電動膠輥旋轉式油茶果采摘執行器設計與試驗

饒洪輝 張立勇 黃登昇 陳 斌 劉木華

(江西農業大學工學院， 南昌 330045)

0 引言

當前油茶果的采摘主要靠人工，效率低，成本高，且勞動力短缺，油茶果迫切需要機械化采摘。國外對林果機械采摘研究開展較早，其采摘方式主要有效率較高的振動采摘和技術要求較高的機器人采摘，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]。國內針對林果采摘機械的研究剛剛起步，在林果振動采摘模型、理論及物理樣機研制等方面陸續取得了一些成果，如對藍莓、山核桃、油茶果等的采摘[8-14]。另外，根據不同林果的特點，國內學者研制了一些樣機并開展了試驗。如高自成等[15]研制了齒梳式油茶果采摘機，該機采用回轉式齒梳采摘頭實現連續采摘，通過現場試驗驗證了機構的可行性。史高昆等[16]設計了一種基于伯努利原理的氣吸式紅棗收獲機械，該機械結構簡單、采摘效率較高，能實現紅棗的撿拾收集和除雜分選，該機械適用于南疆地矮化密植棗園。羅時挺等[17]設計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，從而達到采摘油茶果的目的。尹建軍等[18]設計了一種欠驅動雙指手葡萄采摘裝置，采摘試驗結果表明該裝置采摘率為100%，果實擠傷率為5.2%。

然而，油茶果作為我國特有的木本油料，其機械采摘國外無文獻報道，目前國內油茶果機械振動采摘尚處于理論研究階段，從成熟油茶果與果柄的結合力均大于油茶花苞與花柄的結合力(縱向拉斷和橫向扭斷力)來看[19]，其技術是否可行還有待深入研究?，F有的油茶果采摘機械尚需提高采摘效率，減少油茶花苞損傷。解決上述兩個問題的關鍵在于油茶果末端執行器的設計。輥式末端執行器具備良好的滾動性、耐磨性和較強的適應性，在農林作物收獲機械中應用較多，如在玉米摘穗機構、拔棉稈、秸草打捆和紅花采收等方面[20-24]開展了樣機研制及試驗，并取得了一些成果。

為此，借鑒上述膠輥采摘良好的機械性能和效率，設計一種電動膠輥旋轉式采摘執行器，通過上、下兩組膠輥旋轉喂入油茶果，以期提高油茶果采摘效率和減少油茶花苞損傷。

1 油茶果采摘末端執行器工作原理

設計的油茶果采摘末端執行器(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，膠輥回轉軸頭部有兩根可調伸縮桿。采摘機工作時，人工將裝有腳輪的采摘執行器推至油茶果樹前合適位置，操作螺桿可調節采摘頭的傾斜角度，以便采摘頭順利伸進油茶果枝，啟動直流電動機，電動機經減速器減速后，由主從動齒輪分別帶動側邊上、下鏈輪旋轉，鏈輪再分別帶動上、下膠輥組件做同步異向回轉運動，其中上膠輥組件做逆時針運動，下膠輥組件做順時針運動。通過調節回轉組件中伸縮桿上的螺旋段可以調節上下膠輥間距，膠輥在連續回轉和自轉過程中不斷將油茶果枝夾緊，油茶果在受到上下回轉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.回轉組件架 3.機架 4.電動機

2 油茶果采摘執行器采摘頭參數設計

2.1 采摘頭回轉組件結構及模型

采摘頭回轉組件包括回轉架組件和膠輥組件，其中回轉架組件主要由伸縮桿、伸縮座、回轉架、回轉軸構成；膠輥組件主要由膠輥、膠輥架、膠輥軸構成，其三維模型如圖2所示?；剞D架通過緊定螺釘安裝至回轉軸兩端上，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架上。伸縮桿外螺紋與伸縮座內螺紋通過牙面旋合，伸縮行程最大可達60 mm。膠輥架通過緊定螺釘安裝在膠輥軸兩端，膠輥兩側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稱布置。這種布置形式在工作時不僅能保證膠輥組件的采摘穩定性，而且能擴大油茶果采摘范圍。每根膠輥可以繞軸自轉，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.回轉架 5.回轉軸 6.伸縮桿 7.伸縮座

2.2 回轉組件上對輥間距及轉速確定

油茶果采摘裝置在作業時，回轉組件上對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。對輥間隙大，油茶樹枝喂入量增加，膠輥對油茶果的正壓力和摩擦力相應減小，油茶果難以被采落；對輥間隙小，則油茶樹枝喂入量較少，采摘效率較低。由相關文獻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]，根據油茶果及其花苞直徑的差異，初步確定回轉組件上對輥間距為20～65 mm。合理調節上、下回轉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，回轉架組件旋轉速度應合理設置，旋轉速度過大，會對油茶樹枝造成沖擊斷裂；轉速過小，則油茶果采摘效率將會大大降低。通過對油茶果相關特性研究，初步擬定回轉架角速度范圍為：每0.5 s至1 s間隔內膠輥與油茶果接觸一次。由于上下各有3組膠輥架，上下兩組膠輥旋轉相遇實現采摘油茶果時每組膠輥轉過的弧度φ為2π/3,則回轉架轉速范圍估算式為

ω=nπ/30=φ/t(0.5 s≤t≤1 s)

(1)

式中ω——回轉架角速度，rad/s

n——回轉架轉速，r/min

t——膠輥與油茶果接觸一次的時間間隔，s

φ——膠輥與油茶果接觸時間間隔內轉過的弧度，為2π/3

由式(1)得回轉架轉速n合適范圍為20 r/min≤n≤40 r/min。

2.3 采摘頭膠輥組件參數設計

2.3.1膠輥組件采摘油茶果作用形式

上、下膠輥組對油茶果的作用有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個過程，下面依次分析其作用機理。

(1)當采摘頭接近油茶樹時，膠輥與油茶果表面接觸，上、下膠輥做異向同步運動，如圖4a所示。此時膠輥在油茶果表面接觸位置處產生的正壓力大小相等，受力方向均指向油茶果球心。同時，由于油茶果表皮質地及粗糙程度大致相同，油茶果兩側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、下膠輥旋轉中心線垂直方向向前加速運動。

(2)隨著上下膠輥相向旋轉運動，當上、下膠輥運行至最低點時，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到最大值，油茶果果柄逐漸與油茶果枝拉緊。當膠輥對油茶果產生的作用力大于油茶果果柄與果枝結合力時，油茶果果柄與油茶果枝脫落。由于油茶花苞直徑遠小于油茶果直徑，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、下膠輥對油茶果表面的正壓力，N

f1、f2——油茶果兩側處形成的沿切線方向摩擦力，N

μ——油茶果與膠輥接觸時摩擦因數

結合式(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、下膠輥組旋轉中心距，mm

α1——膠輥中心和旋轉中心連線與上、下膠輥組旋轉中心線構成角度，(°)

R1——上膠輥組旋轉半徑，mm

r1——上膠輥組半徑，mm

r3——油茶果半徑，mm

F——油茶果兩側處形成沿切線方向的摩擦力合力，N

當膠輥運行至最低點位置處時見圖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)當膠輥與油茶果分離時見圖4c，此時有

(6)

由圖4c中幾何關系得

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

當油茶果進入膠輥中，油茶果能被膠輥組件順利采摘下來必須滿足關系式

(8)

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

Fδ——油茶果果柄與油茶樹枝的結合力

Δs——油茶果與膠輥由接觸至分離時運行距離

r2——下膠輥組半徑，mm

Δl——油茶果果柄與樹枝伸展長度

若油茶果未能在最低點與樹枝發生斷裂，則會在摩擦力f1、f2及正壓力F1、F2作用下運動。反之，當膠輥運行至圖4d所示位置時，油茶果將與上、下膠輥組發生碰撞脫落，以臨界速度v脫離膠輥。

3 油茶果采摘試驗

根據圖1研制了電動膠輥旋轉式油茶果采摘執行器，選取江西農業大學油茶林中長勢大致相同的油茶果樹枝共15枝，每枝上均長有油茶果和油茶花苞，如圖5a所示，圖5b是其中2枝。用游標卡尺測量并記錄每枝油茶果樹果枝上油茶果與花苞的數量和直徑。

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

采摘試驗參數為膠輥直徑為30 mm，間距為25 mm，膠輥旋轉速度為30 r/min，膠輥線速度為0.833 m/s，啟動電動膠輥旋轉式油茶果執行器，將15枝油茶果樹果枝分別伸入采摘執行器中進行采摘。單枝油茶果枝在采摘試驗過程中，依次歷經油茶果枝喂入、碰撞脫落、分離3個階段,如圖6所示。

為了進一步驗證樣機試驗效果，2017年10月下旬至11月初，課題組采用電動膠輥旋轉式采摘執行器在江西農業大學油茶林和工學院實驗室內進行了室內外試驗，如圖7、8所示。

在室外試驗過程中，油茶果與膠輥作用時存在碰撞與摩擦力，由于每個膠輥架均能轉動，膠輥架會因碰撞及摩擦力產生轉動，導致油茶果難以采落。針對上述問題，在室內試驗時，把膠輥間距調整為最小25 mm,膠輥架焊接固定，問題得以解決。

4 試驗結果與討論

4.1 油茶果采摘結果

采摘執行器進行油茶果室內單枝采摘試驗時，測量并記錄每組試驗號和油茶果枝中油茶果脫落情況及果徑，試驗數據如表1所示。

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

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

圖8 室內采摘試驗Fig.8 Indoor test of camellia fruit picking with rotate rubber roller

分析表1試驗數據可得，當上、下膠輥組間距為25 mm，試驗中油茶果直徑在26.5～40 mm時，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，油茶果未能被摘落。根據未采摘成功的油茶果數與總油茶果數之比計算漏采率，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。當油茶果直徑小于采摘頭膠輥組間距時，油茶果未能順利采摘；當油茶果直徑大于采摘頭膠輥組間距時，油茶果能順利被采摘。

4.2 油茶花苞損傷結果

由于油茶樹具有“花果同期”特點，在樣機機械采摘時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價標準)。進行室內單枝油茶樹枝采摘時油茶花苞損傷試驗，測量并記錄每組試驗號油茶樹枝中油茶花苞脫落情況和花苞直徑，其數據如表2所示。

分析表2試驗數據可知，油茶花苞直徑在7～11 mm時均未脫落且其表皮未見明顯損傷。因為油茶花苞直徑遠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。試驗中花苞損傷評價以采摘試驗中花苞是否脫落為標準，根據油茶花苞脫落數與油茶花苞總數之比計算花苞損傷率，其值為0，可見本文設計的電動膠輥旋轉式油茶果采摘執行器在采摘過程中對油茶花苞損傷較小。

表1 油茶果樹果枝采摘試驗果實脫落數據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，試驗參數為膠輥直徑30 mm、間距25 mm、膠輥旋轉速度30 r/min、膠輥線速度0.833 m/s。

表2 單枝油茶樹枝采摘時花苞脫落數據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，試驗參數為膠輥直徑30 mm、間距25 mm、膠輥旋轉速度30 r/min、膠輥線速度0.833 m/s。

4.3 試驗結果分析

采摘執行器室外試驗時油茶果枝由采摘頭自行喂入，在喂入前需要調節采摘頭的傾角。操作螺桿可頂起機架，從而改變采摘頭的傾角，以便油茶果枝順利喂入采摘頭。而室內試驗則由人工喂入，操作者可用手調整油茶果枝進入旋轉膠輥的位姿，以便油茶果枝的喂入。從試驗結果來看，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，但可能會降低油茶果枝喂入效率。試驗中膠輥組件轉速越高對油茶果及花苞作用力越大，試驗時先從低速加速到膠輥組件轉速為30 r/min時進行試驗，此時油茶花苞均未發生脫落，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，且膠輥材質表面較光滑，本身繞自身軸線旋轉，不容易損傷花苞及枝葉。隨著膠輥組件轉速進一步加大，膠輥對花苞的作用力將增大，花苞損傷率可能會增加。與齒梳式油茶果采摘機比較，本文設計的電動膠輥旋轉式油茶果采摘執行器體積較小，易在較密油茶林中作業；膠輥間距可調，可以適應不同直徑油茶果的采摘；膠輥可自轉且表面光滑，對油茶花苞的損傷較小。

5 結論

(1)為提高油茶果采摘效率，設計了一種電動膠輥旋轉式油茶果采摘裝置。油茶果能在上、下膠輥旋轉碰撞中脫落下來，由于膠輥材質表面較光滑，在采摘過程中可有效避免對油茶花苞的損傷。

(2)膠輥與油茶果在作用過程中依次經歷接觸、斷裂、分離3個階段，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合力，油茶果與膠輥由接觸至分離時運行距離應大于油茶果果柄與樹枝伸展長度。

(3)通過對回轉架組件參數設計，確定了上、下回轉架組件間距有效調節范圍為20～65 mm，初步擬定膠輥架轉速范圍為20～40 r/min。

(4)樣機的室內外采摘試驗結果表明，油茶果脫落效果與油茶果直徑、上下膠輥組間距因素有關，當油茶果直徑小于采摘頭膠輥組間距時，油茶果無法采落。當油茶果直徑大于采摘頭膠輥組間距時，油茶果能順利從樹枝上脫離下來。當膠輥回轉組件轉速為30 r/min時，膠輥間距為25 mm，樣機順利采摘直徑在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，初步驗證了該樣機的實用性。