油茶果分層采收裝置設計與試驗

饒洪輝 王玉龍 李慶松 王保陽 楊家林 劉木華

(江西農業大學工學院， 南昌 330045)

0 引言

油茶又稱茶籽樹，與橄欖、油棕、椰子并稱世界四大木本油料，也是我國第一大木本油料[1]。截止2020年底，全國共有400多萬公頃油茶林，高產油茶林近百萬公頃[2]，且高產油茶林大多種植在緩坡地帶。現有油茶果采摘基本靠人工完成，勞動強度大。農村勞動力短缺帶來油茶果采摘成本上升，亟需實現機械化采摘[3-4]。

目前我國學者在油茶果采摘機械研制方面已取得了一定的成果，機械采摘方式主要有齒梳式、膠輥式和振動式等[5-7]。高自成等[8]設計的齒梳式油茶果采摘機在采摘頭上升速度為0.8 m/s、回轉速度為15 r/min左右時，能使采摘范圍內的油茶果漏采率控制在3.2%以內，花蕾掉落率為3%以內。羅時挺等[9]設計了一種齒梳撥刀式油茶果采摘裝置，分析了采摘裝置的工作原理，得出了影響撥刀采摘效果的主要因素。饒洪輝等[10]設計了一種電動膠輥旋轉式油茶果采摘執行器，當膠輥直徑、膠輥間距、膠輥旋轉速度和膠輥線速度分別為30 mm、25 mm、30 r/min和0.833 m/s時，直徑25 mm以上的油茶果能全部被采摘，油茶果漏采率為13.6%。高自成等[11]設計的懸掛振動式油茶果采摘執行機構在振動頻率為15 Hz，夾持高度1 300 mm時，得到油茶果漏采率為4.9%，花蕾掉落率為4.8%。伍德林等[12]設計了一種搖枝式油茶果采摘機，林間試驗表明油茶果采凈率為95.2%，花苞損傷率為17.2%。王東等[13]設計了一種振動式油茶果青果采收機，當夾持油茶樹干距離地面100 mm，振動頻率為25 Hz時，油茶果采收機達到最佳采摘效果，此時采摘率為95.6%，花苞損傷率為3.3%。

振動式采摘是國外采用較為普遍和成熟的林果采摘方式[14-20]，但振動采摘容易損傷油茶果枝和樹根，影響油茶樹翌年的產量。

為降低采摘油茶果時對花苞造成的損傷率，本文設計一種油茶果分層采摘裝置。通過分析影響油茶果分層采摘效果的主要因素，確定采摘裝置的主要工作參數。并以主要工作參數為因素，以油茶果漏采率和花苞損傷率為指標進行正交試驗，以期在降低花苞損傷率的同時獲得采摘裝置較佳的工作參數組合。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

園藝化栽培的油茶成林后株間行距一般為3.0 m×4.0 m或者4.0 m×4.0 m，未矮化的油茶果樹平均高度為3 m，樹冠直徑在2.5 m左右，油茶果主要分布在樹層表面200～300 mm[21]之間，且集中在果樹的中上部1.2～3 m之間。現有的采摘裝置整機體積較大，難以在油茶林中采摘作業。根據油茶林的株間行距和油茶果分布的高度范圍，設計的油茶果分層采摘裝置長為1.5 m、寬為1 m，采摘高度范圍在1.2～3 m之間。液壓技術具有操作簡單、容易控制和功率大等特點，適用于工作環境惡劣且結構形態多變的農業機械[22]。因此，為提高油茶果分層采收裝置的可靠性，選用液壓系統驅動采摘頭。油茶果分層采摘裝置的整機模型如圖1所示。其中采摘頭主要由采摘膠輥、旋轉膠輥組件、鏈輪、鏈條、鏈條蓋、齒輪箱和液壓馬達等組成。

1.2 工作原理

調節液壓缸控制器使采摘頭位于油茶果枝的前方，將左右兩側收集傘張開。啟動分層機構，調整分層膠輥的初始距離并進入果枝將采摘層果枝的上、下層果枝推開，然后啟動液壓泵站帶動液壓馬達旋轉，經齒輪箱和鏈輪減速后，帶動采摘頭的上、下旋轉膠輥組件同步反向轉動實現采摘。由于采摘膠輥安裝在軸承上，采摘膠輥在作業過程中受到摩擦和碰撞時會滾動，能夠減小對油茶枝條和花苞的損傷。采摘膠輥在旋轉和滾動過程中，不斷把油茶果枝夾緊并將油茶果從果枝上擠壓滾搓出來，完成油茶果的采摘。采落的油茶果掉在收集傘上，由塑料筐收集。

2 分層采摘裝置與果枝相互作用分析

2.1 分層機構原理設計

自然生長的果樹枝條較密，機械采摘油茶果時容易損傷油茶花苞，造成翌年油茶產量降低。為此，設計一種分層機構，將上、下層枝條推開，實現對單層果枝(中層)的采摘，以降低油茶花苞的損傷率，分層采摘原理如圖2b所示。

分層機構為上、下對稱結構，如圖3所示，推桿安裝在采摘頭上可水平移動，左搖桿和右搖桿鉸接在采摘頭上，連桿分別與左右搖桿和推桿鉸接。工作時推桿水平左移帶動連桿轉動，連桿將左搖桿和右搖桿抬起，分層膠輥隨著左右搖桿的轉動被抬起。分層膠輥可自轉，以減少分層和采摘過程中對果枝和花苞的損傷。

2.2 分層機構進入條件

成林后油茶果枝生長茂密，為實現油茶果的分層采摘，分層機構進入油茶枝條是分層的首要條件。目前油茶次級枝以水平方向生長在主枝上居多，這種情況與分層膠輥方向一致，易實現分層；如果油茶次級枝生長在與主枝鉛垂方向內，則分層需滿足一定條件。由于油茶果生長在細枝條末端，體積較小，分層機構能否順利進入油茶果枝主要取決于分層機構能否進入主枝鉛垂方向的油茶枝，因此油茶果枝建模時進行了簡化處理，忽略生長在細枝條末端油茶果的影響，如圖4所示。

上、下分層膠輥距離ds計算式為

ds=d0-2R

(1)

式中d0——上、下分層膠輥中心線距離，mm

R——上、下分層膠輥半徑，mm

若初始上、下分層膠輥距離ds等于欲采摘果枝的厚度d時，分層膠輥剛好能夠進入枝條中，如圖4b所示。考慮到油茶枝條的韌性，則初始上、下分層膠輥的距離ds滿足以下條件時，分層膠輥可進入油茶果枝。

d-Δl≤ds≤d+Δl

(2)

式中 Δl——分層膠輥距離浮動值，mm

當初始上、下分層膠輥距離dsd+Δl時，如圖4c所示，分層膠輥進入欲采摘枝條的上、下層枝條中，同樣無法實現分層功能。

為探究分層膠輥進入油茶果枝的深度條件，將果枝進行簡化：用細長直圓柱代替果枝的主枝，忽略油茶細枝，得到如圖5所示模型。

由圖5可知

(3)

式中L——油茶果表層分布深度，mm

s1——上樹枝的油茶果表層分布深度在水平方向上的投影，mm

s2——下樹枝的油茶果表層分布深度在水平方向上的投影，mm

θ1——上樹枝中心線與水平方向的夾角，(°)

θ2——下樹枝中心線與水平方向的夾角，(°)

為降低花苞損傷率，分層膠輥的進入深度應取s1、s2中較大的一個，即將上、下層果枝盡可能的推開，減少采摘膠輥采摘時對上下果枝的接觸，實現單層果枝的采摘。

2.3 分層機構與果枝相互作用分析

分層機構順利進入果枝之后，分層膠輥將采摘果枝的上層果枝抬起，下層果枝壓低。為探究分層機構對油茶果枝的作用力，對分層機構和果枝相互作用進行了簡化，作用原理如圖6所示。由于分層膠輥為上、下對稱結構，現只分析上側的分層膠輥對果枝的作用，果枝與樹體相連的左端A點處可簡化為固定端約束。

由于油茶樹末端的枝條直徑變化較小，可以將果枝簡化為受軸向力和橫向力的等直徑圓柱，由圖6油茶枝受力分析可得

(4)

式中f——分層膠輥對果枝的摩擦力，N

α1——摩擦力f與初始果枝軸線的夾角，(°)

FN——膠輥對果枝的支持力，N

μ——膠輥與果枝接觸的摩擦因數

L1——A、B兩點間的距離，m

L2——B、C兩點間的距離，m

FA1——果枝受分層機構作用點A水平分力，N

FA2——果枝受分層機構作用點A垂直分力，N

MA——果枝受分層機構作用點A力矩，N·m

在分層膠輥的作用下，果枝將產生彎曲，則與固定端相距L1位置處B點的彎矩為

MB1=MA-FA2L1

(5)

聯立式(4)、(5)求解得

MB1=(FNcosα1+μFNsinα1)L2

(6)

果枝軸力FA1產生的應力σt1為

(7)

式中D——果枝橫截面直徑，mm

在點B由彎矩MB1產生的彎曲正應力為

(8)

式中W——果枝的抗彎截面系數，mm3

由應力疊加可知，在截面B處的綜合正應力由軸向力FA1產生的應力和彎矩MB1產生的彎曲正應力兩部分組成，可得

σB1=σt1+σb1

(9)

式中σB1——果枝受分層機構作用點B綜合正應力，MPa

由于木材的抗剪強度較差，需要考慮油茶果枝的切應力，根據圓形截面切應力的計算公式，果枝受到的剪力和切應力為

(10)

式中Fs1——果枝受分層機構作用的剪力，N

τ1——果枝受分層機構作用的切應力，MPa

為避免果枝受到破壞，應保證果枝受到的綜合正應力和切應力均滿足強度條件，即

(11)

式中σu——果枝的極限正應力，MPa

τu——果枝的極限切應力，MPa

當分層膠輥的距離增大時，果枝受到的支持力FN增大，根據式(9)、(10)可知，綜合正應力σB1和切應力τ1將會增大。

2.4 分層采摘裝置與果枝相互作用模型分析

分層采摘裝置在實現單層采摘時，會在分層膠輥處產生應力，因此需對果枝和分層采摘裝置的相互作用進行力學分析，如圖7所示。

由于旋轉膠輥組件上、下對稱，轉速大小相同，轉向相反，則果枝受到的支持力FN1、FN2和摩擦力f1、f2沿y方向分力相互抵消，只剩下x方向上的力，果枝在采摘膠輥1、2作用下受到的合力Fx為

Fx=FN1cosα3+FN2cosα2+f1sinα3+f2sinα2

(12)

其中

f1=μFN1f2=μFN2

式中f1——采摘膠輥1對果枝的摩擦力，N

f2——采摘膠輥2對果枝的摩擦力，N

FN1——采摘膠輥1對果枝的支持力，N

FN2——采摘膠輥2對果枝的支持力，N

α2——FN1與x軸夾角，(°)

α3——FN2與x軸夾角，(°)

由圖7可得

(13)

式中β——果枝軸線與x軸的夾角，(°)

f3——分層膠輥與果枝之間的摩擦力，N

FN3——分層膠輥對果枝的支持力，N

M′A——果枝受分層采摘機構作用點A力矩，N·m

由軸向力F′A1引起的拉伸正應力為

(14)

使用截面法得沿B截面彎矩和彎曲正應力為

(15)

式中MB2——果枝受分層采摘機構作用點B截面的彎矩，N·m

σb2——果枝受分層采摘機構作用點B彎曲正應力，MPa

用疊加法得截面B處綜合正應力σB2為

σB2=σt2+σb2

(16)

果枝受到的剪力和切應力為

(17)

式中Fs2——果枝受分層采摘機構作用的剪力，N

τ2——果枝受分層采摘機構作用切應力，MPa

為避免分層采摘裝置作業時損傷果枝，應滿足

(18)

當采摘膠輥間隙變小時，膠輥對果枝的擠壓會加大，則FN1、FN2將增大，由式(12)可知Fx增大，由式(16)、(17)可知果枝受分層采摘機構作用的綜合正應力σB2和切應力τ2增大。

3 基于ANSYS Workbench的分層采摘裝置與果枝應力分析

3.1 果枝與分層機構相互作用應力仿真分析

本模型在Creo 6.0中完成各零件的建模，組裝成裝配體并導出.x_t文件，然后導入到Workbench中，將模型做相應的簡化和修復，如圖8所示。此模型考慮果枝最大彎曲時的應力情況，即在建模時使分層膠輥為閉合狀態，使果枝與分層膠輥接觸。

在Workbench材料庫中定義3種材料：果枝、分層膠輥和機架。果枝、膠輥和鋼材的參數如表1所示[11]。

表1 材料參數Tab.1 Material parameters

由于本模型分析果枝的應力，將上、下分層膠輥和果枝設置為柔性體，其余設置為剛體處理，以加快求解速度。U型板與地面添加固定連接，左、右搖桿與機架添加轉動副，分層膠輥與搖桿添加轉動副。設置分層膠輥與果枝為摩擦接觸，摩擦因數設為0.2，設置求解時間為0.2 s，油茶果枝右側為固定端約束，采用六面體劃分網格，有限元模型如圖9所示。

由試驗得到贛無1油茶品種的單層果枝平均厚度為310 mm，為分析不同分層膠輥厚度下油茶果枝所受分層機構作用的應力變化規律，分層膠輥厚度取值范圍在平均厚度的基礎上下浮動50 mm，分別為260、310、360 mm，求解3次。

定義X軸垂直果枝的圓柱截面，查看在局部坐標系下沿X軸的正應力，分層機構和果枝相互作用的正應力云圖如圖10所示。從圖中可知，不同分層膠輥距離下的果枝最大應力均發生在果枝彎曲部位，彎曲部位凹下去的受壓，凸起來的受拉，在果枝彎曲位置的上、下邊緣有應力最大值。當分層膠輥距離分別為260、310、360 mm時，果枝的正應力最大值分別為3.32、6.84、11.36 MPa，表明隨著分層膠輥距離增大，果枝彎曲程度越大，果枝橫截面上的正應力增加。

查看局部坐標系下YZ面上的切應力，分層機構和果枝相互作用的切應力云圖如圖11所示。從圖中可知，彎曲部位的切應力較小，切應力最大值在右側固定端。當分層膠輥距離分別為260、310、360 mm時，果枝YZ面上的切應力最大值分別為0.39、0.6、0.78 MPa，表明隨著分層膠輥距離增大，果枝橫截面上的切應力增加。

3.2 果枝與分層采摘裝置相互作用應力仿真分析

當分層膠輥間隙較大，果枝喂入較厚時，圖7中油茶果枝上的側枝將進一步被采摘輥壓緊，如圖12a所示，甚至側枝完全緊貼油茶枝，這種情況下分層采摘裝置對油茶枝的損傷在理論上為最大。因此，為了減少仿真計算量和分析分層采摘裝置對油茶枝的損傷，將油茶枝和側枝視為整體，在其力學作用效果等效情況下，簡化建模如圖12b所示。在Creo 6.0中完成各零件的建模，組裝成裝配體并導出.x_t文件，導入到Workbench中將模型做相應的簡化和修復，設置上、下旋轉架與軸承座為轉動副連接，上、下采摘膠輥與膠輥旋轉組件轉動副連接，其余設置同圖9模型，得到如圖12c所示的模型。實物中上下采摘膠輥共有3組，由于對果枝的作用原理相同，圖12c中只添加一組分析，材料定義同表1。采用六面體劃分網格，有限元網格模型如圖12d所示。

本模型以最危險工況為前提，分析果枝受到的應力，即采摘膠輥取最大轉速65 r/min時，求解時間0.5 s。贛無1品種的油茶果平均直徑為25 mm，花苞平均直徑為8 mm[23]，若膠輥間隙過小則花苞損傷增加，若膠輥間隙過大則油茶果漏采率上升。仿真試驗時采摘膠輥間隙取18、23、28 mm，求解3次。

查看在局部坐標系下沿X軸的正應力，分層采摘裝置和果枝相互作用的正應力云圖如圖13所示。當采摘膠輥間隙分別為28、23、18 mm時，果枝的正應力最大值分別為0.47、0.57、0.7 MPa。表明當采摘膠輥間隙變小時，采摘膠輥對果枝的擠壓增大，則果枝橫截面上的正應力增加。

查看在局部坐標系下YZ面上的切應力，分層采摘裝置和果枝相互作用的切應力云圖如圖14所示。當采摘膠輥的間隙為28、23、18 mm時，果枝的切應力最大值分別為0.11、0.23、0.44 MPa，表明當采摘膠輥間隙變小時，果枝橫截面上的切應力增加。

3.3 果枝剪切和拉伸試驗

為避免油茶果枝剪斷和拉斷，需測量油茶果枝破壞的切應力和拉應力。使用TMS-Pro型質構檢測儀進行拉伸和剪切破壞試驗，由于儀器最大量程為1 000 N，若選取油茶果枝過粗則會超過量程，經測試選取油茶果枝直徑小于5 mm時較為適宜。

取無打滑10次有效試驗，統計油茶枝拉斷力和直徑，結果如表2所示。

表2 油茶果枝拉伸試驗結果Tab.2 Experimental results of tensile of Camellia fruit branch

將表2數據代入公式[24]

(19)

FNi——拉斷破壞力，N

Di——油茶果枝i直徑，mm

得油茶果枝平均抗拉強度為26.44 MPa。根據木材順紋抗拉強度與順紋抗壓強度比值約為2[25]，可知油茶果枝的平均順紋抗壓強度為13.22 MPa。根據前面的仿真分析可知，油茶果枝在采摘作業時受到的最大正應力為11.36 MPa，均小于試驗分析數據的抗拉強度和抗壓強度。

選取10段油茶果枝進行10次試驗，統計油茶枝破壞剪力和直徑，試驗結果如表3所示。

將表3數據代入公式

(20)

Fsi——剪斷力，N

得平均剪切破壞應力為9.02 MPa。由前面的仿真數據可知，果枝在采摘作業時受到的最大切應力為0.78 MPa，小于果枝的平均剪切破壞應力。

表3 油茶果枝剪力試驗結果Tab.3 Experimental results on shear force of Camellia fruit branch

由于果枝受到的最大正應力和切應力仿真結果小于試驗測定的拉伸和剪切破壞應力，因此分層采摘裝置作業時不會對油茶果枝產生拉壓和剪切破壞。

4 采摘試驗

4.1 試驗影響因素

由于油茶果枝的厚度不同，若分層厚度過小則會導致枝條無法喂入，若分層厚度過大則使喂入枝條的數量增加，無法實現對單層枝條的采摘，因此需要設置合理的分層厚度水平。試驗前對贛無1油茶樹果枝厚度進行了測量。選取10株不同的油茶果樹，每株果樹上取長勢相同的兩層果枝，測量每層果枝的最大厚度，測量2次。得到油茶枝條單層的最小厚度為250 mm，最大厚度為410 mm，平均厚度為311.25 mm，則分層膠輥厚度(分層膠輥距離)的取值范圍為250～410 mm。以單層果枝的平均厚度為參考，為方便分層膠輥厚度的調整，取310 mm，上下浮動50 mm，則分層厚度的3個水平分別為260、310、360 mm。分別對分層厚度的3個水平進行分層機構進入果枝測試試驗，如圖15所示。結果表明當分層厚度為260、310、360 mm時，分層裝置均能順利進入果枝。

油茶枝條生長茂密，若分層過深則抬起的枝條過多無法分層；若分層過淺則枝條會從分層膠輥上滑落，也無法分層。為確定合理的分層深度，對贛無1油茶品種表層分布范圍進行了測量。測量方法為取14株果樹上不同的3層果枝，每層果枝測量2次，得到每層油茶果的平均表層深度為290 mm。根據油茶果在樹冠生長分布范圍，在油茶果平均表層深度的基礎上，上下浮動100 mm，則分層深度的水平分別為190、290、390 mm。

4.2 試驗方案

為考察油茶果分層采收機構參數變化對油茶果采摘試驗的影響，取分層厚度、分層深度、膠輥間隙和膠輥轉速4個因素進行試驗。其中膠輥轉速必須大于油茶果受膠輥作用脫落的臨界速度，滿足一定的采摘效率，其水平選取參照文獻[23]，采用四因素三水平正交試驗表，因素水平如表4所示。

表4 試驗因素水平Tab.4 Test factors and levels

4.3 試驗和結果分析

2020年10月23日在江西省林業科學院油茶種植基地進行油茶果采摘試驗，采摘頭的膠輥直徑為32 mm。選取9株油茶樹作為試驗樣本，進行9組試驗，每組試驗選取長勢大致相同的兩層油茶枝條，每層枝條上均有油茶果和油茶花苞，每組試驗重復2次取平均值，油茶果分層采摘裝置試驗情況如圖16所示。以油茶果漏采率和花苞損傷率作為采摘評價指標，試驗結果和極差分析結果如表5所示。

試驗中分層采摘裝置能夠實現單層采摘的功能，且分層采摘裝置和果枝相互作用時沒有枝條拉斷、折斷，進一步驗證了分層采摘的可行性。

由表5極差結果可得：RA=0.15，RB=0.42，RC=0.83，RD=0.12，四因素中膠輥間隙的極差遠大于其他三因素，是影響油茶果漏采率的主要因素，四因素對油茶果漏采率影響由大到小為膠輥間隙、分層深度、分層厚度、膠輥轉速。由花苞損傷率的極差結果得RA=0.73，RB=0.33，RC=0.09，RD=0.31，四因素中分層厚度的極差遠大于其他三因素，是影響花苞損傷率的主要因素，四因素對花苞損傷率影響的由大到小為分層厚度、分層深度、膠輥轉速、膠輥間隙。

由表5可知，油茶果分層采摘裝置的油茶果平均漏采率為20.45%，花苞平均損傷率為18.99%。

表5 試驗結果與極差分析Tab.5 Experimental results and range analysis

2019年試驗得到未加分層機構采摘裝置的油茶果平均漏采率為18.90%，花苞平均損傷率為25.21%。與未加分層機構的采摘裝置相比，油茶果分層采摘裝置的油茶果平均漏采率增加了1.55個百分點，相差不大；而花苞平均損傷率降低了6.22個百分點，表明分層采摘裝置能有效降低花苞損傷率。

4.4 最優方案

根據試驗結果，用綜合評分法[19]計算出最優方案，以油茶果采摘率和花苞完好率為評價指標，各自權重均占50%，計算結果如表6所示。

表6 綜合評分結果Tab.6 Score of comprehensive results

由表6可知，贛無1油茶品種的最優方案為A3B2C1D3，即分層厚度360 mm、分層深度290 mm、膠輥間隙18 mm、膠輥轉速65 r/min。在此工況下，油茶果漏采率為13.33%，花苞損傷率為6.33%。

5 結論

(1)設計了油茶果分層采收裝置，能在園藝化栽培油茶林間行走和作業，通過分層采摘裝置實現對油茶果枝的單層采摘，能有效降低花苞損傷率。

(2)分層采摘裝置和果枝的相互作用仿真分析表明，果枝受到的正應力隨著分層膠輥距離增大而增大，果枝受到的切應力隨著采摘膠輥間距減小而增大。驗證試驗表明，果枝在分層采摘裝置的作用下不會產生拉伸和剪切破壞。

(3)影響油茶果漏采率的因素依次為膠輥間隙、分層深度、分層厚度、膠輥轉速；影響花苞損傷率的因素依次為分層厚度、分層深度、膠輥轉速、膠輥間隙。

(4)運用綜合評分法得到了采摘贛無1油茶品種的最優方案為：分層厚度360 mm、分層深度290 mm、膠輥間隙18 mm、膠輥轉速65 r/min。在此工況下，油茶果漏采率為13.33%，花苞損傷率為6.33%。與未加分層機構的采摘裝置相比，油茶果分層采摘裝置的花苞平均損傷率降低了6.22個百分點。