牽引式疏花機設計與試驗*

周艷，潘云飛，何磊，宋龍，宋振帥，王強

(1. 新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆石河子，832000； 2. 石河子大學，新疆石河子，832003)

0 引言

隨著人們生活質量的提高，對水果的需求增大[1]，我國果園面積呈遞增趨勢[2]，其中疏花是果園管理階段一個重要的環節[3]，需要大量的勞動力，尤其體現在蘋果、桃園和梨園[4]。而疏花方式有傳統人工作業、化學、機械式[3]，其中以手工作業為主[5]，半自動機械為輔。現階段由于機械裝置作業效率高、成本低且適合大面積作業等優勢，已成為該階段作業的重要發展方向[6]。如國外Martin-Gorriz等[7]設計了一種輕巧、操作簡單的手持式樹冠振動疏花器，在減少作業的同時也將成本節約了88%；Mcclure等[8]研發了一種，利用噴霧進行疏花裝置，可以有效減少花朵數，顯著降低坐果率，增加果園產量；美國設計了一種拖拉機車載式梳棒疏花機，通過振動樹冠進行工作，可減少花朵數目，降低養分消耗[9]。德國Assirelli等[10]設計了一種車載柔性疏花機，利用轉軸帶動塑料條旋轉，產生的離心力擊打樹冠進行疏花作業；國內學者結合國外機械，針對我國果園種植模式設計了一系列疏花裝置，包括手持式、單頭式疏花裝置等，如楊洲等[11]設計了一種手持式機械柔性疏花器，該機通過調節高度和角度可以實現不同樹形的疏除作業；李君團隊[12]設計了一種懸掛式電動柔性疏花機，該機試驗結果表明，該機可以滿足仿形作業要求；汪強[13]研發了一種針對矮密蘋果栽培模式與主干形密植桃樹栽培模式的疏花裝置，確定了疏刷元件安裝組合下，疏花效果滿足農藝要求；雷嘵輝等[14]設計了一種三節臂機載式疏花機，可降低梨樹的絕對坐果率。

綜上所述，我國機械化疏花裝置現階段仍存在許多問題：缺少可靠的疏花工作參考資料[15]、缺少參考標準、缺少實地田間試驗、缺少工作標準，機械化疏花裝置少、穩定性低、作業內容單一、應用性低，無法滿足規模化矮密果園的作業需求，導致我國在自動化與人工智能化果園疏花裝備領域尚處于空白。本文針對國內現代果園生產管理環節，設計了牽引式疏花機及關鍵部件，以期為我國果園生產機械化技術的推廣應用提供參考與借鑒。

1 牽引式疏花機結構和工作原理

疏花裝置整機機構如圖1所示，該機由牽引機構和疏花裝置組成。

圖1 疏花裝置整機結構示意圖

根據現代果園種植模式的行間距、株距、果樹種類、樹齡并結合疏花農藝要求，確定整機長×寬×高為3 710 mm×2 242 mm×2 607 mm。

1.1 整機結構

牽引式疏花機(圖2)由牽引機構、傳動機構、連桿機構、液壓缸、機架、液壓馬達、導向滑軌、轉動軸、膠條、液壓控制系統組成。

圖2 疏花機構結構示意圖

牽引機構與疏花機構可拆卸連接；疏花機構包括支撐架、底部安裝架，支撐架與底部安裝架滑動連接，底部安裝架與牽引機構可拆卸連接。支撐架包括前支撐架、后支撐架和第一連接架前支撐架、后支撐架和第一連接架形成U型結構；前支撐架的端部設有前L型連接架，后支撐架的端部設有后L型連接架，前L型連接架和后L型連接架均位于支撐架1的內側，前L型連接架或者后L型連接架與所述支撐架1的內側滑動連接；前L型連接架的端部固設有第一U型安裝框，后L型連接架的端部固設有第二U型安裝框，第一U型安裝框與第二U型安裝框之間安裝有疏花組件。

主要技術參數如表1所示。

表1 牽引式疏花機主要技術參數Tab. 1 Main technical parameters of orchard caterpillar flower thinning machine

1.2 工作原理

拖拉機負責將疏花部件牽引至待作業的果園，通過第二液壓桿、第一液壓桿、第一液壓馬達和蝸桿，實現疏花組件水平位置及傾斜角度的調整。通過液壓馬達帶動疏花轉軸旋轉，膠條在轉軸帶動下擊打果枝上的花朵，當膠條上的擊打力大于花朵的最大承受力，花朵在膠條的作用下被打掉。通過調整液壓馬達轉速、膠條間隔以及膠條組數，結合疏花組件的傾斜切入角度和拖拉機的行進速度，從而達到不同的疏除效果[16]。

1.3 疏花裝置關鍵部件設計

牽引式疏花裝置：底部安裝架包括前安裝架、后安裝架和第二連接架，前安裝架和后安裝架均與第二連接架固定連接形成U型結構前安裝架位于前支撐架的下方，后安裝架位于后支撐架的下方；前安裝架和后安裝架上均安裝有滑軌，每個滑軌上均設有與其相匹配的滑塊，滑塊的頂面與相對應的前支撐架或者后支撐架的底面固定連接，如圖3所示。

圖3 支撐架與底部安裝架結構俯視圖

后安裝架上安裝有第一液壓馬達，且位于后支撐架的后側，后支撐架的外側面上固設有兩個蝸桿固定架，馬達輸出端連接渦輪，兩個蝸桿固定架之間固設有蝸桿，蝸桿與渦輪通過嚙合連接，渦輪固定在底部與拖拉機連接的支架上與馬達進行齒輪連接，馬達轉動帶動渦輪旋轉，渦輪與蝸桿連接將豎直方向上的力，通過渦輪轉成整個疏花支架水平方向上移動的力，結構如圖4所示。

圖4 底部安裝架與支撐架之間滑動連接結構示意圖

牽引式疏花裝置第一連接架上設有2個安裝塊，2個安裝塊的頂部均設有連接塊，位于前側的連接塊上活動連接有第一液壓桿，位于后側的連接塊上活動連接有第二液壓桿，第一液壓桿與第二液壓桿的輸出端與前L型連接架的頂部活動連接，后支撐架的內側面上固設有滑動導向軌，且與后L型連接架通過滑動連接。

疏花組件包括設置在第一U型安裝框上的支撐桿，該支撐架貫穿第一U型安裝框的頂面和底面，且支撐桿的頂部固設有橫向固定架，橫向固定架的一端與支撐桿的頂部固定連接，橫向固定架的另一端底部有轉動連接轉軸，轉軸貫穿第二U型安裝框的頂面和底面，轉軸與第二U型安裝框的頂面和底面也為轉動連接，第二U型安裝框的底部安裝有第二液壓馬達，該馬達的輸出端與轉軸通過固定連接；轉軸上均勻設有若干連接孔，處于相同高度的連接孔有4個，且處于相同高度的4個連接孔對稱設置，每個連接孔內均可拆卸設有膠條，膠條均位于U型安裝框的上方。

導向滑軌不僅可以實現疏花軸的運動軌跡的控制，使運動軌跡可調整，方便控制并且可以加強疏花軸在外界環境影響下疏花軸在路面不平的情況下保持預定的位置，起到固定的作用；且可承受疏花作業時收到的沖擊力，結構示意圖如圖5所示。

圖5 支撐架與底部安裝架結構仰視圖

導向滑軌與底部支架通過螺栓固定連接。底部支架與L支架通過螺栓鉸連接可以轉動，兩個橫向螺栓也稱為導向支撐桿穿過底部支架在導向滑軌槽中滑動；裝置中兩個液壓馬達通過加裝換向閥可以實現工作的正反轉，如果不加僅只能一個方向轉，換向閥的作用就是切換A，B進油口，通過調整進油的連接口可以實現馬達的順時針方向旋轉和逆時針方向旋轉。通過液壓馬達的正反轉可以實現渦輪以及蝸桿工作方向的調整，從而帶動支撐架往復運動。

疏花轉軸上均勻設有若干連接孔，處于相同高度的連接孔有4個，4個連接孔對稱設置，孔內均可拆卸設有膠條，膠條均位于U型安裝框的上方。連接孔的直徑為5 mm。孔徑為5 mm是因為膠條直徑與轉軸固定部分的連接孔的直徑為5 mm，且連接孔為5 mm時才可以實現膠條的固定，滿足作業過程中支撐固定需求，否則膠條在工作過程中容易脫掉。疏花膠條為可調直徑，可以選直徑為2、3、4、5、6 mm等，但與轉軸連接部分一直為5 mm，轉軸四面有膠條安裝孔，可以選擇一面、兩面、三面、四面對稱安裝或者呈90°安裝等，如圖6所示。

圖6 轉軸結構示意圖

2 液壓系統設計與選型

液壓缸與液壓馬達都是能量轉化裝置，將液壓能轉換成機械能，驅動疏花轉動軸運動工作。液壓控制系統：由液壓泵、液壓缸、集成塊(或閥組合)液壓閥、液壓電機和液壓油箱等組成，選用具有液壓設備質量小，可傳遞較大力、工作范圍大和工作效率高的液壓驅動；液壓系統與電控系統結合工作，操作簡單，控制便捷；液壓系統中設有溢流閥保護系統，可靠性高，安全性高；且采用專用液壓油節能環保[17]。

2.1 液壓缸設計與選型

根據農藝作業要求，采用雙作用活塞桿液壓缸，分別在缸體的上部和下部設有進油口，活塞桿、液壓缸頂端和低端，通過鉸連接安裝在U型連接塊上。

1) 首先計算液壓系統的負載力，整個疏花裝置質量總重為100 kg，根據疏花裝置質量大小計算雙作用液壓缸的負載力。

Fty=Ftz+Ftf+Ftg

(1)

式中：Fty——額定速度作業過程中滿載時液壓缸的總阻力；

Ftz——雙作用液壓缸受到的載荷，N；

Ftf——摩擦力，N；

Ftg——慣性力，N。

根據疏花機構作業時受到沖擊力較小，雙作用液壓缸載荷取1 000 N；摩擦系數為0.15，因此摩擦力Ftf=1 000×0.15=150 N。

根據牛頓第二定律在慣性系中其力與運動的關系

Ftg=ma=1 000 N

(2)

式中：m——物體的質量；

a——物體的加速度。

由此可知液壓缸總負載Fty=1 000+150+1 000=2 150 N。

由《機械設計實用手冊》可知當負載在1.6～2.5 kN時，選用液壓缸的工作壓力為P=6.3 MPa[16]。

2) 損失量。由設計手冊得知因考慮油泵出口管路到油缸間管路的損失量為0.9 MPa，則實際壓力pa=6.3-0.9=5.4 MPa。

3) 由式(3)計算液壓缸的內徑D=21.39 mm，隨后根據液壓設計手冊可知，選取液壓缸的內徑D為25 mm。

(3)

式中：D——液壓缸的內徑，m；

F——工作負載，N；

η——工作效率，取0.95。

4) 活塞桿直徑。液壓缸活塞桿在液壓系統扮演了一個重要角色，是支持活塞做功的連接部件，主要作用是傳遞扭矩、承受載荷。基本特征是細長軸加工，可以影響整個裝置的可靠性。根據液壓設計手冊對活塞桿進行計算，因疏花裝置液壓系統的負載壓力≤10 MPa，可知液壓缸速比φ=1.33，由活塞桿設計公式(4)可求得活塞桿直徑d=12.45 mm，根據液壓設計手冊可知當活塞桿直徑為12.45 mm時，取活塞桿直徑d=13 mm。

(4)

5) 導向套長度，導向套是支撐活塞桿，該零件的材料應具有耐磨損、配合精度高、摩擦力小且有良好的抗震動、沖擊力與彎曲力。最小導向距離是指活塞桿工作到極限位置時，活塞載荷面的中點到導向套運動面的中點的距離[16]。由機械設計手冊可知，導向距離應滿足式(5)。

(5)

式中：L——液壓缸最大工作行程，L=800 mm。

可得Hth≥52.5 mm，由機械設計手冊可知當Hth≥52.5 mm時，符合的最小導向長度為60 mm。

6) 為了防止設備活塞桿受到較大的軸向力，發生變形彎曲，導致液壓缸無法正常工作[18]，需校驗活塞桿的穩定性。由機械設計手冊可知活塞桿行程與活塞桿直徑之比>10時，需對活塞桿進行穩定性校核。疏花裝置液壓缸的活塞桿行程為800 mm，直徑為25 mm，行程與直徑之比為32(>10)，需進行穩定性校驗。根據式(6)進行校驗。

(6)

式中：Fkmax——液壓缸的最大推力，N；

Fk——液壓缸的臨界載荷，N；

Nkh——穩定安全系數，取2～4。

臨界載荷Fk與活塞桿的設計長度、材料、橫截面形狀和液壓缸的安裝方式有關。

(7)

式中：nkh——兩邊安裝形式系數，鉸連接，選取nkh=3；

EP——材料的彈性模量，由選型手冊可知EP=2.1×103N/m2；

JP——活塞桿得截面轉動慣量。

(8)

由式(8)計算可得JP=1 401.27 kg·m2。代入式(7)得Fk=77 369 385.47 N。代入式(6)中得Fkmax≤19 342 346.36 N，綜上所述可知該液壓缸活塞桿的穩定性符合設計要求。

2.2 液壓泵選型

液壓泵和電機組成了液壓系統的驅動部分，確定液壓泵最大工作壓力，液壓泵的公稱壓力pth與選擇的液壓缸的公稱壓力p相等，其值為6.3 MPa。

液壓泵工作的最大壓力

pp=p+∑ΔP

(9)

式中： ∑ΔP——液壓泵出口到入口過程的管路損失，∑ΔP=0.5 MPa。

計算可得pp=pth+∑ΔP=6.3+0.5=6.8 MPa。因此選用CB-B11齒輪泵，其額定壓力為6.8 MPa；選用1 450 r/min電機，通過溢流、節流完成該機工作。設備中多個液壓缸同時工作時，系統內輸出流量

qh≥kh×∑qv

(10)

式中：kh——液壓系統泄露修正系數，取1.1～1.3；

∑qv——全部裝置一起工作時液壓缸的總流量，L/min。

已知活塞桿工作行程L=800 mm，橫移一次時間為20 s，可知最大行程的速度Vh=40 mm/s。

(11)

因此qv=19 625 mm3/s，∑qv=2qv=39 250 mm3/s，qh≥kh×∑qv=47 100 mm3/s=2 826 L/min。

2.3 液壓電機選型

由機械設計手冊得知電機功率

(12)

式中：qh——液壓泵的輸出流量，L/s；

ηb——泵體總效率，由手冊得知齒輪泵0.6～0.7。

由此可得Ph=25.434 kW，根據選型手冊選取Y63M2-4電機。

2.4 液壓馬達選型

根據該設備的作業環境以及作業內容可知，本裝置需結構緊湊、外形尺寸小、運動震動小、工作平穩、噪聲小和負載轉矩較小的液壓馬達。綜上所述，選型號為M2，額定壓力為5.5 MPa的液壓馬達，如表2所示。

表2 液壓馬達參數Tab. 2 Hydraulic motor parameters

2.5 液壓系統工作原理

牽引式疏花機有兩個鉸連接的液壓缸活塞桿，通過伸出與收縮來完成疏花轉動軸的方向調整，如圖7為液壓缸系統原理圖[19]。疏花部件調整角度時，液壓系統的液壓泵開始工作，通過計算作業環境和工作負載下，設定液壓系統的最高壓力，可調節流量控制閥。調整液壓油的流量大小，改變根據馬達轉速、機架位置、疏花軸轉速等參數，隨后四個三位四通換向閥開始工作(三位四通閥可處于左或右導通狀態)，液壓油液流入換向閥之后經過分流集成閥分流到待工作的液壓缸任何一側，推動液壓缸活塞桿進行往復運動，當疏花部件工作調整到極限位置時，換向閥切換到中間位置。液壓泵卸荷，液壓缸的活塞桿停止伸出或者伸縮。液壓油液流入換向閥之后經過分流集成閥分流到待工作的液壓馬達時，該液壓系統可以分別控制兩個馬達單獨工作實現機架和轉軸的作業參數調整，其中溢流閥是安全閥，保證系統穩定工作。

該液壓系統中幾個子回路并聯，在工作過程中泵承受的壓力小，在作業的時候可以同時動作也可單個動作。當疏花機停止工作時，壓力升高作用到壓力繼電器的動作壓力達到預設值時，電磁閥6通電，溢流閥溢流泵卸荷。馬達正反轉都可調速，在該機工作過程中兩個液壓缸一般不用調速，如果需要調整液壓缸，可以通過設備中的手把控制開口控制流量調速。系統中并聯回路子回路壓力相等，動作回路的各流量和等于泵的流量，如果多個子回路同時動作的話，會影響到速度[20]，如圖7所示。

圖7 液壓系統原理圖

3 試驗與分析

為了驗證牽引式疏花機田間作業的疏除效果、液壓缸以及液壓馬達工作的設計與選型是否合理，于2021年4月中下旬在山東棲霞市蘋果現代矮砧集約栽培示范基地進行試驗。

3.1 材料與方法

試驗果園種植為三年到五年蘋果樹，果園果樹為紡錘形，行間距為3 000 mm，株距為2 000 mm，樹高2 500 mm，單側樹枝長900～1 200 mm，樹枝離地最低距離600～900 mm，最高樹枝離地距離2 100～2 400 mm。

作業前要進行疏花機調試，保證各個機構正常平穩工作。通過轉速儀對轉動軸進行測試，確保疏花軸達到預定轉速，保證試驗正常進行；在測試果園內任意選定3個樣本采集點，采集區尺寸為2 000 mm，由試驗人員采集疏花作業前的蘋果花朵數，記錄每組數值，其效果如圖8所示。

(a) 疏花作業前 (b) 疏花作業后

待疏花機作業后，分別記錄試驗前布置的3個測試點的蘋果花朵數及疏除數值，由式(13)計算疏除率C。

(13)

式中：a——疏花機作業前的蘋果花朵數；

b——疏花機作業后的蘋果花朵數。

3.2 試驗結果與分析

拖拉機前進速度設定為4 km/h、轉動軸的膠條轉速為300～400 r/min、膠條間隔為5 cm，開始進行疏花作業，作業前后的試驗數據如表3所示。

表3 疏花機田間試驗數據值Tab. 3 Flower thinning machine field test data value

綜上所述，由此次試驗所采集數據計算得出，該疏花機疏花率在29%～35%之間。根據我國園藝技術專家組要求“果實坐果量最多3個，且均勻分布在枝條上，農藝要求疏花疏除率為30%～50%”，可知該疏花機的試驗作業疏除率滿足我國農藝要求，完成了果園疏花階段的疏花要求，減少養分消耗、保證果樹樹體健壯、平衡營養生長、調節樹體負載量，在很大程度上降低了經濟效益。滿足疏花農藝要求的工作參數組合分別為前進速度4 km/h、膠條轉速為300～400 r/min、膠條間隔為5 cm。

試驗表明疏花機在進行疏除作業時，利用拖拉機移動至待作業果園的果樹位置，根據果園實際情況，可實現對液壓系統液壓缸活塞桿調整，完成裝置作業位置和角度的調整；并通過調整液壓系統中液壓馬達的轉速，改變疏花膠條轉速與膠條的離心力大小，完成疏除作業；最后通過田間試驗，驗證裝置可完成果園疏花作業，并達到果園園藝要求，表明該機符合設計要求，液壓系統各個模塊選擇合理，能夠實現果園的疏花要求。

4 結論

1) 本文針對現代矮化密植果園，在疏花作業階段工作量大、成本高、機械化程度低和傳統手工疏花效率低等一系列困難問題，設計了一種牽引式疏花機。通過對現代果園調研，隨后對適用于該種植模式及環境下的疏花裝置進行了結構設計和機構部件選型。確定了疏花裝置的整機尺寸為3 710 mm×2 242 mm×2 607 mm；根據疏花作業需要，對設備的液壓系統進行設計與選型，確定液壓缸內徑為25 mm，活塞桿直徑為13 mm，最大負載為2.5 MPa，導向套長度為17 mm，液壓泵為2.5 MPa，電機為2.5 kW。

2) 對該機進行田間試驗，整理并計算疏花機作業前后果樹花朵數目，可知疏花機的疏除率在29%～35%，滿足我國矮化密植果園的疏花農藝要求，試驗表明該疏花裝置可以提高果園坐果率、減少養分消耗、保證果樹樹體健壯、增加養分積累、滿足疏花農藝要求。由試驗可知在滿足疏花農藝要求時，疏花機工作參數為：前進速度4 km/h、轉動軸的膠條轉速為300～400 r/min、膠條間隔為5 cm，試驗表明該疏花裝置可以解決我國疏花機疏除效率低等問題，并實現增產穩產，從而提高果園經濟效益。