手持式柑橘除梢機的設計與試驗

葉昌曉，洪添勝，李 震，吳偉斌，王建波，劉 岳

(華南農業大學 國家柑橘產業技術體系機械化研究室/廣東省山地果園機械創新工程技術研究中心，廣州 510642)

0 引言

柑橘是一年多次抽發新梢的果樹，其新梢按抽發時期可分為春梢、夏梢和秋梢。夏梢的抽發期與幼果的生長期重疊，夏梢的抽發與幼果爭奪養發，引發幼果大量脫落，且容易引發病蟲害[1]，早期抽發的秋梢是柑橘黃龍病的傳播媒介木虱產卵的溫床[2]，因此夏梢和早期秋梢都需及時除去。目前，去除柑橘新梢主要有營養控梢、物理除梢和化學殺梢劑等技術手段。對于營養控梢法，新梢抽發的早期仍需進行除梢，且效果不顯著[3];若使用化學殺梢劑進行殺梢，極易對老葉及幼果產生藥害，且對下季度新梢的抽發產生影響，從而影響樹勢[4]。目前，國內柑橘除梢工作仍以人工除梢為主。

柑橘新梢的抽發具有抽發量大、抽發周期長及抽發反復性高的特點，因此人工除梢是一項勞動強度大、勞動成本高、消耗時間長的工作。由于柑橘樹樹體高大，常需架梯作業，使得人工除梢工作具有一定的危險性且反復上下梯還降低了除梢的效率。為此，設計了一種手持式柑橘除梢機，并進行了整機除梢性能試驗，以期降低人工除梢強度、提高人工除梢效率。

1 柑橘新梢特性與除梢機設計要求

柑橘新梢大多抽發在果樹樹冠末端，少數抽發在主干及分支上。果樹樹冠末端抽發的新梢位于兩片或多片葉子之間，新梢抽發初期梢稈纖細，梢稈根部直徑在3mm左右，抽發初期的新梢具有含水率高、硬度小和木質化程度低等特點，此時是去除柑橘新梢的最佳時間。

我國柑橘種植規模雖然很大，但是我國90%的柑橘種植在丘陵山地上，且種植間距較窄，果樹長大之后果樹間的作業空間更為狹窄，使得許多大中型果園管理機械無法進入果園作業[5]。因此，針對我國柑橘種植情況及柑橘新梢特性，總結了柑橘除梢機的4點設計要求：①新梢割除后理想的切割面應是光滑的圓形或者橢圓形，且留茬長度在10mm以下較為理想，因此要求切割刀具有良好的切削性；②由于新梢抽發在茂密的樹冠中，除梢機除掉新梢的同時應對果樹其他枝葉的損傷較小；③由于果樹高矮不一，樹冠大小不同，該除梢機應能調節作業高度，適應不同的樹高；④該除梢機需結構簡單、質量小、操作簡單，以便在狹小的果樹間距里工作。

2 主要結構與工作原理

2.1 主要結構

柑橘除梢機主要由切割組件、伸縮桿組件及動力控制組件等組成，如圖1所示。切割組件由直流無刷電機、電機連接軸套和圓鋸片等組成，電機連接軸套直接與電機輸出軸連接，鋸片通過螺母固定于電機連接軸套上；伸縮桿組件由可伸縮鋁管和鉸接式連接頭組成，無刷電機通過法蘭盤連接在伸縮桿組件上；動力控制組件由無刷電調電子調速器、舵機測試儀和鋰電池組成，無刷電調電子調速器和鋰電池外置于掛包中，不計入整機總質量中。

1.鉸接式連接頭 2.法蘭盤 3.直流無刷電機 4.電機連接軸套 5.圓鋸片 6.伸縮桿 7.鋰電池 8.舵機測試儀 9.無刷電調電子調速器

2.2 工作原理

柑橘除梢機作業時，以11.1V的鋰電池作為電源給無刷電機提供動力，通過無刷電機電子調速器和舵機測試儀對無刷電機進行啟動和調速[6]。無刷電機啟動后帶動電機軸上安裝的圓鋸片高速旋轉，高速旋轉的圓鋸片將新梢從根部適當位置切斷。調整伸縮桿的伸縮量可改變作業高度，調整鉸接式連接頭可改變鋸片的切割傾角。

2.3 主要技術參數

通過柑橘山地果園作業需求，結合山地果園種植特點及機械設計標準，確定柑橘除梢機主要技術參數，如表1所示。

表1 柑橘除梢機主要技術參數

3 關鍵部位設計及主要參數確定

3.1 除梢機切割組件設計

3.1.1 切割鋸片的參數確定

由于果樹冠層的復雜性，鋸片作業的空間十分有限，對長度15cm左右的柑橘新梢的幾何參數進行測量，如圖2所示。測量的幾何參數：葉梢傾角和雙葉傾角。新梢梢稈與周圍葉片之間較小夾角為葉梢傾角，新梢周圍兩葉片的夾角為雙葉傾角，測量結果如表2所示。

圖2 正視圖傾角參數

表2 新梢傾角參數

通過對新梢幾何參數的測量，且采用滑切的切割方式，為降低功耗，一般滑切角在20°～55°的范圍內選取比較合適。為滿足留茬長度小于10mm的條件及較好地減少對枝葉的損傷，鋸片直徑選擇35～50mm為佳。本文選用直徑為44mm，齒數為36，孔徑為6.35mm，厚度為0.8mm，前角為15°的高速鋼圓鋸片。

3.1.2 鋸片轉速確定

所選擇的旋轉刀片切割方式屬于無支撐切割，由材料力學分析知，為獲得更好的切割效果，應增大梢稈慣性力和梢稈的反彈力，因此除了盡可能降低割除高度外,還應提高切割線速度。鋸片切割速度圖如圖3所示。其中，v是鋸片的齒尖線速度和手持桿進給速度的合成；v1為鋸片的齒尖線速度；v2為手持桿進給速度，即操作者手持除梢機移向新梢的速度，此速度約為0.07m/s[7]。

圖3 鋸片速度圖

根據飼草切割機理，無支撐切割的最低切割速度必須大于一定數值，才能保障鋸片順利地進行無支撐切割，最低速度應不小于30m/s。考慮到機具的可靠性和安全性，初步確定鋸片齒尖線速度為35m/s。轉速公式為[8]

式中v1—鋸片齒尖線速度(m/s)；

n—鋸片轉速(r/min)；

D—鋸片直徑(mm)。

可計算出鋸片轉速為15 192r/min，根據鋸片進給量公式有

式中v2—手持桿進給速度(m/s)；

uz—鋸片每齒進給量(mm)；

z—鋸片齒數。

將z=36、v2=0.07m/s及n=15 192r/min帶入式中，計算得鋸片每齒進給量uz=0.13mm，滿足木材鋸切推薦的每齒進給量0.1～0.2mm[9]。

3.1.3 電機轉軸的設計

設計的切割鋸片直接安裝于電機輸出軸上，工作時會受到刀片的轉矩等因素影響，產生一定的沖擊和振動，因此應考慮轉軸的強度要求[9]。軸的扭轉強度條件為

式中τT—扭轉切應力(MPa)；

T—軸所受的扭矩(N·mm)；

WT—軸的抗扭截面系數(mm3)；

n—軸的轉速(r/min)；

P—軸傳遞的功率(kW)；

d—計算截面處的直徑(mm)；

[τT] —許用扭轉切應力(MPa)。

由上式可得軸的直徑為

3.2 伸縮桿設計

柑橘除梢機伸縮桿采用鋁合金材料。鋁合金材料密度較小，強度與質量比高[11]。為滿足人手握桿的舒適性要求，手持桿的直徑應適中，通過對比，最終選擇最大徑22mm，中間直徑19mm，最小徑17mm的三節式伸縮鋁管。該伸縮桿最大伸縮長度可達1.6m，操作者手持可達到果樹最高高度，最小伸縮長度0.63m，便于不工作時存放。

3.3 電機電池參數的確定

根據電機設計轉速為15 192r/min，且考慮電機質量和體積的因素，選擇高速航模無刷電機，型號為新西達A2212kV2200外轉子無刷電機，KV的定義為r/V，即輸入電壓增加1V，無刷電機空轉轉速增加的轉速值。該電機的外形尺寸為27.8mm×28mm，質量為48g，輸出軸徑3.17mm。因此，電源選用TCB航模鋰電池，型號為10000maH/11.1V/25C,外形尺寸為168mm×66mm×29.5mm，質量為688g,鋰電池外置于挎包內，不計入整機總質量。經測定，無刷電機空轉電流約為1.21A，切割時電流約為1.84A，工作電壓約為11.5V，故采用的單塊鋰電池可以連續工作6h以上，配備兩塊電池可連續工作12h。

4 手持桿的靜態受力分析

持桿的簡化力學模型如圖4所示。其中，AC為桿的全長，AC=1.6m；AB為手持時兩手距離，AB=0.4m。假設桿為質量均勻分布的桿，D為桿AC的重心位置，C處為工作組件安裝的位置。其中，工作組件的質量m1=145g,鋁合金桿的總質量為225g,持桿時手對桿有作用力F1、F2和Ff，設桿AC與水平地面的夾角為α。

圖4 力學分析圖

由∑MA=0，F2·AB=G·ADcosα+G1ACcosα，得F2=10.09cosα；由∑MB=0，F1·AB=G1·BCcosα+G1·BDcosα，得F1=6.47cosα；由∑F=0，Ff=Gsinα+G1sinα，得Ff=3.63sinα。

以平均身高1.7m的男子進行作業，伸縮桿下端距離地面1.2m，當切割組件接近平均樹高2.5m的位置時，由以上計算可知，α≈55°。此時F1=3.7N,F2=5.79N,操作非常輕松，人的頭部上仰角度θ≤34°，頭部上仰角度小，方便進行長時間工作。在平均圓周半徑為1.3m的樹體進行作業時，可達到的最高作業高度為3.1m，對于平均樹高2.5m的果園，基本滿足不同高度新梢的作業要求。

5 試驗研究與結果分析

性能試驗選擇在江西省安遠縣孔田鎮的山地果園種植區進行。選擇5年樹齡的紐荷爾臍橙抽發的新梢作為試驗對象，該地區是贛南地區主要的柑橘生產地之一，柑橘均種植在山地上。由于山地限制，果樹平均種植間隔3m，平均樹高2.5m[12]。

5.1 除梢機切割性能試驗與結果分析

選擇對象為7月中旬抽發的秋梢，以10～15cm左右長的梢稈為試驗對象，通過控制電機轉速在15 192r/min時進行除梢工作，每組試驗材料選至于一棵果樹上符合條件的所有新梢，記錄每組新梢的總數量、梢稈根部直徑和未完全切斷稈數。表3為試驗結果。

表3 除梢機切割性能試驗結果

分析表3的試驗數據：在鋸片切割線速度恒定的情況下，所統計的梢稈根部直徑在小于2.8mm、2.8～3.3mm和大于3.3mm的未完全切斷率分別為0%、4.1%、15.7%，整體未完全切斷率為6.2%，完全切斷率為93.8%，未完全切斷率低，隨著梢稈根部直徑的增加，梢稈未完全切斷率隨之增加，根據灌木切割機理，因為梢稈直徑增加，導致切割線速度和進給速度不完全匹配，可適當增加進給速度提高完全切斷率。

5.2 新梢留茬長度試驗與結果分析

對除梢機切割性能試驗后的其他數據進行統計，統計每一組新梢的總數量、新梢所處高度和切割后新梢留茬長度，以新梢切割后留茬長度小于10mm為理想結果。表4為統計結果。

表4 新梢留茬長度試驗結果

分析表4：所統計的新梢所處高度小于1.5m、1.5～2.5m和2.5～3.1m的切割后的留茬長度理想率分別為85%、95.3%和80%。該除梢機在新梢所處高度為1.5～2.5m時留茬長度理想率最高為95.3%，在所有高度的留茬長度理想率為88.4%。在2.5～3.1m高度作業時留茬長度理想率較低，是由于高度較高，鋸片定位至梢稈根部較難，如追求留茬長度理想化，將導致對其他枝葉的損傷較大。

6 結論

1)設計了一種手持式柑橘除梢機，主要由切割組件、伸縮桿組件與動力控制組件組成，整機質量370g，操作輕便。該機可達到的最大工作高度為3.1m，基本滿足不同高度新梢的作業要求，可連續工作12h以上。

2)介紹了梢稈切割機理，指出圓鋸片切割為無支撐切割，并對鋸片齒尖線速度和手持桿進給速度的匹配問題進行了計算與分析，得出除梢機作業適宜的鋸片齒尖線速度為35m/s。

3)該除梢機進行除梢作業時，梢稈完全切斷率為93.8%，除梢成功率高。除梢后留茬長度理想率達88.4%，除梢性能優良。