履帶式高地隙油茶果振動(dòng)采收機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

杜小強(qiáng) 寧 晨 賀磊盈 錢 寅 張國(guó)鳳 姚小華

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院， 杭州 310018； 2.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310018;3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所， 杭州 310018)

0 引言

作為世界四大木本油料樹(shù)種之一，油茶與其他油料樹(shù)種相比，具有很高的營(yíng)養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-2],在中國(guó)具有廣泛的種植面積，同時(shí)也是南方丘陵地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)林樹(shù)種[3-4]。全國(guó)現(xiàn)有油茶種植已達(dá)4.7×107m2，可實(shí)現(xiàn)約5.6×106t的年產(chǎn)量，每年產(chǎn)出約2.625×105t的茶油，種植面積和產(chǎn)量占全球的95%以上[5]。油茶果采摘受季節(jié)性限制，適時(shí)采摘是關(guān)鍵[6-7]。目前我國(guó)油茶果采摘作業(yè)主要是人工徒手采摘或半人工半機(jī)械采摘，勞動(dòng)強(qiáng)度大，采摘效率低，嚴(yán)重制約了油茶的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[8]。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)的油茶種植情況，需要設(shè)計(jì)一種越障性能較高，適用性較好的油茶果收獲機(jī)，以實(shí)現(xiàn)油茶果的高效率采收作業(yè)目標(biāo)，突破油茶產(chǎn)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)的瓶頸[9]，進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)內(nèi)油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

目前油茶果機(jī)械化采收方式有齒梳式、搖枝式、切割式、振動(dòng)式等[10-21]。振動(dòng)式采收機(jī)的研究較多，大多采用液壓驅(qū)動(dòng)式一字履帶輪，能夠適應(yīng)復(fù)雜作業(yè)環(huán)境[22-25]，將采摘頭安裝在機(jī)械臂上，機(jī)械臂安裝在履帶輪底盤(pán)上，然后通過(guò)采摘頭對(duì)油茶果進(jìn)行振動(dòng)式采收[26-28]。但該類采收機(jī)均是單側(cè)作業(yè)，且和樹(shù)體之間需要保持一定距離，受到作業(yè)空間限制，機(jī)械化采收效率較低。針對(duì)該問(wèn)題，本文結(jié)合液壓驅(qū)動(dòng)式履帶輪優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種履帶式高地隙油茶果振動(dòng)采收機(jī)。該振動(dòng)采收機(jī)采用騎跨式車架沿油茶樹(shù)種植行行走，利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)多排陣列的指排桿按照一定的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)樹(shù)冠兩側(cè)同時(shí)擊打作業(yè)，增加作業(yè)范圍，落果通過(guò)收集板匯集到輸送帶內(nèi)，最后輸送帶將收集到的油茶果貯存在果箱內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)中完成振動(dòng)落果和收集作業(yè)，提高作業(yè)效率。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該履帶式高地隙油茶果振動(dòng)采收機(jī)主要由收集裝置、擊打裝置、行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、車架5部分組成。整機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中行走系統(tǒng)有4組液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的三角履帶輪，同側(cè)前后履帶輪通過(guò)同步閥控制前后液壓馬達(dá)流量相同。車架為龍門式，4條支腿用來(lái)安裝履帶輪，兩側(cè)腰線處安裝行走液壓系統(tǒng)和工作液壓系統(tǒng)，且對(duì)稱布置。兩套液壓系統(tǒng)的動(dòng)力部分均由柴油機(jī)散熱器、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓油泵、液壓油箱、液壓油箱散熱器組成。工作液壓系統(tǒng)給輸送帶和擊打裝置提供動(dòng)力。行走液壓系統(tǒng)給4個(gè)履帶輪提供動(dòng)力。擊打裝置由擊打裝置機(jī)架、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、擊打液壓馬達(dá)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、限位導(dǎo)軌和導(dǎo)靴組成。擊打裝置機(jī)架上垂直布置2根指排架，每根指排架上裝有10根指排桿。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)安裝在車架兩側(cè)中間位置，擊打液壓馬達(dá)與曲柄連接。擊打桿運(yùn)動(dòng)軌跡由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)確定，其動(dòng)力由擊打液壓馬達(dá)提供。本文擊打馬達(dá)轉(zhuǎn)速為基于前期開(kāi)展的油茶振動(dòng)試驗(yàn)研究確定的最佳振動(dòng)頻率的轉(zhuǎn)速。本文設(shè)計(jì)的采收機(jī)擊打裝置與前期試驗(yàn)的擊打裝置結(jié)構(gòu)相同，均由指排桿組成，只是對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了優(yōu)化，由直線往復(fù)式運(yùn)動(dòng)調(diào)整為橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，但最大振幅均為10 cm。因此，參考前期研究結(jié)果，本文擊打馬達(dá)轉(zhuǎn)速選用前期試驗(yàn)結(jié)果的最優(yōu)轉(zhuǎn)速360 r/min。收集裝置由收集板、輸送帶、果箱、輸送液壓馬達(dá)組成。收集板包括主板、連接板和魚(yú)鱗板，收集板前半部分由魚(yú)鱗板高低交錯(cuò)拼接而成，輸送帶動(dòng)力由輸送液壓馬達(dá)提供。電控柜為用電元件的通訊裝置，用來(lái)接收遙控器的信號(hào)，操控各裝置工作。

圖1 履帶式高地隙油茶果振動(dòng)采收機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of crawler-type high clearance Camellia oleifera fruit vibratory harvester1.三角履帶輪 2.車架支腿 3.行走液壓馬達(dá) 4.擊打機(jī)架 5.收集板 6.指排桿 7.角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 8.魚(yú)鱗板 9.電控柜 10.輸送液壓馬達(dá) 11.柴油機(jī)散熱器 12.柴油機(jī) 13.油泵 14.輸送帶 15.液壓油箱 16.液壓油散熱器 17.果箱 18.電磁閥 19.擊打液壓馬達(dá) 20.曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 21.限位導(dǎo)軌和導(dǎo)靴

1.2 工作原理

液壓系統(tǒng)動(dòng)力由柴油機(jī)和液壓油泵提供。液壓站正常工作時(shí)，油泵工作，油液從油箱吸出，進(jìn)入比例多路換向閥，控制4個(gè)行走馬達(dá)。擊打馬達(dá)為擊打裝置提供動(dòng)力，帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制指排桿按設(shè)計(jì)的軌跡運(yùn)動(dòng)。指排桿通過(guò)直接或間接與油茶果接觸，實(shí)現(xiàn)擊落或振落果實(shí)的效果。輸送馬達(dá)為輸送帶提供動(dòng)力，油茶果被振落到收集板上，然后滾入輸送帶內(nèi)，輸送帶將收集到的油茶果輸送到果箱內(nèi)。通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥來(lái)控制擊打馬達(dá)與輸送馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。通過(guò)控制電磁換向閥改變擊打馬達(dá)和行走馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。采收機(jī)的行走、擊打、收集均通過(guò)遙控器操控。采收機(jī)整套系統(tǒng)除了液壓油箱散熱器為電驅(qū)，其余裝置均采用液壓驅(qū)動(dòng)，液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematics of hydraulic system

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 擊打裝置設(shè)計(jì)

高地隙油茶果振動(dòng)采收機(jī)是利用指排桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)油茶樹(shù)冠進(jìn)行一定頻率和幅度的擊打，使得油茶果受振動(dòng)而脫落。為提高擊打裝置的擊打效果，運(yùn)用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)原理，將指排桿運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)成近似橢圓形。油茶果振動(dòng)采收機(jī)擊打裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。每套擊打裝置上配置2根指排架，每根指排架長(zhǎng)1 600 mm，間隔160 mm均勻分布9根塑膠材質(zhì)指排桿，指排桿直徑為15 mm、長(zhǎng)度為700 mm。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，擊打裝置機(jī)架掛配在連桿中間部位的軸銷上，導(dǎo)靴受導(dǎo)軌限位，確保機(jī)架在同一平面內(nèi)按近似橢圓軌跡往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)改變指排架傾斜角，有利于提高指排桿在冠層的通過(guò)性以及改變指排桿插入樹(shù)冠的深度。

圖3 擊打裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of excitation device1.液壓馬達(dá) 2.底座 3.機(jī)架 4.指排架 5.指排桿 6.曲柄搖桿機(jī)構(gòu) 7.導(dǎo)靴 8.導(dǎo)向滑塊 9.導(dǎo)軌 10.角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2.1.1曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是擊打裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，確定其指排架的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于連桿上的軸銷是整個(gè)機(jī)架承載元件，所以設(shè)計(jì)為雙對(duì)稱曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，以增大機(jī)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。如圖4所示，兩對(duì)稱搖桿與連桿之間的旋轉(zhuǎn)副用軸銷連接，兩對(duì)稱連桿中心連接的軸銷用來(lái)掛配擊打裝置機(jī)架，液壓馬達(dá)通過(guò)聯(lián)軸器與曲柄連接。

圖4 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)Fig.4 Structure of crank-rocker mechanism1.連桿 2.軸銷 3.曲柄 4.底座 5.液壓馬達(dá) 6.搖桿

該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在課題組先前試驗(yàn)的擊打裝置基礎(chǔ)之上進(jìn)行優(yōu)化。此前擊打裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線往復(fù)式，指排桿往復(fù)行程為80 mm。為了減小往復(fù)式運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的沖擊力，將運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)成橢圓循環(huán)式，在文獻(xiàn)[29]中選擇了合適的橢圓形軌跡，可直接確定所設(shè)計(jì)的四桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度比例，根據(jù)圖譜中該四桿機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)比值以及實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡最大徑長(zhǎng)與圖譜中橢圓軌跡的最大徑長(zhǎng)，算出四桿機(jī)構(gòu)中各桿的實(shí)際長(zhǎng)度。測(cè)得圖譜中橢圓軌跡最大徑長(zhǎng)為10 mm，圖譜中曲柄長(zhǎng)為5 mm，實(shí)際運(yùn)動(dòng)的橢圓軌跡最大徑長(zhǎng)設(shè)為80 mm，最后根據(jù)

(1)

LA∶LB∶LC∶LD=1∶4∶3∶3

(2)

式中LA——實(shí)際曲柄長(zhǎng)度

L′A——圖譜曲柄長(zhǎng)度

LT——圖譜橢圓軌跡最大徑長(zhǎng)

LB——實(shí)際連桿長(zhǎng)度

LC——實(shí)際搖桿長(zhǎng)度

LD——實(shí)際機(jī)架長(zhǎng)度

計(jì)算得出實(shí)際曲柄長(zhǎng)度為40 mm、連桿長(zhǎng)度為160 mm、搖桿長(zhǎng)度為120 mm、機(jī)架長(zhǎng)度為120 mm。

計(jì)算該曲柄搖桿機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角，驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)傳力性能。對(duì)于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，γmin出現(xiàn)在主動(dòng)曲柄與機(jī)架共線的兩位置之一，如圖5所示，根據(jù)計(jì)算得出最小傳動(dòng)角γmin=28.96°，證明該曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖5 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角Fig.5 Transmission angle of crank-rocker mechanism

(3)

(4)

通過(guò)ADAMS軟件對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行軌跡仿真，結(jié)果如圖6所示，連桿中心位置運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的近似橢圓形曲線為指排桿運(yùn)動(dòng)軌跡。該橢圓曲線軌跡與圖譜中選定的軌跡保持一致。從橢圓形運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出，指排架縱向運(yùn)動(dòng)幅度比橫向運(yùn)動(dòng)幅度大，主要沿樹(shù)冠高度方向激振，同時(shí)在水平方向上也產(chǎn)生激振，提高了樹(shù)冠振動(dòng)效果。

圖6 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Motion trajectory of crank-rocker mechanism

2.1.2擊打裝置機(jī)架有限元模態(tài)分析

為避免激振頻率在擊打裝置機(jī)架固有頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生共振，對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)造成損壞，需要對(duì)機(jī)架進(jìn)行有限元模態(tài)分析。簡(jiǎn)化擊打裝置，保留機(jī)架主要部分，建立機(jī)架有限元模型，為了均衡精度和速度的要求，網(wǎng)格單元尺寸默認(rèn)為系統(tǒng)自動(dòng)劃分，劃分結(jié)果所顯示的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為66 628個(gè)，單元個(gè)數(shù)為20 744個(gè)。因?yàn)閾舸驐U均為尼龍材質(zhì)，其重力對(duì)機(jī)架應(yīng)力影響微小，所以可忽略不計(jì)，只需添加機(jī)架自身重力。在機(jī)架頂部施加周轉(zhuǎn)副約束和固定約束，然后進(jìn)行模態(tài)分析。從ANSYS模態(tài)分析結(jié)果中可以提取到擊打裝置機(jī)架的前6階固有頻率，如表1所示。其前6階對(duì)應(yīng)的頻率振型圖如圖7所示。從振型圖可以看出，前2階機(jī)架繞X、Y軸彎曲擺動(dòng)，第3到第6階為指排架繞X、Y軸彎曲擺動(dòng)。機(jī)架的前6階固有頻率為10.55～46.01 Hz，該范圍避開(kāi)了激勵(lì)頻率，因此擊打裝置機(jī)架不會(huì)發(fā)生共振。

表1 擊打裝置機(jī)架前6階固有頻率及振型特征Tab.1 The first six-order natural frequencies and modal shapes of excitation device frame

圖7 擊打裝置機(jī)架前6階模態(tài)振型圖Fig.7 The first six-order modal shapes of excitation frame

2.2 車架設(shè)計(jì)

振動(dòng)采收機(jī)車架采用騎跨式結(jié)構(gòu)，如圖8所示。車架采用Q235鋼材，規(guī)格有角鋼、槽鋼和方管。動(dòng)力系統(tǒng)安裝架由角鋼和槽鋼焊接而成，長(zhǎng)2 760 mm、寬600 mm、高550 mm，角鋼和槽鋼厚度均為6 mm，槽鋼上打有螺紋孔，用于部件裝配。立柱與橫梁通過(guò)焊接固定，且為了加固整機(jī)的騎跨式車架結(jié)構(gòu)，每個(gè)立柱內(nèi)外側(cè)按照三角結(jié)構(gòu)各焊一根方管。由于液壓系統(tǒng)要控制兩側(cè)元件工作，液壓油管需從騎跨式車架頂部通過(guò)，所以在車架頂部方管上裝有液壓油管走線固定零件和用于安裝擊打裝置的底座。根據(jù)擬采收的長(zhǎng)林3號(hào)油茶樹(shù)的基本參數(shù)(平均樹(shù)高220 cm、樹(shù)冠平均直徑230 cm)[30]，確定了車架長(zhǎng)、寬、高分別為2 900、2 740、2 120 mm。

圖8 油茶果振動(dòng)采收機(jī)車架結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Chassis frame structure of Camellia oleifera fruit vibratory harvester1.車架橫梁 2.車架立柱 3.動(dòng)力系統(tǒng)安裝架 4.擊打裝置安裝臺(tái)

振動(dòng)采收機(jī)在工作過(guò)程中，若激勵(lì)頻率與車架的固有頻率相近時(shí)就會(huì)引起共振，從而影響整體穩(wěn)定性，甚至?xí)茐能嚰懿糠纸Y(jié)構(gòu)件。為避免共振應(yīng)使車架的固有頻率避開(kāi)激勵(lì)頻率，因此需要對(duì)車架進(jìn)行有限元模態(tài)分析。本文在ANSYS中建立車架的有限元模型，為了均衡精度和效率，網(wǎng)格單元尺寸默認(rèn)為系統(tǒng)自動(dòng)劃分，劃分結(jié)果所顯示的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為297 847個(gè)，單元個(gè)數(shù)為82 152個(gè)。對(duì)車架關(guān)鍵承重部位施加載荷并確定底盤(pán)與地面之間的約束，最后進(jìn)行模態(tài)分析。從分析結(jié)果中可以提取到車架的前6階固有頻率，如表2所示，前6階對(duì)應(yīng)的振型圖如圖9所示。前2階振型圖顯示車架會(huì)繞X、Y軸彎曲擺動(dòng)，第3階振型圖顯示車架繞Z軸扭動(dòng)，第4、5階振型圖顯示車架頂層結(jié)構(gòu)會(huì)上下擺動(dòng)，第6階振型圖顯示車架的動(dòng)力系統(tǒng)安裝架繞Y軸擺

圖9 車架前6階有限元模態(tài)振型圖Fig.9 The first six-order modal shape diagrams of chassis frame

表2 車架前6階固有頻率及振型特征Tab.2 The first six-order natural frequencies and modal shapes of chassis frame

動(dòng)，造成這些振型的原因是騎跨式車架結(jié)構(gòu)特殊，動(dòng)力系統(tǒng)安裝位置偏低及車架頂層結(jié)構(gòu)距地面高度大。前6階固有頻率為17.50～47.86 Hz，該范圍避開(kāi)了激勵(lì)頻率，因此車架不會(huì)發(fā)生共振。

2.3 收集板設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高地隙油茶果振動(dòng)采收機(jī)以騎跨油茶樹(shù)方式沿油茶樹(shù)種植行進(jìn)行振動(dòng)采收，要求收集板能夠接收落果，且能順利避開(kāi)樹(shù)干。如圖10所示，收集板主要由主板、連接板、魚(yú)鱗板組成。連接板分為上下兩層，呈交替排列，魚(yú)鱗板根據(jù)寬度分為兩種型號(hào)：寬度為26 cm的魚(yú)鱗板與上層連接板配合，寬度為20 cm的魚(yú)鱗板與下層連接板配合。下層連接板通過(guò)4個(gè)螺栓直接固定在主板上，上層連接板通過(guò)橡膠墊塊與螺栓固定在主板上。通過(guò)統(tǒng)計(jì)調(diào)查，油茶果的掛果量集中在距離樹(shù)冠表層26 cm范圍內(nèi)[30]，中間的落果數(shù)量極少。為了使采收機(jī)具有良好的通過(guò)性，在設(shè)計(jì)收集板時(shí)設(shè)置了中間通道，根據(jù)統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果確定通道間隙：在離地高度60 cm處，油茶樹(shù)分叉樹(shù)干平均寬度為70 cm。因此，從整機(jī)綜合性能考慮，收集板最高處距離地面60 cm，中間留出的通道寬度為70 cm。

圖10 收集板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structure of collecting plate1.主板 2.連接板 3.魚(yú)鱗板

魚(yú)鱗板具有雙向轉(zhuǎn)動(dòng)、自動(dòng)復(fù)位功能。如圖11所示，魚(yú)鱗板與連接板通過(guò)轉(zhuǎn)軸、鉤簧連接。轉(zhuǎn)軸由螺栓、螺母、推力軸承組成。魚(yú)鱗板鉤柱與連接板鉤柱通過(guò)鉤簧連接，魚(yú)鱗板鉤柱可在圓心角120°的槽內(nèi)滑移，利用鉤簧的彈性形變自動(dòng)恢復(fù)特性，實(shí)現(xiàn)魚(yú)鱗板在雙向轉(zhuǎn)動(dòng)之后，能自動(dòng)復(fù)位功能。魚(yú)鱗板采用PC材質(zhì)，為提高板的剛度，在其兩側(cè)安裝金屬框。魚(yú)鱗板局部裝配體側(cè)視圖如圖12所示，魚(yú)鱗板之間呈階梯型，通過(guò)橡膠墊塊將中間連接板墊高，魚(yú)鱗板安裝在連接板上，因此魚(yú)鱗板高低交錯(cuò)，魚(yú)鱗板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相鄰之間的板件不會(huì)發(fā)生干擾。中間位置的魚(yú)鱗板寬度為26 cm，比相鄰寬度為20 cm的魚(yú)鱗板寬6 cm，因此高處的魚(yú)鱗板單邊會(huì)多出3 cm板，覆蓋在低處的魚(yú)鱗板頂部，這樣可以減小魚(yú)鱗板工作時(shí)間隙，提高了落果的接收率。

圖11 收集板局部裝配圖Fig.11 Partial assembly drawing of collecting plate1.橡膠墊塊 2.鉤簧 3.轉(zhuǎn)軸 4.金屬框

圖12 魚(yú)鱗板高低交錯(cuò)排布Fig.12 Fish scale plates staggered in height1.魚(yú)鱗板 2.連接板 3.推力軸承 4.收集主板 5.橡膠墊塊

3 試驗(yàn)

3.1 樣機(jī)

履帶式高地隙油茶果振動(dòng)采收機(jī)整機(jī)尺寸為3 965 mm×3 850 mm×2 800 mm，采收機(jī)實(shí)物如圖13所示，其尺寸和作業(yè)幅寬滿足油茶樹(shù)標(biāo)準(zhǔn)種植模式中作業(yè)的基本條件。行走液壓系統(tǒng)采用50 kW柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，工作液壓系統(tǒng)采用35 kW柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。本次試驗(yàn)，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥，將擊打裝置液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速設(shè)定為360 r/min，檢驗(yàn)振動(dòng)采收機(jī)系統(tǒng)工作的效果。

圖13 履帶式高地隙油茶果振動(dòng)采收機(jī)實(shí)物圖Fig.13 Photo of crawler-type high clearance Camellia oleifera fruit vibratory harvester

3.2 林地油茶果采收試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)條件與材料

試驗(yàn)于2021年10月22日，在金華市東方紅林場(chǎng)國(guó)家油茶油桐良種基地進(jìn)行，當(dāng)天試驗(yàn)天氣晴朗，氣溫16～23℃。圖14為試驗(yàn)場(chǎng)地的環(huán)境情況，林地橫向坡度約為10°，縱向坡度不明顯。油茶樹(shù)橫向間距約為4 m，縱向間距約為3 m。油茶樹(shù)有大小年之分，同一排油茶樹(shù)掛果率相差大，且樹(shù)冠冠幅不均，地面的平整性也較差。因此需選出合適的試驗(yàn)區(qū)域，并對(duì)其進(jìn)行修整，主要包括對(duì)油茶樹(shù)過(guò)長(zhǎng)的枝條進(jìn)行修剪和填充過(guò)大的土坑。

圖14 野外試驗(yàn)環(huán)境Fig.14 Field test environment

林間性能試驗(yàn)所用試驗(yàn)儀器及材料有：3 m卷尺、電子秤、計(jì)時(shí)器、尼龍帶、手持云臺(tái)穩(wěn)定器，圖15為履帶式高地隙油茶果振動(dòng)采收機(jī)現(xiàn)場(chǎng)采收油茶果的作業(yè)情況。

圖15 履帶式高地隙油茶果振動(dòng)采收機(jī)作業(yè)試驗(yàn)Fig.15 Orchard test of crawler-type high clearance Camellia oleifera fruit vibratory harvester

3.2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)開(kāi)始前，清除已掉落在地面上的油茶果和花苞。發(fā)動(dòng)機(jī)器，行走至作業(yè)區(qū)，將擊打液壓馬達(dá)速度調(diào)節(jié)至360 r/min，沿油茶樹(shù)種植行，連續(xù)對(duì)4棵油茶樹(shù)的冠層進(jìn)行擊打，分別統(tǒng)計(jì)每棵樹(shù)的油茶果采收率和花苞掉落率，并統(tǒng)計(jì)采收作業(yè)時(shí)間。油茶果采收率計(jì)算式為

(5)

式中R——油茶果采收率

Qa——脫落的油茶果個(gè)數(shù)

Qn——未脫落的油茶果個(gè)數(shù)

花苞掉落率計(jì)算式為

(6)

式中L——花苞掉落率

Wa——掉落的花苞個(gè)數(shù)

Wn——未掉落的花苞個(gè)數(shù)

3.2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

所有的試驗(yàn)指標(biāo)均在當(dāng)天測(cè)量完成，測(cè)得履帶式高地隙油茶果振動(dòng)采收機(jī)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，通過(guò)4組數(shù)據(jù)計(jì)算得出油茶果采收率為87.56%，花苞掉落率為25.86%。從試驗(yàn)結(jié)果看出，采收機(jī)性能良好，且液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為360 r/min時(shí)，采收率高，對(duì)花苞的損傷影響在可接受范圍內(nèi)。從表3中可知，第1棵油茶樹(shù)的掛果數(shù)量和第4棵油茶樹(shù)的掛果數(shù)量相差巨大，且花苞數(shù)量也相差巨大，這是因?yàn)橛筒铇?shù)有大小年的原因，上一年掛果多的樹(shù)，則今年掛果就少，但花苞數(shù)量多。掛果多的樹(shù)，采收率高，掛果少的樹(shù)，采收率低。采收機(jī)最大行駛速度為5.6 km/h，表3中的時(shí)間為采收機(jī)完成單棵油茶樹(shù)采收實(shí)際所消耗的時(shí)間。采收試驗(yàn)過(guò)程中，采收機(jī)沿油茶樹(shù)種植行邊振動(dòng)邊前進(jìn)，對(duì)于單棵油茶樹(shù)的采收時(shí)間，從指排桿與該油茶樹(shù)樹(shù)冠接觸開(kāi)始計(jì)時(shí)，到指排桿離開(kāi)該油茶樹(shù)樹(shù)冠時(shí)停止計(jì)時(shí)。由于每棵油茶樹(shù)的冠幅不同，因此采收機(jī)實(shí)際耗費(fèi)的時(shí)間不同。試驗(yàn)結(jié)果顯示4棵油茶采收完成用時(shí)84 s，平均每棵樹(shù)完成采收耗時(shí)21 s。油茶采收前后效果如圖16所示。

表3 履帶式高地隙油茶果振動(dòng)采收機(jī)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Field test results of crawler-type high clearance Camellia oleifera fruit vibratory harvester

圖16 采收前后油茶情況Fig.16 Situation of Camellia oleifera before and after harvest

4 結(jié)論

(1)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)油茶林種植環(huán)境特點(diǎn)及機(jī)械化采收方式，設(shè)計(jì)了履帶式高地隙油茶果振動(dòng)采收機(jī)，整機(jī)行走液壓系統(tǒng)配套動(dòng)力50 kW，工作液壓系統(tǒng)配套動(dòng)力35 kW，采用騎跨式車架結(jié)構(gòu)，4個(gè)三角履帶輪作為行走機(jī)構(gòu)，沿油茶樹(shù)種植行行走，在復(fù)雜的地形下具有較好的通過(guò)性。

(2)根據(jù)擊打軌跡設(shè)計(jì)了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)多排陣列的指排桿對(duì)樹(shù)冠兩側(cè)同時(shí)擊打作業(yè)。設(shè)計(jì)了高低錯(cuò)落排列的收集板，使落果通過(guò)收集板匯集后輸送到果箱中，實(shí)現(xiàn)了在運(yùn)動(dòng)中完成振動(dòng)落果和收集作業(yè)。

(3)通過(guò)對(duì)車架和擊打裝置機(jī)架前6階模態(tài)分析，結(jié)果表明當(dāng)擊打液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為360 r/min，擊打頻率為6 Hz時(shí)，車架和擊打裝置機(jī)架均不會(huì)發(fā)生共振。

(4)通過(guò)林地試驗(yàn)，驗(yàn)證了履帶式高地隙油茶果振動(dòng)采收機(jī)在擊打液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為360 r/min的條件下，具有良好的采收率，且花苞掉落率在可接受范圍內(nèi)，滿足油茶果采收要求。