杨家林 ， 康丽春 ， 饶洪辉 ， 涂恒铭 ， 卢鑫磊 ， 刘木华

（1.江西农业大学工学院，江西 南昌 330045；2.江西省现代农业装备重点实验室，江西 南昌 330045）

0 引言

油茶果树是一种木本油料作物，与橄榄、油棕和椰子并称为世界四大木本油料[1]，既是我国特有的木本食用油料[2-3]，也是我国第一大木本油料，具有很高的营养价值，被誉为“东方橄榄油”[4-5]。截至2020年底，我国油茶种植面积已达到6 800 万亩[6]，生产区域分布在湖南、江西、广西、湖北、重庆、福建和贵州等15 个省（市、区）[7]。其中，丘陵坡地占85%左右，平地约占15%，大面积的丘陵山区种植有效地缓解了我国耕地资源紧缺的压力[8]，促进了丘陵山区的经济发展。但丘陵山区地形复杂，有些地方坡度较大，大型的采摘收集装置无法适应地形，导致丘陵山区的油茶果采摘收集机械化程度仍比较低[9]，目前急需一种轻便的可以适应不同丘陵地形的油茶果收集装置来配合丘陵山区的油茶果机械采摘与收集。

为方便油茶果机械采摘后的收集工作，哈尔滨林机所设计了一款半弧式油茶果收集装置[10]，该装置通过齿轮带动滑轨使弧形伞面张开进行油茶果收集；李立君教授团队设计了一种油茶果采收机，该装置利用液压装置展开收集伞，对振动采集的油茶果进行收集，该装置对地形要求较高，不适合山区丘陵地带的油茶果收集[11-12]。目前我国主流的油茶果收集方式仍然是人工收集，效率低且劳动强度大[13]，严重制约了油茶果产业的发展。为方便油茶果机械采摘后的收集工作，本文设计了一种收集伞伞杆倾角、高度、长度可调的倒伞型油茶果收集装置，旨在适应不同离地高度的油茶树树冠和不同冠幅的油茶树果实的采后收集。

1 整机设计方案

1.1 整机结构

油茶果树株行距为2.5 m~3 m，油茶树高为1.5 m~2.5 m，油茶树主干直径为15 cm~60 cm，油茶树树冠高度为1.6 m~3.5 m[14]，据此设计一种轻便式油茶果收集装置。该装置可由人推动行走，整机轻便灵活，为解决丘陵山区油茶树种植地不平整、油茶树冠离地高度参差不齐等问题，该采摘收集装置的收集伞伞杆高度及倾角可以调节，其伞杆长度也可以根据油茶树冠幅大小进行调节，能够适应不同离地高度的油茶树树冠、不同树龄的油茶果树，完成油茶果收集工作。

收集装置主要由车架、扶手、收集伞伞杆、高度调节装置、收集伞倾角调节装置、车轮、收集筐等组成，整机结构如图1 所示。收集伞整机实物图如图2所示，收集装置整机参数如表1所示。

图1 收集装置整机结构

图2 收集伞整机实物图

表1 油茶果收集装置整机参数

1.2 工作原理

收集伞工作时，根据油茶果树冠离地高度调节收集伞高度，将装有收集筐的收集伞推至油茶树下，调节收集伞伞杆长度，使之延伸到油茶果树冠外围；然后调节收集伞伞杆倾角，让掉到收集伞上的油茶果具有良好的流动性，让用手或机械摘落的油茶果可以快速汇集于收集筐内，待收集筐满后再将其中的果子倒进编织袋，从而提高油茶果收集效率。

2 关键部件设计

2.1 高度调节机构设计

油茶树因树龄不同，树冠离地高度也不相同，据此设计收集伞伞杆高度调节机构，该机构具体参数如表2 所示。该机构将机架分为上下两层，中间通过电动推杆连接，电动推杆参数如表3 所示。电动推杆上下底座为平底座，通过直角U 型螺栓安装在方钢上，在上下两层U 型架中间装有4 个电动推杆，4 个电动推杆通过并联连接在一起，通过按钮开关控制电动推杆伸缩，调节上下机架高度。

表2 伞杆高度调节机构参数

表3 电动推杆参数

2.2 倾角调节机构设计

2.2.1 具体机构设计

因在丘陵山区的油茶果树种植地具有一定的坡度，为保证采摘下的油茶果顺利从收集伞掉入收集筐中，即油茶果掉在收集伞上依然具有良好的流动性，设计倾角调节机构，如图3 所示。该机构可对收集伞伞杆倾角在20°~50°之间进行调节。该机构主要由AMSE-MRB型舵机、法兰、伞杆转动杆、立式轴承座等构成，通过舵机连接法兰，法兰连接伞杆转动杆，伞杆转动杆穿过立式轴承座，收集伞伞杆安装在转动杆上。该舵机由Arduino 单片机控制旋转，当按下按钮时，两舵机相向旋转；当舵机旋转时，将带动伞杆转动杆一起旋转，从而改变收集伞伞杆倾角。

图3 倾角调节机构

2.2.2 舵机选型

由于倾角调节机构由舵机驱动，所以所选舵机必须能驱动调节机构。所设计的收集伞伞杆参数如表4所示。

表4 收集伞伞杆参数

伸缩型收集伞伞杆由两根长为1.5 m 的铝管组成（内管、外管），最大伸出长度为2.9 m，为方便计算，将其视为一根整体长为2.9 m，直径为13 mm，壁厚为1 mm 的空心铝管。设铝管总质量为m，其总质量计算公式如式（1）所示。

式中，R为铝管外径，单位为mm；r为铝管内径，单位为mm；L1为铝管长度，单位为mm；ρ为铝管密度，ρ=2.7 g/cm3。

可知：R=1.3 cm，r=1.1 cm，L1=290 cm，据式（1）可得出铝管质量m为98.3 g。收集伞布为尼龙伞布，质量约为1 kg，视其均匀分布在收集伞伞杆上，即每个收集伞伞杆上有0.1 kg的伞布。为测试所选舵机强度是否满足需求，将伞杆质量与收集伞布质量集合在收集伞伞杆全部伸出时的质心上，可视为在每个伞杆质心处有2 N 的压力，θ为收集伞的最小倾角，当θ最小且收集伞伞杆水平转动角度与转动杆垂直时，舵机所受的力矩最大，如图4、图5所示。

单根收集伞伞杆对转动杆的力矩计算公式如式（2）所示，5 根收集伞伞杆的合力矩计算公式如式（3）所示。

式中，M为单根收集伞伞杆对转动杆的力矩，单位为N·m；FN为收集伞伞杆承受的压力，单位为N；L2为收集伞伞杆质心到伞杆转动杆的长度，单位为m；θ为收集伞伞杆与水平面的夹角。

可测出FN=2 N，θ=20°，L2=1.45 m。得出M'=5.92 N·m，舵机额定扭矩为28 N·m，收集伞伞杆对转动杆的最大力矩小于舵机的额定扭矩，即AMSE-MRB型舵机满足设计要求。

图4 收集伞伞杆倾角

图5 收集伞伞杆受力图

2.3 伞杆长度调节装置

成年的油茶果树冠幅大小平均在1.5 m~2.9 m 之间[15]，为适应不同树龄的油茶果树，设计收集伞伞杆为可伸缩式，两杆之间通过旋转锁紧，使该收集伞伞杆长度能够在1.5 m~2.9 m 之间进行调整。收集伞伞杆下端设有圆形阻尼器，该阻尼器型号为48B14-2.3，扭矩为2.3 N·m，具有双向阻尼特性，安装在收集伞伞杆下端，如图6 所示。手动调节伞杆的角度时，该阻尼器可将伞杆稳定在该角度，可以防止收集伞伞杆左右摇摆，从而保证收集伞伞杆的稳定性。

图6 收集伞伞杆下端

3 油茶果收集试验

为测试轻便式油茶果收集装置的收集效果，2022年10 月22 日在江西省林科院油茶种植基地内开展油茶果收集试验。针对不同离地高度的油茶树冠和不同油茶树冠幅的油茶果进行收集试验，验证轻便式油茶果收集装置的高度调节、伞杆长度调节及伞杆倾角调节功能，如图7 所示。结果表明，轻便式油茶果收集装置能适应不同离地高度的油茶树冠与不同油茶树冠幅的油茶果采后收集，采后的油茶果能在调节后的伞杆倾角下快速掉入收集筐中，满足了设计要求。

图7 采摘收集试验

4 结论

针对国内丘陵山区油茶果收集装置适用性差、利用率低的问题，为提高油茶果收集效率，课题组设计了一种轻便式油茶果收集装置。利用轻便式油茶果收集装置开展了油茶果收集试验，结果表明该装置能适应不同离地高度的油茶树冠与不同油茶树冠幅的油茶果采后收集，提高了丘陵山区油茶果收集装置的适用性及收集效率。