履帶式高地隙油茶果振動采收機設計與試驗

杜小強 寧 晨 賀磊盈 錢 寅 張國鳳 姚小華

(1.浙江理工大學機械與自動控制學院， 杭州 310018； 2.浙江省種植裝備技術重點實驗室， 杭州 310018;3.中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所， 杭州 310018)

0 引言

作為世界四大木本油料樹種之一，油茶與其他油料樹種相比，具有很高的營養和經濟價值[1-2],在中國具有廣泛的種植面積，同時也是南方丘陵地區重要的經濟林樹種[3-4]。全國現有油茶種植已達4.7×107m2，可實現約5.6×106t的年產量，每年產出約2.625×105t的茶油，種植面積和產量占全球的95%以上[5]。油茶果采摘受季節性限制，適時采摘是關鍵[6-7]。目前我國油茶果采摘作業主要是人工徒手采摘或半人工半機械采摘，勞動強度大，采摘效率低，嚴重制約了油茶的產業化發展[8]。針對目前國內的油茶種植情況，需要設計一種越障性能較高，適用性較好的油茶果收獲機，以實現油茶果的高效率采收作業目標，突破油茶產業機械化生產的瓶頸[9]，進一步推動國內油茶產業的發展。

目前油茶果機械化采收方式有齒梳式、搖枝式、切割式、振動式等[10-21]。振動式采收機的研究較多，大多采用液壓驅動式一字履帶輪，能夠適應復雜作業環境[22-25]，將采摘頭安裝在機械臂上，機械臂安裝在履帶輪底盤上，然后通過采摘頭對油茶果進行振動式采收[26-28]。但該類采收機均是單側作業，且和樹體之間需要保持一定距離，受到作業空間限制，機械化采收效率較低。針對該問題，本文結合液壓驅動式履帶輪優點，設計一種履帶式高地隙油茶果振動采收機。該振動采收機采用騎跨式車架沿油茶樹種植行行走，利用曲柄搖桿機構驅動多排陣列的指排桿按照一定的運動軌跡對樹冠兩側同時擊打作業，增加作業范圍，落果通過收集板匯集到輸送帶內，最后輸送帶將收集到的油茶果貯存在果箱內，以實現在運動中完成振動落果和收集作業，提高作業效率。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

該履帶式高地隙油茶果振動采收機主要由收集裝置、擊打裝置、行走系統、液壓系統、車架5部分組成。整機結構圖如圖1所示，其中行走系統有4組液壓馬達驅動的三角履帶輪，同側前后履帶輪通過同步閥控制前后液壓馬達流量相同。車架為龍門式，4條支腿用來安裝履帶輪，兩側腰線處安裝行走液壓系統和工作液壓系統，且對稱布置。兩套液壓系統的動力部分均由柴油機散熱器、柴油發動機、液壓油泵、液壓油箱、液壓油箱散熱器組成。工作液壓系統給輸送帶和擊打裝置提供動力。行走液壓系統給4個履帶輪提供動力。擊打裝置由擊打裝置機架、角度調節機構、擊打液壓馬達、曲柄搖桿機構、限位導軌和導靴組成。擊打裝置機架上垂直布置2根指排架，每根指排架上裝有10根指排桿。曲柄搖桿機構安裝在車架兩側中間位置，擊打液壓馬達與曲柄連接。擊打桿運動軌跡由曲柄搖桿機構確定，其動力由擊打液壓馬達提供。本文擊打馬達轉速為基于前期開展的油茶振動試驗研究確定的最佳振動頻率的轉速。本文設計的采收機擊打裝置與前期試驗的擊打裝置結構相同，均由指排桿組成，只是對運動軌跡進行了優化，由直線往復式運動調整為橢圓軌跡運動，但最大振幅均為10 cm。因此，參考前期研究結果，本文擊打馬達轉速選用前期試驗結果的最優轉速360 r/min。收集裝置由收集板、輸送帶、果箱、輸送液壓馬達組成。收集板包括主板、連接板和魚鱗板，收集板前半部分由魚鱗板高低交錯拼接而成，輸送帶動力由輸送液壓馬達提供。電控柜為用電元件的通訊裝置，用來接收遙控器的信號，操控各裝置工作。

圖1 履帶式高地隙油茶果振動采收機結構圖Fig.1 Structure diagram of crawler-type high clearance Camellia oleifera fruit vibratory harvester1.三角履帶輪 2.車架支腿 3.行走液壓馬達 4.擊打機架 5.收集板 6.指排桿 7.角度調節機構 8.魚鱗板 9.電控柜 10.輸送液壓馬達 11.柴油機散熱器 12.柴油機 13.油泵 14.輸送帶 15.液壓油箱 16.液壓油散熱器 17.果箱 18.電磁閥 19.擊打液壓馬達 20.曲柄搖桿機構 21.限位導軌和導靴

1.2 工作原理

液壓系統動力由柴油機和液壓油泵提供。液壓站正常工作時，油泵工作，油液從油箱吸出，進入比例多路換向閥，控制4個行走馬達。擊打馬達為擊打裝置提供動力，帶動曲柄轉動，從而控制指排桿按設計的軌跡運動。指排桿通過直接或間接與油茶果接觸，實現擊落或振落果實的效果。輸送馬達為輸送帶提供動力，油茶果被振落到收集板上，然后滾入輸送帶內，輸送帶將收集到的油茶果輸送到果箱內。通過手動調節節流閥來控制擊打馬達與輸送馬達的轉速。通過控制電磁換向閥改變擊打馬達和行走馬達的轉動方向。采收機的行走、擊打、收集均通過遙控器操控。采收機整套系統除了液壓油箱散熱器為電驅，其余裝置均采用液壓驅動，液壓系統原理圖如圖2所示。

圖2 液壓系統原理圖Fig.2 Schematics of hydraulic system

2 關鍵部件設計

2.1 擊打裝置設計

高地隙油茶果振動采收機是利用指排桿的往復運動對油茶樹冠進行一定頻率和幅度的擊打，使得油茶果受振動而脫落。為提高擊打裝置的擊打效果，運用曲柄搖桿機構原理，將指排桿運動軌跡設計成近似橢圓形。油茶果振動采收機擊打裝置結構如圖3所示。每套擊打裝置上配置2根指排架，每根指排架長1 600 mm，間隔160 mm均勻分布9根塑膠材質指排桿，指排桿直徑為15 mm、長度為700 mm。液壓馬達驅動曲柄搖桿機構運動，擊打裝置機架掛配在連桿中間部位的軸銷上，導靴受導軌限位，確保機架在同一平面內按近似橢圓軌跡往復運動。通過角度調節機構來改變指排架傾斜角，有利于提高指排桿在冠層的通過性以及改變指排桿插入樹冠的深度。

圖3 擊打裝置結構圖Fig.3 Structure diagram of excitation device1.液壓馬達 2.底座 3.機架 4.指排架 5.指排桿 6.曲柄搖桿機構 7.導靴 8.導向滑塊 9.導軌 10.角度調節機構

2.1.1曲柄搖桿機構設計

曲柄搖桿機構是擊打裝置的傳動機構，確定其指排架的運動軌跡。由于連桿上的軸銷是整個機架承載元件，所以設計為雙對稱曲柄搖桿機構，以增大機構的承載能力和穩定性。如圖4所示，兩對稱搖桿與連桿之間的旋轉副用軸銷連接，兩對稱連桿中心連接的軸銷用來掛配擊打裝置機架，液壓馬達通過聯軸器與曲柄連接。

圖4 曲柄搖桿機構Fig.4 Structure of crank-rocker mechanism1.連桿 2.軸銷 3.曲柄 4.底座 5.液壓馬達 6.搖桿

該傳動機構在課題組先前試驗的擊打裝置基礎之上進行優化。此前擊打裝置的運動軌跡為直線往復式，指排桿往復行程為80 mm。為了減小往復式運動帶來的沖擊力，將運動軌跡設計成橢圓循環式，在文獻[29]中選擇了合適的橢圓形軌跡，可直接確定所設計的四桿機構長度比例，根據圖譜中該四桿機構各桿長比值以及實際運動軌跡最大徑長與圖譜中橢圓軌跡的最大徑長，算出四桿機構中各桿的實際長度。測得圖譜中橢圓軌跡最大徑長為10 mm，圖譜中曲柄長為5 mm，實際運動的橢圓軌跡最大徑長設為80 mm，最后根據

(1)

LA∶LB∶LC∶LD=1∶4∶3∶3

(2)

式中LA——實際曲柄長度

L′A——圖譜曲柄長度

LT——圖譜橢圓軌跡最大徑長

LB——實際連桿長度

LC——實際搖桿長度

LD——實際機架長度

計算得出實際曲柄長度為40 mm、連桿長度為160 mm、搖桿長度為120 mm、機架長度為120 mm。

計算該曲柄搖桿機構最小傳動角，驗證該機構傳力性能。對于曲柄搖桿機構，γmin出現在主動曲柄與機架共線的兩位置之一，如圖5所示，根據計算得出最小傳動角γmin=28.96°，證明該曲柄搖桿機構設計合理。

圖5 曲柄搖桿機構傳動角Fig.5 Transmission angle of crank-rocker mechanism

(3)

(4)

通過ADAMS軟件對曲柄搖桿機構進行軌跡仿真，結果如圖6所示，連桿中心位置運動產生的近似橢圓形曲線為指排桿運動軌跡。該橢圓曲線軌跡與圖譜中選定的軌跡保持一致。從橢圓形運動軌跡可以看出，指排架縱向運動幅度比橫向運動幅度大，主要沿樹冠高度方向激振，同時在水平方向上也產生激振，提高了樹冠振動效果。

圖6 曲柄搖桿機構運動軌跡Fig.6 Motion trajectory of crank-rocker mechanism

2.1.2擊打裝置機架有限元模態分析

為避免激振頻率在擊打裝置機架固有頻率范圍內產生共振，對機架結構造成損壞，需要對機架進行有限元模態分析。簡化擊打裝置，保留機架主要部分，建立機架有限元模型，為了均衡精度和速度的要求，網格單元尺寸默認為系統自動劃分，劃分結果所顯示的節點個數為66 628個，單元個數為20 744個。因為擊打桿均為尼龍材質，其重力對機架應力影響微小，所以可忽略不計，只需添加機架自身重力。在機架頂部施加周轉副約束和固定約束，然后進行模態分析。從ANSYS模態分析結果中可以提取到擊打裝置機架的前6階固有頻率，如表1所示。其前6階對應的頻率振型圖如圖7所示。從振型圖可以看出，前2階機架繞X、Y軸彎曲擺動，第3到第6階為指排架繞X、Y軸彎曲擺動。機架的前6階固有頻率為10.55～46.01 Hz，該范圍避開了激勵頻率，因此擊打裝置機架不會發生共振。

表1 擊打裝置機架前6階固有頻率及振型特征Tab.1 The first six-order natural frequencies and modal shapes of excitation device frame

圖7 擊打裝置機架前6階模態振型圖Fig.7 The first six-order modal shapes of excitation frame

2.2 車架設計

振動采收機車架采用騎跨式結構，如圖8所示。車架采用Q235鋼材，規格有角鋼、槽鋼和方管。動力系統安裝架由角鋼和槽鋼焊接而成，長2 760 mm、寬600 mm、高550 mm，角鋼和槽鋼厚度均為6 mm，槽鋼上打有螺紋孔，用于部件裝配。立柱與橫梁通過焊接固定，且為了加固整機的騎跨式車架結構，每個立柱內外側按照三角結構各焊一根方管。由于液壓系統要控制兩側元件工作，液壓油管需從騎跨式車架頂部通過，所以在車架頂部方管上裝有液壓油管走線固定零件和用于安裝擊打裝置的底座。根據擬采收的長林3號油茶樹的基本參數(平均樹高220 cm、樹冠平均直徑230 cm)[30]，確定了車架長、寬、高分別為2 900、2 740、2 120 mm。

圖8 油茶果振動采收機車架結構圖Fig.8 Chassis frame structure of Camellia oleifera fruit vibratory harvester1.車架橫梁 2.車架立柱 3.動力系統安裝架 4.擊打裝置安裝臺

振動采收機在工作過程中，若激勵頻率與車架的固有頻率相近時就會引起共振，從而影響整體穩定性，甚至會破壞車架部分結構件。為避免共振應使車架的固有頻率避開激勵頻率，因此需要對車架進行有限元模態分析。本文在ANSYS中建立車架的有限元模型，為了均衡精度和效率，網格單元尺寸默認為系統自動劃分，劃分結果所顯示的節點個數為297 847個，單元個數為82 152個。對車架關鍵承重部位施加載荷并確定底盤與地面之間的約束，最后進行模態分析。從分析結果中可以提取到車架的前6階固有頻率，如表2所示，前6階對應的振型圖如圖9所示。前2階振型圖顯示車架會繞X、Y軸彎曲擺動，第3階振型圖顯示車架繞Z軸扭動，第4、5階振型圖顯示車架頂層結構會上下擺動，第6階振型圖顯示車架的動力系統安裝架繞Y軸擺

圖9 車架前6階有限元模態振型圖Fig.9 The first six-order modal shape diagrams of chassis frame

表2 車架前6階固有頻率及振型特征Tab.2 The first six-order natural frequencies and modal shapes of chassis frame

動，造成這些振型的原因是騎跨式車架結構特殊，動力系統安裝位置偏低及車架頂層結構距地面高度大。前6階固有頻率為17.50～47.86 Hz，該范圍避開了激勵頻率，因此車架不會發生共振。

2.3 收集板設計

本文設計的高地隙油茶果振動采收機以騎跨油茶樹方式沿油茶樹種植行進行振動采收，要求收集板能夠接收落果，且能順利避開樹干。如圖10所示，收集板主要由主板、連接板、魚鱗板組成。連接板分為上下兩層，呈交替排列，魚鱗板根據寬度分為兩種型號：寬度為26 cm的魚鱗板與上層連接板配合，寬度為20 cm的魚鱗板與下層連接板配合。下層連接板通過4個螺栓直接固定在主板上，上層連接板通過橡膠墊塊與螺栓固定在主板上。通過統計調查，油茶果的掛果量集中在距離樹冠表層26 cm范圍內[30]，中間的落果數量極少。為了使采收機具有良好的通過性，在設計收集板時設置了中間通道，根據統計測量結果確定通道間隙：在離地高度60 cm處，油茶樹分叉樹干平均寬度為70 cm。因此，從整機綜合性能考慮，收集板最高處距離地面60 cm，中間留出的通道寬度為70 cm。

圖10 收集板結構示意圖Fig.10 Structure of collecting plate1.主板 2.連接板 3.魚鱗板

魚鱗板具有雙向轉動、自動復位功能。如圖11所示，魚鱗板與連接板通過轉軸、鉤簧連接。轉軸由螺栓、螺母、推力軸承組成。魚鱗板鉤柱與連接板鉤柱通過鉤簧連接，魚鱗板鉤柱可在圓心角120°的槽內滑移，利用鉤簧的彈性形變自動恢復特性，實現魚鱗板在雙向轉動之后，能自動復位功能。魚鱗板采用PC材質，為提高板的剛度，在其兩側安裝金屬框。魚鱗板局部裝配體側視圖如圖12所示，魚鱗板之間呈階梯型，通過橡膠墊塊將中間連接板墊高，魚鱗板安裝在連接板上，因此魚鱗板高低交錯，魚鱗板轉動時相鄰之間的板件不會發生干擾。中間位置的魚鱗板寬度為26 cm，比相鄰寬度為20 cm的魚鱗板寬6 cm，因此高處的魚鱗板單邊會多出3 cm板，覆蓋在低處的魚鱗板頂部，這樣可以減小魚鱗板工作時間隙，提高了落果的接收率。

圖11 收集板局部裝配圖Fig.11 Partial assembly drawing of collecting plate1.橡膠墊塊 2.鉤簧 3.轉軸 4.金屬框

圖12 魚鱗板高低交錯排布Fig.12 Fish scale plates staggered in height1.魚鱗板 2.連接板 3.推力軸承 4.收集主板 5.橡膠墊塊

3 試驗

3.1 樣機

履帶式高地隙油茶果振動采收機整機尺寸為3 965 mm×3 850 mm×2 800 mm，采收機實物如圖13所示，其尺寸和作業幅寬滿足油茶樹標準種植模式中作業的基本條件。行走液壓系統采用50 kW柴油發動機，工作液壓系統采用35 kW柴油發動機作為動力源。本次試驗，通過手動調節節流閥，將擊打裝置液壓馬達轉速設定為360 r/min，檢驗振動采收機系統工作的效果。

圖13 履帶式高地隙油茶果振動采收機實物圖Fig.13 Photo of crawler-type high clearance Camellia oleifera fruit vibratory harvester

3.2 林地油茶果采收試驗

3.2.1試驗條件與材料

試驗于2021年10月22日，在金華市東方紅林場國家油茶油桐良種基地進行，當天試驗天氣晴朗，氣溫16～23℃。圖14為試驗場地的環境情況，林地橫向坡度約為10°，縱向坡度不明顯。油茶樹橫向間距約為4 m，縱向間距約為3 m。油茶樹有大小年之分，同一排油茶樹掛果率相差大，且樹冠冠幅不均，地面的平整性也較差。因此需選出合適的試驗區域，并對其進行修整，主要包括對油茶樹過長的枝條進行修剪和填充過大的土坑。

圖14 野外試驗環境Fig.14 Field test environment

林間性能試驗所用試驗儀器及材料有：3 m卷尺、電子秤、計時器、尼龍帶、手持云臺穩定器，圖15為履帶式高地隙油茶果振動采收機現場采收油茶果的作業情況。

圖15 履帶式高地隙油茶果振動采收機作業試驗Fig.15 Orchard test of crawler-type high clearance Camellia oleifera fruit vibratory harvester

3.2.2試驗方法

試驗開始前，清除已掉落在地面上的油茶果和花苞。發動機器，行走至作業區，將擊打液壓馬達速度調節至360 r/min，沿油茶樹種植行，連續對4棵油茶樹的冠層進行擊打，分別統計每棵樹的油茶果采收率和花苞掉落率，并統計采收作業時間。油茶果采收率計算式為

(5)

式中R——油茶果采收率

Qa——脫落的油茶果個數

Qn——未脫落的油茶果個數

花苞掉落率計算式為

(6)

式中L——花苞掉落率

Wa——掉落的花苞個數

Wn——未掉落的花苞個數

3.2.3試驗結果與分析

所有的試驗指標均在當天測量完成，測得履帶式高地隙油茶果振動采收機試驗結果如表3所示，通過4組數據計算得出油茶果采收率為87.56%，花苞掉落率為25.86%。從試驗結果看出，采收機性能良好，且液壓馬達轉速為360 r/min時，采收率高，對花苞的損傷影響在可接受范圍內。從表3中可知，第1棵油茶樹的掛果數量和第4棵油茶樹的掛果數量相差巨大，且花苞數量也相差巨大，這是因為油茶樹有大小年的原因，上一年掛果多的樹，則今年掛果就少，但花苞數量多。掛果多的樹，采收率高，掛果少的樹，采收率低。采收機最大行駛速度為5.6 km/h，表3中的時間為采收機完成單棵油茶樹采收實際所消耗的時間。采收試驗過程中，采收機沿油茶樹種植行邊振動邊前進，對于單棵油茶樹的采收時間，從指排桿與該油茶樹樹冠接觸開始計時，到指排桿離開該油茶樹樹冠時停止計時。由于每棵油茶樹的冠幅不同，因此采收機實際耗費的時間不同。試驗結果顯示4棵油茶采收完成用時84 s，平均每棵樹完成采收耗時21 s。油茶采收前后效果如圖16所示。

表3 履帶式高地隙油茶果振動采收機試驗結果Tab.3 Field test results of crawler-type high clearance Camellia oleifera fruit vibratory harvester

圖16 采收前后油茶情況Fig.16 Situation of Camellia oleifera before and after harvest

4 結論

(1)根據標準油茶林種植環境特點及機械化采收方式，設計了履帶式高地隙油茶果振動采收機，整機行走液壓系統配套動力50 kW，工作液壓系統配套動力35 kW，采用騎跨式車架結構，4個三角履帶輪作為行走機構，沿油茶樹種植行行走，在復雜的地形下具有較好的通過性。

(2)根據擊打軌跡設計了曲柄搖桿機構，驅動多排陣列的指排桿對樹冠兩側同時擊打作業。設計了高低錯落排列的收集板，使落果通過收集板匯集后輸送到果箱中，實現了在運動中完成振動落果和收集作業。

(3)通過對車架和擊打裝置機架前6階模態分析，結果表明當擊打液壓馬達轉速為360 r/min，擊打頻率為6 Hz時，車架和擊打裝置機架均不會發生共振。

(4)通過林地試驗，驗證了履帶式高地隙油茶果振動采收機在擊打液壓馬達轉速為360 r/min的條件下，具有良好的采收率，且花苞掉落率在可接受范圍內，滿足油茶果采收要求。