履带式高地隙油茶果振动采收机设计与试验

2022-08-08杜小强贺磊盈张国凤姚小华

农业机械学报 2022年7期

杜小强宁晨贺磊盈钱寅张国凤姚小华

(1.浙江理工大学机械与自动控制学院，杭州 310018； 2.浙江省种植装备技术重点实验室，杭州 310018;3.中国林业科学研究院亚热带林业研究所，杭州 310018)

0 引言

作为世界四大木本油料树种之一，油茶与其他油料树种相比，具有很高的营养和经济价值[1-2],在中国具有广泛的种植面积，同时也是南方丘陵地区重要的经济林树种[3-4]。全国现有油茶种植已达4.7×107m2，可实现约5.6×106t的年产量，每年产出约2.625×105t的茶油，种植面积和产量占全球的95%以上[5]。油茶果采摘受季节性限制，适时采摘是关键[6-7]。目前我国油茶果采摘作业主要是人工徒手采摘或半人工半机械采摘，劳动强度大，采摘效率低，严重制约了油茶的产业化发展[8]。针对目前国内的油茶种植情况，需要设计一种越障性能较高，适用性较好的油茶果收获机，以实现油茶果的高效率采收作业目标，突破油茶产业机械化生产的瓶颈[9]，进一步推动国内油茶产业的发展。

目前油茶果机械化采收方式有齿梳式、摇枝式、切割式、振动式等[10-21]。振动式采收机的研究较多，大多采用液压驱动式一字履带轮，能够适应复杂作业环境[22-25]，将采摘头安装在机械臂上，机械臂安装在履带轮底盘上，然后通过采摘头对油茶果进行振动式采收[26-28]。但该类采收机均是单侧作业，且和树体之间需要保持一定距离，受到作业空间限制，机械化采收效率较低。针对该问题，本文结合液压驱动式履带轮优点，设计一种履带式高地隙油茶果振动采收机。该振动采收机采用骑跨式车架沿油茶树种植行行走，利用曲柄摇杆机构驱动多排阵列的指排杆按照一定的运动轨迹对树冠两侧同时击打作业，增加作业范围，落果通过收集板汇集到输送带内，最后输送带将收集到的油茶果贮存在果箱内，以实现在运动中完成振动落果和收集作业，提高作业效率。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

该履带式高地隙油茶果振动采收机主要由收集装置、击打装置、行走系统、液压系统、车架5部分组成。整机结构图如图1所示，其中行走系统有4组液压马达驱动的三角履带轮，同侧前后履带轮通过同步阀控制前后液压马达流量相同。车架为龙门式，4条支腿用来安装履带轮，两侧腰线处安装行走液压系统和工作液压系统，且对称布置。两套液压系统的动力部分均由柴油机散热器、柴油发动机、液压油泵、液压油箱、液压油箱散热器组成。工作液压系统给输送带和击打装置提供动力。行走液压系统给4个履带轮提供动力。击打装置由击打装置机架、角度调节机构、击打液压马达、曲柄摇杆机构、限位导轨和导靴组成。击打装置机架上垂直布置2根指排架，每根指排架上装有10根指排杆。曲柄摇杆机构安装在车架两侧中间位置，击打液压马达与曲柄连接。击打杆运动轨迹由曲柄摇杆机构确定，其动力由击打液压马达提供。本文击打马达转速为基于前期开展的油茶振动试验研究确定的最佳振动频率的转速。本文设计的采收机击打装置与前期试验的击打装置结构相同，均由指排杆组成，只是对运动轨迹进行了优化，由直线往复式运动调整为椭圆轨迹运动，但最大振幅均为10 cm。因此，参考前期研究结果，本文击打马达转速选用前期试验结果的最优转速360 r/min。收集装置由收集板、输送带、果箱、输送液压马达组成。收集板包括主板、连接板和鱼鳞板，收集板前半部分由鱼鳞板高低交错拼接而成，输送带动力由输送液压马达提供。电控柜为用电元件的通讯装置，用来接收遥控器的信号，操控各装置工作。

图1 履带式高地隙油茶果振动采收机结构图Fig.1 Structure diagram of crawler-type high clearance Camellia oleifera fruit vibratory harvester1.三角履带轮 2.车架支腿 3.行走液压马达 4.击打机架 5.收集板 6.指排杆 7.角度调节机构 8.鱼鳞板 9.电控柜 10.输送液压马达 11.柴油机散热器 12.柴油机 13.油泵 14.输送带 15.液压油箱 16.液压油散热器 17.果箱 18.电磁阀 19.击打液压马达 20.曲柄摇杆机构 21.限位导轨和导靴

1.2 工作原理

液压系统动力由柴油机和液压油泵提供。液压站正常工作时，油泵工作，油液从油箱吸出，进入比例多路换向阀，控制4个行走马达。击打马达为击打装置提供动力，带动曲柄转动，从而控制指排杆按设计的轨迹运动。指排杆通过直接或间接与油茶果接触，实现击落或振落果实的效果。输送马达为输送带提供动力，油茶果被振落到收集板上，然后滚入输送带内，输送带将收集到的油茶果输送到果箱内。通过手动调节节流阀来控制击打马达与输送马达的转速。通过控制电磁换向阀改变击打马达和行走马达的转动方向。采收机的行走、击打、收集均通过遥控器操控。采收机整套系统除了液压油箱散热器为电驱，其余装置均采用液压驱动，液压系统原理图如图2所示。

图2 液压系统原理图Fig.2 Schematics of hydraulic system

2 关键部件设计

2.1 击打装置设计

高地隙油茶果振动采收机是利用指排杆的往复运动对油茶树冠进行一定频率和幅度的击打，使得油茶果受振动而脱落。为提高击打装置的击打效果，运用曲柄摇杆机构原理，将指排杆运动轨迹设计成近似椭圆形。油茶果振动采收机击打装置结构如图3所示。每套击打装置上配置2根指排架，每根指排架长1 600 mm，间隔160 mm均匀分布9根塑胶材质指排杆，指排杆直径为15 mm、长度为700 mm。液压马达驱动曲柄摇杆机构运动，击打装置机架挂配在连杆中间部位的轴销上，导靴受导轨限位，确保机架在同一平面内按近似椭圆轨迹往复运动。通过角度调节机构来改变指排架倾斜角，有利于提高指排杆在冠层的通过性以及改变指排杆插入树冠的深度。

图3 击打装置结构图Fig.3 Structure diagram of excitation device1.液压马达 2.底座 3.机架 4.指排架 5.指排杆 6.曲柄摇杆机构 7.导靴 8.导向滑块 9.导轨 10.角度调节机构

2.1.1曲柄摇杆机构设计

曲柄摇杆机构是击打装置的传动机构，确定其指排架的运动轨迹。由于连杆上的轴销是整个机架承载元件，所以设计为双对称曲柄摇杆机构，以增大机构的承载能力和稳定性。如图4所示，两对称摇杆与连杆之间的旋转副用轴销连接，两对称连杆中心连接的轴销用来挂配击打装置机架，液压马达通过联轴器与曲柄连接。

图4 曲柄摇杆机构Fig.4 Structure of crank-rocker mechanism1.连杆 2.轴销 3.曲柄 4.底座 5.液压马达 6.摇杆

该传动机构在课题组先前试验的击打装置基础之上进行优化。此前击打装置的运动轨迹为直线往复式，指排杆往复行程为80 mm。为了减小往复式运动带来的冲击力，将运动轨迹设计成椭圆循环式，在文献[29]中选择了合适的椭圆形轨迹，可直接确定所设计的四杆机构长度比例，根据图谱中该四杆机构各杆长比值以及实际运动轨迹最大径长与图谱中椭圆轨迹的最大径长，算出四杆机构中各杆的实际长度。测得图谱中椭圆轨迹最大径长为10 mm，图谱中曲柄长为5 mm，实际运动的椭圆轨迹最大径长设为80 mm，最后根据

(1)

LA∶LB∶LC∶LD=1∶4∶3∶3

(2)

式中LA——实际曲柄长度

L′A——图谱曲柄长度

LT——图谱椭圆轨迹最大径长

LB——实际连杆长度

LC——实际摇杆长度

LD——实际机架长度

计算得出实际曲柄长度为40 mm、连杆长度为160 mm、摇杆长度为120 mm、机架长度为120 mm。

计算该曲柄摇杆机构最小传动角，验证该机构传力性能。对于曲柄摇杆机构，γmin出现在主动曲柄与机架共线的两位置之一，如图5所示，根据计算得出最小传动角γmin=28.96°，证明该曲柄摇杆机构设计合理。

图5 曲柄摇杆机构传动角Fig.5 Transmission angle of crank-rocker mechanism

(3)

(4)

通过ADAMS软件对曲柄摇杆机构进行轨迹仿真，结果如图6所示，连杆中心位置运动产生的近似椭圆形曲线为指排杆运动轨迹。该椭圆曲线轨迹与图谱中选定的轨迹保持一致。从椭圆形运动轨迹可以看出，指排架纵向运动幅度比横向运动幅度大，主要沿树冠高度方向激振，同时在水平方向上也产生激振，提高了树冠振动效果。

图6 曲柄摇杆机构运动轨迹Fig.6 Motion trajectory of crank-rocker mechanism

2.1.2击打装置机架有限元模态分析

为避免激振频率在击打装置机架固有频率范围内产生共振，对机架结构造成损坏，需要对机架进行有限元模态分析。简化击打装置，保留机架主要部分，建立机架有限元模型，为了均衡精度和速度的要求，网格单元尺寸默认为系统自动划分，划分结果所显示的节点个数为66 628个，单元个数为20 744个。因为击打杆均为尼龙材质，其重力对机架应力影响微小，所以可忽略不计，只需添加机架自身重力。在机架顶部施加周转副约束和固定约束，然后进行模态分析。从ANSYS模态分析结果中可以提取到击打装置机架的前6阶固有频率，如表1所示。其前6阶对应的频率振型图如图7所示。从振型图可以看出，前2阶机架绕X、Y轴弯曲摆动，第3到第6阶为指排架绕X、Y轴弯曲摆动。机架的前6阶固有频率为10.55～46.01 Hz，该范围避开了激励频率，因此击打装置机架不会发生共振。

表1 击打装置机架前6阶固有频率及振型特征Tab.1 The first six-order natural frequencies and modal shapes of excitation device frame

图7 击打装置机架前6阶模态振型图Fig.7 The first six-order modal shapes of excitation frame

2.2 车架设计

振动采收机车架采用骑跨式结构，如图8所示。车架采用Q235钢材，规格有角钢、槽钢和方管。动力系统安装架由角钢和槽钢焊接而成，长2 760 mm、宽600 mm、高550 mm，角钢和槽钢厚度均为6 mm，槽钢上打有螺纹孔，用于部件装配。立柱与横梁通过焊接固定，且为了加固整机的骑跨式车架结构，每个立柱内外侧按照三角结构各焊一根方管。由于液压系统要控制两侧元件工作，液压油管需从骑跨式车架顶部通过，所以在车架顶部方管上装有液压油管走线固定零件和用于安装击打装置的底座。根据拟采收的长林3号油茶树的基本参数(平均树高220 cm、树冠平均直径230 cm)[30]，确定了车架长、宽、高分别为2 900、2 740、2 120 mm。

图8 油茶果振动采收机车架结构图Fig.8 Chassis frame structure of Camellia oleifera fruit vibratory harvester1.车架横梁 2.车架立柱 3.动力系统安装架 4.击打装置安装台

振动采收机在工作过程中，若激励频率与车架的固有频率相近时就会引起共振，从而影响整体稳定性，甚至会破坏车架部分结构件。为避免共振应使车架的固有频率避开激励频率，因此需要对车架进行有限元模态分析。本文在ANSYS中建立车架的有限元模型，为了均衡精度和效率，网格单元尺寸默认为系统自动划分，划分结果所显示的节点个数为297 847个，单元个数为82 152个。对车架关键承重部位施加载荷并确定底盘与地面之间的约束，最后进行模态分析。从分析结果中可以提取到车架的前6阶固有频率，如表2所示，前6阶对应的振型图如图9所示。前2阶振型图显示车架会绕X、Y轴弯曲摆动，第3阶振型图显示车架绕Z轴扭动，第4、5阶振型图显示车架顶层结构会上下摆动，第6阶振型图显示车架的动力系统安装架绕Y轴摆

图9 车架前6阶有限元模态振型图Fig.9 The first six-order modal shape diagrams of chassis frame

表2 车架前6阶固有频率及振型特征Tab.2 The first six-order natural frequencies and modal shapes of chassis frame

动，造成这些振型的原因是骑跨式车架结构特殊，动力系统安装位置偏低及车架顶层结构距地面高度大。前6阶固有频率为17.50～47.86 Hz，该范围避开了激励频率，因此车架不会发生共振。

2.3 收集板设计

本文设计的高地隙油茶果振动采收机以骑跨油茶树方式沿油茶树种植行进行振动采收，要求收集板能够接收落果，且能顺利避开树干。如图10所示，收集板主要由主板、连接板、鱼鳞板组成。连接板分为上下两层，呈交替排列，鱼鳞板根据宽度分为两种型号：宽度为26 cm的鱼鳞板与上层连接板配合，宽度为20 cm的鱼鳞板与下层连接板配合。下层连接板通过4个螺栓直接固定在主板上，上层连接板通过橡胶垫块与螺栓固定在主板上。通过统计调查，油茶果的挂果量集中在距离树冠表层26 cm范围内[30]，中间的落果数量极少。为了使采收机具有良好的通过性，在设计收集板时设置了中间通道，根据统计测量结果确定通道间隙：在离地高度60 cm处，油茶树分叉树干平均宽度为70 cm。因此，从整机综合性能考虑，收集板最高处距离地面60 cm，中间留出的通道宽度为70 cm。

图10 收集板结构示意图Fig.10 Structure of collecting plate1.主板 2.连接板 3.鱼鳞板

鱼鳞板具有双向转动、自动复位功能。如图11所示，鱼鳞板与连接板通过转轴、钩簧连接。转轴由螺栓、螺母、推力轴承组成。鱼鳞板钩柱与连接板钩柱通过钩簧连接，鱼鳞板钩柱可在圆心角120°的槽内滑移，利用钩簧的弹性形变自动恢复特性，实现鱼鳞板在双向转动之后，能自动复位功能。鱼鳞板采用PC材质，为提高板的刚度，在其两侧安装金属框。鱼鳞板局部装配体侧视图如图12所示，鱼鳞板之间呈阶梯型，通过橡胶垫块将中间连接板垫高，鱼鳞板安装在连接板上，因此鱼鳞板高低交错，鱼鳞板转动时相邻之间的板件不会发生干扰。中间位置的鱼鳞板宽度为26 cm，比相邻宽度为20 cm的鱼鳞板宽6 cm，因此高处的鱼鳞板单边会多出3 cm板，覆盖在低处的鱼鳞板顶部，这样可以减小鱼鳞板工作时间隙，提高了落果的接收率。

图11 收集板局部装配图Fig.11 Partial assembly drawing of collecting plate1.橡胶垫块 2.钩簧 3.转轴 4.金属框

图12 鱼鳞板高低交错排布Fig.12 Fish scale plates staggered in height1.鱼鳞板 2.连接板 3.推力轴承 4.收集主板 5.橡胶垫块

3 试验

3.1 样机

履带式高地隙油茶果振动采收机整机尺寸为3 965 mm×3 850 mm×2 800 mm，采收机实物如图13所示，其尺寸和作业幅宽满足油茶树标准种植模式中作业的基本条件。行走液压系统采用50 kW柴油发动机，工作液压系统采用35 kW柴油发动机作为动力源。本次试验，通过手动调节节流阀，将击打装置液压马达转速设定为360 r/min，检验振动采收机系统工作的效果。

图13 履带式高地隙油茶果振动采收机实物图Fig.13 Photo of crawler-type high clearance Camellia oleifera fruit vibratory harvester

3.2 林地油茶果采收试验

3.2.1试验条件与材料

试验于2021年10月22日，在金华市东方红林场国家油茶油桐良种基地进行，当天试验天气晴朗，气温16～23℃。图14为试验场地的环境情况，林地横向坡度约为10°，纵向坡度不明显。油茶树横向间距约为4 m，纵向间距约为3 m。油茶树有大小年之分，同一排油茶树挂果率相差大，且树冠冠幅不均，地面的平整性也较差。因此需选出合适的试验区域，并对其进行修整，主要包括对油茶树过长的枝条进行修剪和填充过大的土坑。

图14 野外试验环境Fig.14 Field test environment

林间性能试验所用试验仪器及材料有：3 m卷尺、电子秤、计时器、尼龙带、手持云台稳定器，图15为履带式高地隙油茶果振动采收机现场采收油茶果的作业情况。

图15 履带式高地隙油茶果振动采收机作业试验Fig.15 Orchard test of crawler-type high clearance Camellia oleifera fruit vibratory harvester

3.2.2试验方法

试验开始前，清除已掉落在地面上的油茶果和花苞。发动机器，行走至作业区，将击打液压马达速度调节至360 r/min，沿油茶树种植行，连续对4棵油茶树的冠层进行击打，分别统计每棵树的油茶果采收率和花苞掉落率，并统计采收作业时间。油茶果采收率计算式为

(5)

式中R——油茶果采收率

Qa——脱落的油茶果个数

Qn——未脱落的油茶果个数

花苞掉落率计算式为

(6)

式中L——花苞掉落率

Wa——掉落的花苞个数

Wn——未掉落的花苞个数

3.2.3试验结果与分析

所有的试验指标均在当天测量完成，测得履带式高地隙油茶果振动采收机试验结果如表3所示，通过4组数据计算得出油茶果采收率为87.56%，花苞掉落率为25.86%。从试验结果看出，采收机性能良好，且液压马达转速为360 r/min时，采收率高，对花苞的损伤影响在可接受范围内。从表3中可知，第1棵油茶树的挂果数量和第4棵油茶树的挂果数量相差巨大，且花苞数量也相差巨大，这是因为油茶树有大小年的原因，上一年挂果多的树，则今年挂果就少，但花苞数量多。挂果多的树，采收率高，挂果少的树，采收率低。采收机最大行驶速度为5.6 km/h，表3中的时间为采收机完成单棵油茶树采收实际所消耗的时间。采收试验过程中，采收机沿油茶树种植行边振动边前进，对于单棵油茶树的采收时间，从指排杆与该油茶树树冠接触开始计时，到指排杆离开该油茶树树冠时停止计时。由于每棵油茶树的冠幅不同，因此采收机实际耗费的时间不同。试验结果显示4棵油茶采收完成用时84 s，平均每棵树完成采收耗时21 s。油茶采收前后效果如图16所示。