凈率變化程度比10～13.33 Hz范圍內采凈率變化程度大。同時果樹損傷率與采摘頻率也成正比，隨著采摘頻率增大，對果樹枝芽損傷率也加大。

圖11　果實采凈率回歸模型曲線Fig.11　Regression curve of fruit removal percentage

綜合分析試驗結果可知：果實采凈率隨拍打頻率的增大而增加，但拍打頻率越高，對枝芽損傷也就會越大，影響來年果實產量，因此必須合理控制拍打頻率，在考慮果實成熟期差異、采凈率及枝芽損傷的情況下，應將拍打頻率控制在10.00～13.33 Hz范圍內，由回歸模型方程可知，平均采凈率為85.1%～90.3%。對未脫落果實可在成熟后進行二次機械采摘或者人工采收。

6　結論

(1)針對我國山核桃高空采摘困難及機械化作業條件差的特點，設計了仿人工高空拍打便攜式山核桃采摘裝置，采摘裝置主要由采摘桿、快接接頭、拍打機構等關鍵部件組成，采摘裝置能夠有效解決山核桃采摘作業困難要求。

(2)山核桃果實與樹枝分離的位置主要在果實與果柄的結合處；分離力的大小與末端枝干是否受固定及作用力作用方向有關。

(3)采用設計的山核桃采摘樣機進行采摘試驗，通過對比分析試驗時落果情況，在不同拍打頻率條件下采凈率的對比，以及考慮不同采摘頻率對果樹枝芽的損傷：拍打頻率在13.33 Hz下，滿足山核桃采摘條件，采凈率達90.3%，且對果樹枝芽損傷較小。

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