齒梳撥刀式油茶果采摘裝置設計與試驗

羅時挺，饒洪輝，張立勇，余佳佳，徐諧慶，李 濤，劉木華

(江西農業大學 工學院，南昌 330045)

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齒梳撥刀式油茶果采摘裝置設計與試驗

羅時挺，饒洪輝，張立勇，余佳佳，徐諧慶，李 濤，劉木華

(江西農業大學 工學院，南昌 330045)

油茶果機械采摘是一個亟待解決的難題。為此，針對油茶果機械采摘難、效率低、易損傷花苞的現象，設計了一種齒梳撥刀式油茶果采摘裝置，并通過對采摘裝置工作原理和撥果原理開展理論分析，得出影響撥刀采摘效果的主要因素。同時，使用ADAMS軟件模擬其運動過程，分析撥刀前端點速度、加速度、角速度和角加速度，繪制相應曲線，并對采摘裝置關鍵零部件進行設計。采摘試驗表明：設計的齒梳撥刀式油茶果采摘裝置能夠有效提高采摘效率并減少花苞損傷，可為油茶果的機械采摘設計提供新的思路。

油茶果；齒梳撥刀式；采摘裝置；損傷

0 引言

油茶果是我國南方特有的重要木本食用油料，是與油橄欖、油棕、椰子齊名的世界四大油源樹種之一[1-2]。油茶果具有很高的保健和營養價值，被聯合國糧農組織列為重點的高級健康型食用植物油。江西省是油茶果的主要產區之一，全省現有油茶果面積83.7萬hm2，占全省經濟林面積的79.6%，為全國油茶林面積的1/3左右，在當前國家重視、政府鼓勵、科技扶持、企業參與、林農自愿的發展形勢下，江西省油茶果產業的發展達到前所未有的水平[3-7]。

目前，各種果實的機械化采摘方式主要包括自動化程度較高的采摘機器人和利用機械振動或氣流沖擊原理設計的采果機[8-10]。采摘機器人由于采摘技術難度大、成本高等原因難以推廣和應用[12-13]。機械振動和氣流沖擊式的采果機其作用原理都是通過外力作用使果實與植株分離，由設置于果樹下的承接裝置接收果實來實現采摘[14-15]。由于油茶果與著果部位的枝條之間的生長力大，以上兩種采摘方式對果樹枝條的損傷較大，容易影響來年果實的產量。目前我國油茶果的產區主要以江西、湖南為主，目前油茶果的采摘主要依靠手工來完成，通過采用人字梯等輔助工具來進行采摘，人工挑運進行采收[11]。

油茶果的形狀較為規整，大都為橢圓形，主要分布于果樹的表層，果樹里層的果實較為稀少。油茶果的主要特性表現為兩點：一是果實與枝條之間的生長力大，且縱向拉斷力大于橫向扭斷力；二是油茶果是花果同期，茶果進入采摘季時，花苞正含苞待放，如花苞損傷較大，將直接影響來年油茶果的產量，這給油茶果機械化采摘帶來了很大的困難。

本文設計了一種齒梳撥刀式油茶果的采摘裝置，針對其特性研制齒梳撥刀式油茶果采摘機，并對樣機開展了試驗研究，從而為后續的油茶果采摘機的研究提供參考。

1 采摘裝置的工作原理及采摘原理分析

1.1 工作原理

齒梳撥刀油茶果采摘裝置主要由采摘頭、撥刀、拉線及長桿等結構組成，其總體結構圖和三維圖如圖1及圖2所示。

裝置的工作原理是：將采摘頭伸到油茶樹上層長有油茶果的位置，利用采摘頭之間齒梳的間隙梳到果樹上的油茶果，往下拉長桿將齒梳夾緊油茶果；當油茶果夾緊后，利用軸套拉動拉環，拉環拉動拉線帶動拉板運動，拉板再拉動牽拉絲、拉動撥刀運動。通過撥刀進行的加速運動，對固定在梳齒上的油茶果產生一個較大的沖擊力，這種沖擊力遠比油茶果與樹枝的連接力大，使得油茶果從樹枝上順利脫落，從而完成油茶果的采摘過程。

1.2 撥刀采摘原理

油茶果特性比較特殊，其著果部分的枝條之間的生長力較大，在果實采摘的過程中，要將果實采摘下來所需的力較大；且油茶樹有果與花同期的現象，當直接拉扯果實，會對花苞造成較大損傷，影響來年油茶果的產量。因此，撥刀的運動方式采取了橫向撥動，即在撥刀末端施加拉力，使其前端產生較大的速度，接觸到油茶果時產生較大的沖擊力，從而將果實和樹枝之間的連接力消除，使果實發生掉落，其力學分析如圖3所示。

1.長桿 2.拉環 3.拉板 4.固定板 5.采摘頭 6.扭簧 7.撥刀 8.采摘板 9.連接板 10.拉簧 11.牽拉絲 12.拉線

圖2 采摘裝置三維圖

圖3 撥果力學示意圖

假設油茶果的形狀為圓形，根據圖3所示的受力分析圖可得

F2L2=F1L1

(1)

M=Jα=F2L2

(2)

ω=αt

(3)

v=ωt

(4)

其中，F1為撥刀末端拉力；F2為撥刀前端拉力；L1為末端力臂長度；L2為前端力臂長度；J為撥刀的轉動慣量；α為撥刀的角加速度；ω為撥刀的角速度；v為撥刀的切向速度；t為撥刀撥到油茶果所經歷的時間。

由動量守恒定理可得

pt=mv

(5)

P=mv/t=3F1L1/L2

(6)

由公式(6)可看出：齒梳撥刀式油茶果采摘裝置的撥刀沖擊力的大小主要影響因素有拉力大小和拉力的力臂。

由上述理論分析可知：影響撥果因素的主要有拉力大小和拉力的力臂大小，所以現用ADAMS繪制不同狀態下撥刀前端點角速度、角加速度、速度和加速度曲線,以驗證理論分析的正確性。

當施加拉力F1=10N、L1=120mm、L2=80mm時的角加速度、角速度、速度和加速度曲線，如圖4所示。

圖4 F1=10N、L1=120mm、L2=80mm時ADAMS繪制的曲線圖

當施加拉力F1=50N、L1=120mm、L2=80mm時的角加速度、角速度、速度和加速度曲線。

圖5 F1=10N、L1=120mm、L2=80mm時ADAMS繪制的曲線圖

當施加拉力F1=10N、L1=120mm、L2=100mm時的角加速度、角速度、速度和加速度曲線，如圖6所示。

綜合上述的圖4、圖5和圖6得到3種不同狀態下曲線的變化，可以看出：當力臂保持不變時，增加拉力大小，各項指數都有明顯增大；而當拉力保持不變時，減小力臂的大小，各項指數也有相應的降低。這表明，拉力大小和力臂大小是影響沖擊力大小的主要因素。

圖6 F1=10N、L1=120mm、L2=100mm時ADAMS繪制的曲線圖

2 齒梳撥刀式采摘裝置關鍵零部件設計

2.1 采摘頭的設計

采摘頭是本裝置中重要的組成部分，其作用是負責將油茶果夾緊，但必須保證花苞能夠從梳齒間隙中穿過。考慮到采摘過程中需將油茶果的固定和夾緊，故將采摘頭做扁平狀，使其更易夾緊油茶果。

根據試驗測量，油茶果的直徑大小主要分布在20～50mm之間，每根采摘頭的間距要保證在20mm以下。本文此次設計的裝置，其之間的距離取值為15mm，長度取275mm，其分布如圖7所示。

2.2 撥刀的回位和單動設計

撥刀在裝置中的作用是：當采摘頭將油茶果夾緊時，通過撥刀的瞬時沖擊來完成油茶果的采摘和脫落。由于油茶果的脫落是通過撥刀的瞬時沖擊力完成的，故撥刀末端的力矩要求必須足夠大，這樣才能實現在撥刀的前端位置擊打油茶果的沖擊力夠大，所以將撥刀做成150°。撥刀形狀如圖8所示。

當撥刀將油茶果撥落后，要求其順利回位才能完成下一次的采摘，其回位裝置則通過安裝扭簧實現。綜合考慮撥刀的回位位置和撥果沖擊力的大小，選用線徑為1.5mm、外徑9mm、內徑6mm、兩邊腳長分別為45mm和38mm的扭簧，其裝配情況如圖9所示。

圖9 扭簧分布圖

油茶果樹生長茂密、樹枝繁多，在采摘裝置作業過程中，可能會遇到樹枝的阻礙。當其中一根撥刀被樹枝擋住不能實現采摘時，其它并行的撥刀仍可繼續工作，這主要靠安裝在牽拉絲后端的拉簧實現。當拉簧拉力不夠大時，則裝置撥刀撥果力則不夠大，所以此拉簧的選擇需要拉力較大的型號，其分布情況如圖10所示。

圖10 拉簧分布圖

3 樣機試驗

試驗對象為江西農業大學植物標本園中種植的油茶果樹，其高度大致分布在3～6m之間，油茶果果徑大小不一，果徑主要分布在20～40mm左右。樣機采摘油茶果情況(見圖11)主要是觀察油茶果采摘效率和花苞損傷。

圖11 裝置工作圖

樣機試驗表明：本文設計的齒梳撥刀式油茶果采摘裝置相對人力采摘能有效提高油茶果采摘效率，且花苞損傷較少，初步驗證了樣機的有效性。由于采摘后的油茶果會直接掉落在地上，下一步應增加收集裝置以進一步增強裝置的實用性。

4 結論

1)針對油茶果機械采摘花果同期的特性，設計了一種低損傷油茶花苞的齒梳撥刀式油茶果采摘裝置。

2)通過分析撥刀采摘原理得出影響撥刀沖擊力的因素有牽拉絲拉力大小及拉力力臂，將模型導入ADAMS后進一步分析了撥刀前端點速度、加速度、角速度和角加速度曲線。

3)樣機試驗初步表明：相對人力采摘該裝置能有效提高油茶果采摘效率。

[1] 高自成,李立君,李昕,等.齒梳式油茶果采摘機采摘執行機構的研制與試驗[J].農業工程學報，2013,29(10):19-25.

[2] 馮國坤,饒洪輝,許朋,等.油茶果與油茶花苞生物力學特性試驗研究[J].農機化研究,2014,36(12):187-191.

[3] 馮國坤,饒洪輝,許朋,等.油茶果機械采摘裝備與技術研究現狀[J].中國農機化學報,2015,36(5):125-127.

[4] 高自成, 李立君, 劉浩. 油茶果采摘機物料收集裝置的選型研究與設計[J].中南林業科技大學學報，2011,31(10):168-170.

[5] 饒洪輝. 油茶果采摘機械現狀及與農藝結合的措施探討[C]//2012中國農業機械學會國際學術年會論文集.杭州:中國農業機械學會,2012:3.

[6] 劉大為,李旭,謝方平,等. 湖南油茶果采摘機械現狀及其關鍵技術分析[C]//中國農業工程學會2011年學術年會論文集.重慶：中國農業工程學會,2011:5.

[7] 馮國坤,饒洪輝,許朋,等.影響油茶果機械化采摘的生物環境特性[J].中國農機化學報,2015,36(2):128-130.

[8] 章江麗,陳順偉,莊曉偉, 等.南方丘陵山地果園采摘機械的現狀[J].林業機械備,2014,42(9):4-7.

[9] 馮國坤,饒洪輝,許朋,等.油茶果生物力學特性便攜式測試系統[J].農機化研究,2015,37(8):128-130.

[10] 金征,張偉,楊光,等.林果采摘設備發展現狀與需求[J].木材加工械,2015,26(1):43-44.

[11] 劉銀輝,李立君,劉浩,等.基于Pro/E的油茶果采摘機設計[J].農機化研究,2012,34(7):97-99.

[12] 李帥,周健,李立君,等.油茶果采摘機械臂工作空間分析與仿真[J].農機化研究，2015,37(3):46-49.

[13] 高自成,王朋輝,王勇樺,等.油茶果采摘機器人機械臂伺服系統選型設計[J].農機化研究,2015,37(5):140-144.

[14] 王朋輝,李立君,高自成,等.擺動式林果采摘頭設計與分析[J].西北林學院學報,2015,30(5):288-291.

[15] 程學良,李立君,高自成,等.油茶果振動采摘系統運動特性分析[J].農機化研究,2014,36(2):15-19.Abstract ID:1003-188X(2017)02-0084-EA

Design and Experiment of Tooth Comb Type Device for Camellia Fruits Picking

Luo Shiting, Rao Honghui, Zhang Liyong, Yu Jiajia, Xu Xieqing, Li Tao, Liu Muhua

(College of Engineering, Jiangxi Agricultural University ,Nanchang 330045, China)

Camellia fruits harvest by machine is a dilemma to be solved. According to Camellia fruit by means of mechanical picking is difficult, inefficiency and its bud easy to injury, a tooth comb poking knife type Camellia fruits picking device is designed. Also the working principle of Camellia fruits picking by poking knife is analyzed and main influence factor of poking knife is obtained. At the same time, the curves of velocity, acceleration, angular velocity and angle acceleration of the end point of the poking knife are plotted though analyzing its motion model in ADAMS software, the key parts of the mechanism is designed to explain its characteristics as well. Final experimental tests show that the mechanism is efficient in Camellia fruits picking and low injury in Camellia buds, which can provide new thoughts for Camellia fruits picking by machine under low buds damage.

camellia fruit; tooth comb type; picking device; injury

2016-01-10

國家自然科學基金項目(51305180)；江西省科技計劃項目(20141BBF60057)

羅時挺(1992-)，男，江西撫州人，碩士研究生，(E-mail)1187894982@qq.com。

饒洪輝(1978-)，男，江西豐城人，副教授，博士，(E-mail)594671984@qq.com。

S225.93

A

1003-188X(2017)02-0084-05