輕便式油茶果收集裝置設(shè)計與試驗*

楊家林 ， 康麗春 ， 饒洪輝 ， 涂恒銘 ， 盧鑫磊 ， 劉木華

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西 南昌 330045；2.江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江西 南昌 330045）

0 引言

油茶果樹是一種木本油料作物，與橄欖、油棕和椰子并稱為世界四大木本油料[1]，既是我國特有的木本食用油料[2-3]，也是我國第一大木本油料，具有很高的營養(yǎng)價值，被譽(yù)為“東方橄欖油”[4-5]。截至2020年底，我國油茶種植面積已達(dá)到6 800 萬畝[6]，生產(chǎn)區(qū)域分布在湖南、江西、廣西、湖北、重慶、福建和貴州等15 個省（市、區(qū)）[7]。其中，丘陵坡地占85%左右，平地約占15%，大面積的丘陵山區(qū)種植有效地緩解了我國耕地資源緊缺的壓力[8]，促進(jìn)了丘陵山區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但丘陵山區(qū)地形復(fù)雜，有些地方坡度較大，大型的采摘收集裝置無法適應(yīng)地形，導(dǎo)致丘陵山區(qū)的油茶果采摘收集機(jī)械化程度仍比較低[9]，目前急需一種輕便的可以適應(yīng)不同丘陵地形的油茶果收集裝置來配合丘陵山區(qū)的油茶果機(jī)械采摘與收集。

為方便油茶果機(jī)械采摘后的收集工作，哈爾濱林機(jī)所設(shè)計了一款半弧式油茶果收集裝置[10]，該裝置通過齒輪帶動滑軌使弧形傘面張開進(jìn)行油茶果收集；李立君教授團(tuán)隊設(shè)計了一種油茶果采收機(jī)，該裝置利用液壓裝置展開收集傘，對振動采集的油茶果進(jìn)行收集，該裝置對地形要求較高，不適合山區(qū)丘陵地帶的油茶果收集[11-12]。目前我國主流的油茶果收集方式仍然是人工收集，效率低且勞動強(qiáng)度大[13]，嚴(yán)重制約了油茶果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為方便油茶果機(jī)械采摘后的收集工作，本文設(shè)計了一種收集傘傘桿傾角、高度、長度可調(diào)的倒傘型油茶果收集裝置，旨在適應(yīng)不同離地高度的油茶樹樹冠和不同冠幅的油茶樹果實的采后收集。

1 整機(jī)設(shè)計方案

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

油茶果樹株行距為2.5 m~3 m，油茶樹高為1.5 m~2.5 m，油茶樹主干直徑為15 cm~60 cm，油茶樹樹冠高度為1.6 m~3.5 m[14]，據(jù)此設(shè)計一種輕便式油茶果收集裝置。該裝置可由人推動行走，整機(jī)輕便靈活，為解決丘陵山區(qū)油茶樹種植地不平整、油茶樹冠離地高度參差不齊等問題，該采摘收集裝置的收集傘傘桿高度及傾角可以調(diào)節(jié)，其傘桿長度也可以根據(jù)油茶樹冠幅大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠適應(yīng)不同離地高度的油茶樹樹冠、不同樹齡的油茶果樹，完成油茶果收集工作。

收集裝置主要由車架、扶手、收集傘傘桿、高度調(diào)節(jié)裝置、收集傘傾角調(diào)節(jié)裝置、車輪、收集筐等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。收集傘整機(jī)實物圖如圖2所示，收集裝置整機(jī)參數(shù)如表1所示。

圖1 收集裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 收集傘整機(jī)實物圖

表1 油茶果收集裝置整機(jī)參數(shù)

1.2 工作原理

收集傘工作時，根據(jù)油茶果樹冠離地高度調(diào)節(jié)收集傘高度，將裝有收集筐的收集傘推至油茶樹下，調(diào)節(jié)收集傘傘桿長度，使之延伸到油茶果樹冠外圍；然后調(diào)節(jié)收集傘傘桿傾角，讓掉到收集傘上的油茶果具有良好的流動性，讓用手或機(jī)械摘落的油茶果可以快速匯集于收集筐內(nèi)，待收集筐滿后再將其中的果子倒進(jìn)編織袋，從而提高油茶果收集效率。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計

油茶樹因樹齡不同，樹冠離地高度也不相同，據(jù)此設(shè)計收集傘傘桿高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具體參數(shù)如表2 所示。該機(jī)構(gòu)將機(jī)架分為上下兩層，中間通過電動推桿連接，電動推桿參數(shù)如表3 所示。電動推桿上下底座為平底座，通過直角U 型螺栓安裝在方鋼上，在上下兩層U 型架中間裝有4 個電動推桿，4 個電動推桿通過并聯(lián)連接在一起，通過按鈕開關(guān)控制電動推桿伸縮，調(diào)節(jié)上下機(jī)架高度。

表2 傘桿高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)參數(shù)

表3 電動推桿參數(shù)

2.2 傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 具體機(jī)構(gòu)設(shè)計

因在丘陵山區(qū)的油茶果樹種植地具有一定的坡度，為保證采摘下的油茶果順利從收集傘掉入收集筐中，即油茶果掉在收集傘上依然具有良好的流動性，設(shè)計傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖3 所示。該機(jī)構(gòu)可對收集傘傘桿傾角在20°~50°之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。該機(jī)構(gòu)主要由AMSE-MRB型舵機(jī)、法蘭、傘桿轉(zhuǎn)動桿、立式軸承座等構(gòu)成，通過舵機(jī)連接法蘭，法蘭連接傘桿轉(zhuǎn)動桿，傘桿轉(zhuǎn)動桿穿過立式軸承座，收集傘傘桿安裝在轉(zhuǎn)動桿上。該舵機(jī)由Arduino 單片機(jī)控制旋轉(zhuǎn)，當(dāng)按下按鈕時，兩舵機(jī)相向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)時，將帶動傘桿轉(zhuǎn)動桿一起旋轉(zhuǎn)，從而改變收集傘傘桿傾角。

圖3 傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2.2.2 舵機(jī)選型

由于傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由舵機(jī)驅(qū)動，所以所選舵機(jī)必須能驅(qū)動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。所設(shè)計的收集傘傘桿參數(shù)如表4所示。

表4 收集傘傘桿參數(shù)

伸縮型收集傘傘桿由兩根長為1.5 m 的鋁管組成（內(nèi)管、外管），最大伸出長度為2.9 m，為方便計算，將其視為一根整體長為2.9 m，直徑為13 mm，壁厚為1 mm 的空心鋁管。設(shè)鋁管總質(zhì)量為m，其總質(zhì)量計算公式如式（1）所示。

式中，R為鋁管外徑，單位為mm；r為鋁管內(nèi)徑，單位為mm；L1為鋁管長度，單位為mm；ρ為鋁管密度，ρ=2.7 g/cm3。

可知：R=1.3 cm，r=1.1 cm，L1=290 cm，據(jù)式（1）可得出鋁管質(zhì)量m為98.3 g。收集傘布為尼龍傘布，質(zhì)量約為1 kg，視其均勻分布在收集傘傘桿上，即每個收集傘傘桿上有0.1 kg的傘布。為測試所選舵機(jī)強(qiáng)度是否滿足需求，將傘桿質(zhì)量與收集傘布質(zhì)量集合在收集傘傘桿全部伸出時的質(zhì)心上，可視為在每個傘桿質(zhì)心處有2 N 的壓力，θ為收集傘的最小傾角，當(dāng)θ最小且收集傘傘桿水平轉(zhuǎn)動角度與轉(zhuǎn)動桿垂直時，舵機(jī)所受的力矩最大，如圖4、圖5所示。

單根收集傘傘桿對轉(zhuǎn)動桿的力矩計算公式如式（2）所示，5 根收集傘傘桿的合力矩計算公式如式（3）所示。

式中，M為單根收集傘傘桿對轉(zhuǎn)動桿的力矩，單位為N·m；FN為收集傘傘桿承受的壓力，單位為N；L2為收集傘傘桿質(zhì)心到傘桿轉(zhuǎn)動桿的長度，單位為m；θ為收集傘傘桿與水平面的夾角。

可測出FN=2 N，θ=20°，L2=1.45 m。得出M'=5.92 N·m，舵機(jī)額定扭矩為28 N·m，收集傘傘桿對轉(zhuǎn)動桿的最大力矩小于舵機(jī)的額定扭矩，即AMSE-MRB型舵機(jī)滿足設(shè)計要求。

圖4 收集傘傘桿傾角

圖5 收集傘傘桿受力圖

2.3 傘桿長度調(diào)節(jié)裝置

成年的油茶果樹冠幅大小平均在1.5 m~2.9 m 之間[15]，為適應(yīng)不同樹齡的油茶果樹，設(shè)計收集傘傘桿為可伸縮式，兩桿之間通過旋轉(zhuǎn)鎖緊，使該收集傘傘桿長度能夠在1.5 m~2.9 m 之間進(jìn)行調(diào)整。收集傘傘桿下端設(shè)有圓形阻尼器，該阻尼器型號為48B14-2.3，扭矩為2.3 N·m，具有雙向阻尼特性，安裝在收集傘傘桿下端，如圖6 所示。手動調(diào)節(jié)傘桿的角度時，該阻尼器可將傘桿穩(wěn)定在該角度，可以防止收集傘傘桿左右搖擺，從而保證收集傘傘桿的穩(wěn)定性。

圖6 收集傘傘桿下端

3 油茶果收集試驗

為測試輕便式油茶果收集裝置的收集效果，2022年10 月22 日在江西省林科院油茶種植基地內(nèi)開展油茶果收集試驗。針對不同離地高度的油茶樹冠和不同油茶樹冠幅的油茶果進(jìn)行收集試驗，驗證輕便式油茶果收集裝置的高度調(diào)節(jié)、傘桿長度調(diào)節(jié)及傘桿傾角調(diào)節(jié)功能，如圖7 所示。結(jié)果表明，輕便式油茶果收集裝置能適應(yīng)不同離地高度的油茶樹冠與不同油茶樹冠幅的油茶果采后收集，采后的油茶果能在調(diào)節(jié)后的傘桿傾角下快速掉入收集筐中，滿足了設(shè)計要求。

圖7 采摘收集試驗

4 結(jié)論

針對國內(nèi)丘陵山區(qū)油茶果收集裝置適用性差、利用率低的問題，為提高油茶果收集效率，課題組設(shè)計了一種輕便式油茶果收集裝置。利用輕便式油茶果收集裝置開展了油茶果收集試驗，結(jié)果表明該裝置能適應(yīng)不同離地高度的油茶樹冠與不同油茶樹冠幅的油茶果采后收集，提高了丘陵山區(qū)油茶果收集裝置的適用性及收集效率。