樹冠振動式油茶果采摘機設計與試驗

吳問天 郭醫博 高寧煜

（銅陵學院，安徽 銅陵 244061）

目前我國擁有油茶林面積大約7，000萬畝，主要分布于丘陵山區，兼顧較高的經濟效益、生態效益、社會效益，已發展成為鄉村振興的支柱產業。但是油茶收獲周期短、過度依賴人工、勞動強度大、機械化程度薄弱等問題[1-2]，嚴重制約了油茶產業的發展。在此背景下，設計研制一款油茶果采收機械就成為解決問題的關鍵。

目前，國內外林果類采摘的主要方式有兩種：一種是基于圖像識別技術設計的采摘機器人，主要用于采摘要求較高的林果如：草莓、番茄、葡萄等[3-4]；一種是基于諧振原理設計的振動式采摘機械，主要用于采摘要求較低的林果如：橄欖、柑橘、紅棗等[5-9]。但油茶是我國特有樹種，國外幾乎沒有相關研究；而我國林業采摘機械又處于起步階段，且油茶的花果同期特點，進一步增大了機械化采摘難度。導致目前參與研發的高校和研究所都處于理論研究和試制試驗階段[10-11]。本文基于油茶——果枝分離力測定試驗的分析，提出一種樹冠振動式油茶果采摘機，并通過正交試驗確定采摘最優參數組合，為最終實現高質量（高采凈率，較低花苞損傷率）的油茶果機械化采收提供思路。

一、油茶——果枝分離力測定

（一）試驗設備與方法

油茶果實與樹枝分離力的大小，是油茶果采摘裝置設計的核心依據。故在采摘裝置設計之初，進行了相關測定試驗。試驗名稱：油茶——果枝分離力測定；試驗地點：安徽省舒城縣油茶試驗田；試驗時間：2019年10月；試驗對象：成熟期長林1號油茶樹種；試驗設備：基于Labview技術設計的油茶——果枝分離力測試臺。該測試臺具有實時數據采集和顯示存儲功能，試驗臺結構示意圖如圖1所示。根據前期測定試驗發現，果實脫落力的大小和果實受力方向相關，為了進一步驗證相關性，隨機選取80個樣本，分為兩組；一組選擇果實受力方向與其自然生長方向夾角為0度，另外一組選擇夾角為90度，分別進行果枝分離力測定。測得的試驗數據如圖2所示。

圖1 試驗臺結構示意圖

圖2 油茶果在不同作用力方向下的果實和樹枝的分離力

（二）試驗結果分析

由圖2可知：作用力方向與果實自然生長方向相同時，即夾角呈0度時，測量樣本值主要分布在15-18N，最大分離力為33.61N，最小值為3.42N，平均分離力為17.92N；當作用力方向與果實自然生長方向呈90度夾角時，測量樣本數值主要集中在15N附近，最大分離力為28.51N，分離力平均值為14.39N。

根據測量的數據對比分析可得，樣本作用力方向與果實生長方向呈90度夾角時，果枝分離力要比作用力與果實自然生長方向一致時測得的果枝分離力要小得多。所以當果實水平左右擺動，更易脫落。

二、整機總體結構與工作原理

（一）總體結構

樹冠振動式油茶果采收一體機總體結構如圖3所示，主要由動力總成、履帶式底盤、采摘裝置和輸送裝置共同組成。為了保證采摘時通過性，整機選擇龍門式架構；兩個采摘裝置對稱安裝在龍門框架兩側，進行油茶果采摘工作；同時基于安徽省油茶田主要分布于丘陵地區這一特點，選擇履帶式底盤結構；其中采摘、行走和輸送等所有動力均由動力總成提供。

圖3 油茶果采收一體機總體結構

（二）工作原理

采收一體機采用騎壟作業的形式，自行到達合適的采摘位置，此時整機兩側采摘裝置在動力總成的控制下深入油茶樹的樹冠中，通過在水平方向上的激振作業，實現油茶果實的脫落。采摘下來的油茶果在梳齒結構的輔助下滾落于兩側的傳動帶上，通過輸送裝置最終輸送到出料口位置，落入旁邊的收集車當中，整個采收作業到此完成。

三、基于ADAMS仿真分析

（一）ADAMS仿真模型

由于樹冠振動式油茶果采收一體機結構太過復雜，為了盡量真實的模擬采摘裝置作業情況，設計了專門的采摘裝置試驗臺，結構如圖4所示。

圖4 油茶果采摘試驗臺總體結構

本文在Pro/E軟件中建立油茶果采摘試驗臺三維模型，利用ADAMS與Pro/E的接口將采摘試驗臺模型導入ADAMS軟件中進行動力學仿真。

（二）材料屬性定義

模型導入后，分別添加各組件材料如表1所示。

表1 材料屬性

（三）約束和驅動添加

根據采摘裝置實際運行情況，對試驗臺各部件進行條件約束。大地和試驗臺架、各軸承座和試驗臺架以及滑軌和試驗臺架等設為固定副；曲柄連桿和采摘裝置之間設定為轉動副；采摘裝置和滑軌之間設為移動副；驅動副設置在曲柄上，隨著曲柄的旋轉，采摘裝置實現在導軌上的左右振動，如圖5所示。

圖5 約束的添加和驅動

（四）仿真結果分析

設置仿真分析時長設為5s，仿真步數定為50步，選擇動力學仿真類型，其他設置為默認，即開始仿真分析。待仿真結束后進入后處理模塊，設定振動頻率為20Hz，振動幅度為100mm，拍打棒材質選為尼龍。選取拍打棒質心點paidabang8.CM作為對象，得到拍打棒沿X軸方向的拍打力仿真曲線，如圖6所示。

圖6 采摘裝置拍打力仿真曲線圖

根據油茶果與樹枝分離力試驗，油茶果實脫落的最大分離力為33.61N，而采摘裝置中拍打棒的拍打力F=40.1N＞33.61N，因此采摘機構滿足油茶果采摘要求。

四、田間試驗

（一）試驗條件與設備

采摘試驗于2019年10月2日舒城的油茶園中進行，選擇8棵生長周期相同，花果分布情況相近的“長林1號”油茶樹種為試驗目標。該樹種果與花交錯分布，樹枝分布密集。樹高1.7-2.3米，植株行、間距2.5米，果高0.3-1.9米，結果深度0.1-0.3米，樹冠直徑1.5-2米。

試驗設備：卷尺、變頻控制器、尼龍棒、松木棒、空心鋁合金棒、采摘裝置試驗臺等。

圖7 采摘試驗現場圖

（二）試驗方法

通過對采摘機理和前期研究分析可知，影響采摘效果的主要因素為：A振動時間；B振動幅度；C振動棒材料；D振動頻率。因此選定以上4種因素進行正交試驗。為了更好評價采摘結果，選擇采凈率和花苞掉落率為性能評價指標。

1.采凈率：

式中：P1為采凈率 （%）；N1掉落的果實數量（個）；N2采摘前果實數量（個）。

2.花苞掉落率：

式中：P2為花苞掉落率（%）；M1為采摘后剩余花苞數量（個）；M2為采摘前花苞數量（個）。

表2 正交試驗因素水平表

（三）試驗結果分析

正交試驗安排與極差分析如表3所示。

表3 正交試驗安排與結果

通過表中的極差分析可知，影響采凈率的最主要因素為振動頻率。次要因素為振動幅度和材料，而時間的影響相對較小。林果類采摘機械的性能優劣還是更加重視采凈率的大小，采凈率越高，采摘效果越好，所以可以確定A1B2C2D2為最優組合，即振動時間為60S、振動棒材料選用尼龍棒、振動頻率為15Hz、振動幅度為100mm。此時采凈率為89.31%，花苞掉落率為35.20%。

雖然該采摘裝置采摘效率遠遠超過人工采摘，但是根據采摘現場調研結果可知，人工采摘時花苞損傷率在15%-25%范圍內，明顯低于機械采摘時花苞損傷率。想要在不影響油茶果樹來年產量的情況下，實現油茶果機械化采收，還需要進一步考慮花苞因素，對采摘裝置結構參數進行優化。

五、結論

為滿足油茶果機械化采摘的需要，本文基于油茶果－果枝分離力測定試驗結果，設計了一款樹冠振動式油茶果采收一體機。經過ADAMS虛擬仿真分析和田間試驗，確定了采摘裝置的可行性。田間試驗結果表明：在振動時間為60S、振動棒材料選用尼龍棒、振動頻率為15Hz、振動幅度為100mm的作業參數組合下，油茶果采凈率最高，為89.31%，此時花苞掉落率為35.20%。