履帶式智能油茶采摘車輛采摘與收納結構設計

張博強，李國彬，金泉軍，張艷強，余 利

履帶式智能油茶采摘車輛采摘與收納結構設計

張博強1,2,3，李國彬3，金泉軍*4，張艷強3，余 利3

（1.許昌遠東傳動軸股份有限公司，河南 許昌 461000；2.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471000；3.河南工業大學 機電工程學院，河南 鄭州 450001；4.浙江吉利新能源商用車集團有限公司，浙江 杭州 311228）

研究發現茶油具有較高的保健和營養價值，受到越來越多消費者的喜愛，但油茶成熟后的采摘問題成了阻礙其發展的一大難題，由于油茶樹特有的“花果同期”特性導致目前的機械采摘停留在初級階段，人工采摘勞動力缺乏以及勞動力成本較高阻礙著油茶產業的發展。針對以上問題，文章設計了一種履帶式智能油茶采摘車，介紹了履帶式智能油茶采摘車采摘機構與收納機構的設計，并進行了有限元分析保證設計的合理性。

履帶式；油茶；智能采摘；收納機構

油茶成熟前兩個月是油脂的積累與轉化時期，過早采收或過晚的采摘都可能導致油脂酸值和過氧化值等有害物質含量升高，且過早采收還將導致茶油中油酸等有益物質含量降低。目前油茶產業機械化普及率較低，人工成本較大。

由于油茶樹具有“花果同期”特性，機械化采摘容易導致花蕾掉落影響下一年產量。目前僅在有規劃的種植基地有機械參與，在育苗、栽種、修剪、施肥、打藥等環節以人工勞動力為主。油茶采摘有時也借助采果鉗、人工梯等工具，但采摘效率依然較低。目前適用于山區丘陵地帶的油茶采收設備種類較少，傳統的半自動化的采摘方式已經不能滿足人們的需求，制約著油茶產業的發展，開發一款智能油茶采摘車更能滿足市場需求。

1 油茶特性分析

1.1 油茶生長特性

我國油茶種植地區主要為長江以南的低丘陵地區，地勢較為復雜，地面崎嶇，種植無規劃，間距不一，大型設備無法在此地形進行采摘作業。研究發現不同品種的油茶果實重量、大小、果柄直徑差異較小，測量統計得油茶樹主干直徑在15～60 mm之間，油茶樹冠所占面積在1.7～3.4 m2之間，茶果主要集中生長于0.3～2.2 m的枝條上。

1.2 油茶力學特性

油茶采摘車依靠采摘執行機構對油茶樹進行采摘，實現油茶果與枝條的分離。由于油茶特有的“花果同期”特性，采摘時花蕾與樹枝的接合力、油茶果與果柄的結合力、葉與樹枝的接合力都將影響采摘的效果。因此，油茶力學特性將對采摘裝置的設計提供理論依據。

油茶果一般呈球形或橢球形，平均直徑在15～25 mm之間，采摘期花蕾較小，平均直徑為3.12 mm，兩者尺寸差距較大。油茶果和花蕾的橫向扭斷力均值分別為11.08 N、6.94 N；縱向拉斷力均值分別為7.98 N、5.71 N[1]。油茶果橫向扭斷力和縱向拉斷力的均值分別大于花蕾的均值；油茶果和花蕾橫向扭斷力的均值大于其縱向拉斷力的均值。

2 行走機構的選擇

輪式行走機構目前應用最為廣泛，在平直或良好路面時運行平穩、行駛阻力小、能耗低、易于控制，但不適合在復雜路面上運行。履帶式行走機構有一個顯著的特點，它能夠適應不同的地面環境。履帶式移動機構能夠在各種不同的路面環境下行駛，具有很強的越障能力。

油茶在我國的種植主要分布在緯度和海拔較低、土壤肥力豐富的丘陵山地地區，一般的輪式車輛在這種條件下很難行駛。此外，由于油茶的種植間距較小、密度較大，傳統的輪式車輛在此條件下轉彎困難。結合實際地形條件本次設計選擇履帶式采摘平臺車，以保證它能夠滿足特殊工作環境下的工作需要。

3 振動式油茶采摘裝置設計

3.1 工作原理

振動式油茶采摘機的工作原理是通過激振機構產生一定頻率和幅值的振動作用于油茶樹樹干上，使茶樹在受迫振動下產生相應頻率和幅值的振動，枝條上的茶果在振動激勵下做加速運動。油茶果在加速運動時受到慣性力的作用，當茶果的慣性力大于茶果與果柄的接合力時，兩者連接的最薄弱處斷裂，實現果與樹的分離。

3.2 茶樹振動模型分析

油茶樹基本骨架一般由主干、中心干、主枝組成。油茶結果后枝條易下垂，因此主枝一般修整較粗大從而在豐產、穩產的同時延長樹體的經濟壽命。結合油茶樹的樹型設計的采摘車采用主干激振的方式進行油茶果的采摘，激振機構對茶樹的主干進行一定頻率的激勵振動，使樹枝上的茶果產生慣性力，當茶果的慣性力大于茶果與枝條的最小接合力時，茶果與枝條分離。結合種植園中的油茶樹型，對樹干激振采用一組偏心塊如圖1所示。

圖1 采摘頭-油茶樹振動系統模型

偏心塊B產生的慣性力：

采摘頭機體產生的慣性力：

彈性力：

f=（4）

阻尼力：

其方向的受力：

果樹產生的慣性力：

偏心塊A產生的慣性力：

偏心塊B產生的慣性力：

采摘頭機體產生的慣性力：

彈性力：

f=（10）

阻尼力：

式中，為偏心塊質量，kg；為偏心距，m；1為偏心塊A旋轉角速度，rad/s；2為偏心塊B旋轉角速度，rad/s；為偏心塊A、B距樹干方向中心距，m；為偏心塊A、B距樹干方向中心距，m；1為夾持點處茶樹的等效質量，kg；2為采摘頭機體等效質量，kg；為系統的彈性系數，N/m；為系統的阻尼系數，N·s/m；為系統振動時間，s。

在采摘機采摘時力在方向和方向分別平衡，則有：

通過整理可得

當偏心塊A和B以相同的加速度轉動時有：

22cos（17）

由式（16）分析可知當方向的激振力為零時油茶樹做自由振動并且始終處于平衡位置，因此，在采摘振動樹干時樹干始終在夾持機構方向的固定位置。

由式（18）方析可得

令3=(2+1+2)，式（18）可簡化為

由系統的振動微分方程可得系統的穩態響應：

=cos(-) （20）

由系統的穩態響應可知茶樹在方向為振動頻率與激振頻率相同的簡諧振動。對式（20）求一階和二階導可得速度和加速度：

v=-sin(-) （21）

a=-2cos(-) （22）

由式（21）、式（22）可知道振幅一定時振動速度與加速度隨激振頻率的變化而變化，在激振時需要合理的控制激振頻率使油茶果產生足夠的慣性力與枝條分離。

4 采摘機構關鍵部件設計

4.1 激振機構設計

4.1.1偏心矩的計算

通常情況下振動機械的彈性力與阻尼力遠小于機體的彈性力與阻尼力，在計算時通常將兩者對機體振動的影響近似忽略。振動時偏心塊產生與振動系統大小和方向近似相等的慣性力則振動偏心塊的偏心距計算公式為

=2=2/t（23）

式中，S為系統全振幅（樹干振動最大位移m）；為系統的振幅，m；為偏心塊質量，kg；為偏心塊偏心距，m；t為茶樹等效質量，kg。

由式（21）、式（22）可知油茶果振動時產生的速度和加速度與振幅和振動頻率有關，通過油茶青果振動采摘實驗結果表明，當油茶樹的振幅達到10 mm時有較好的采凈率，因此，本次計算取全振幅為10 mm。油茶樹等效質量測量比較復雜，LáNG等人利用瑞利法估算10 cm左右的果樹等效質量為180 kg[2]，本次油茶樹等效質量取180 kg。

則偏心塊的偏心矩為

==t/2=1 kg·m （24）

采摘機構采用一組相同的偏心塊，則每一個偏心塊的偏心矩為/2。

4.1.2偏心塊結構設計

常見的偏心塊結構有扇形結構、圓盤結構、重錘結構等。重錘結構偏心塊可產生較大的激振力但工藝復雜，圓盤結構偏心塊結構較為簡單但產生的激振力較小，扇形結構偏心塊加工難度和產生的偏心力介于扇形與重錘型兩者之間本次設計偏心塊采用扇形結構。偏心塊的結構尺寸根據工作時所需的偏心矩設計。偏心塊的質量和偏心距決定偏心矩的大小。

根據扇形偏心塊的計算公式：

偏心塊的材料選擇為Q235，材料密度為 7.85 g/cm3，則偏心塊的質量為

偏心塊要符合強度和尺寸要求，綜合考慮分別取1、2、為20 mm、30 mm、40 mm。則由式（24）、式（25）、式（26）可求得3=146 mm。

4.2 激振裝置設計

偏心塊激振力、功率計算：

工作時偏心塊由電機驅動，一個偏心塊所產生的離心力和大小取決于偏心塊的振動頻率和轉動角速度。則有：

一組偏心塊的激振力為

1=2=2（28）

式中，為一個偏心塊產生的激振力，N；1為一組偏心塊的激振力，N；為角速度，rad/s；為偏心矩，kg·m；

由于油茶特有的花果同期特性采摘時，花蕾與樹枝的接合力、油茶果與果柄的結合力、葉與樹枝的接合力都將影響采摘的效果。振動式油茶采摘機靠激振機構產生的激振力使茶果與茶樹分離，但一定程度上也將會使花蕾振落。因此，選擇合適的振動頻率以減小對花蕾的傷害尤為重要。由式（21）、式（22）可知油茶果振動時產生的速度和加速度與振動頻率有關。為了確定合適的采摘頻率進行了油茶青果振動采摘實驗，實驗結果表明當振動頻率在20～25 Hz時在油茶果采凈率可達95%，花蕾的損傷率可控制在5%以下。

代入=1 kg·m，=25 Hz可得

振動機構的振動功率：

1=2=2=1×(2×3.14×25)2=24.65 kN （29）

式中，為偏心塊產生的激振力，N；為偏心塊質量，kg；為偏心塊偏心距，m；為偏心塊角速度，rad/s；

4.3 夾持裝置設計

4.3.1夾持機構設計

夾持機構是向樹干傳遞振動采摘頭所產生激振力的部件，采摘機通過夾持機構準確牢固地夾持樹干，有效的傳遞激振力。夾持機構的夾持效果和夾持穩定性直接影響采摘的效果。夾持機構如果設計的不合理不僅無法有效地傳遞激振力還會給夾持的樹干造成損傷進而影響來年茶樹的產量。在此對夾持機構設計提出要求：夾持機構的張開范圍盡可能大，對不同樹齡的茶樹均要有較好的加緊作用；夾持機構應盡可能降低對樹干的損傷，要求加緊力的大小要適宜。

根據夾持要求的不同，夾持機構大體可分為回轉型和平動型兩大類。回轉型夾持機構的兩個夾持手指各繞一定點做定軸轉動，夾持物體時存在一定的側向力一般適用于夾持較大的物體，采用回轉型夾持機構由于機構的自身特性在加緊樹干時存在側向分力，對樹干可能造成一定的滑動磨損影響加緊的可靠性。平動型夾持機構加緊動作時夾持手指做平移直線運動，夾持過程中沒有側向分力且夾緊穩定性高。本次設計的夾緊機構采用平動型，夾緊原理圖如圖2所示。

1—固定夾持板；2—活動夾持板；3—夾持連桿；4—夾持搖桿；5—液壓缸。

夾持機構主要包括固定夾持板、活動夾持板、橡膠塊夾板、夾持連桿、液壓缸等。夾持機構的工作過程為液壓缸一端與夾持搖桿鉸接通過液壓缸伸縮帶動夾持搖桿4繞鉸接點轉動，4帶動夾持連桿3運動，3帶動活動夾持板做平移運動直至加緊樹干。為了降低夾持機構對樹干的損傷夾板的內側選用橡膠塊結構，當加緊樹干時靠橡膠塊與樹干接觸避免了由鋼板與樹干的擠壓對樹干造成傷害。橡膠塊具有一定的彈性在加緊樹干時不僅可以起到緩沖的作用還能保護樹皮，加緊樹干時橡膠塊會向內凹陷形成與樹干輪廓相匹配的圓弧增大與樹干的接觸面積，振動時也可以減小采摘頭與樹干間的移動。

4.3.2加緊力計算

加緊力的大小對保證穩定地傳遞激振力十分重要，但加緊力不是越大越好，加緊力過大將會對夾持的樹干造成機械損傷對來年的產量造成一定的影響。本次夾持機構的加緊力參考機器人夾持機構加緊力的計算公式[4]：

≥123（32）

式中，為夾持機構加緊力，N；1為安全系數，常取1.2～2.0；2為工況系數；3為方向系數；為采摘頭重量，kg。

工作時安全系數1取1.5，加緊前果樹為靜止狀態，因此2取1，方位系數3取1.25。利用建模軟件Solidworks對采摘頭建模并對其質量進行評估得到采摘頭質量為120 kg，由式（32）可得加緊力為

≥123=1.5×1.25×1×9.8×120

=2205 N （33）

BROWN G K等人對不同類型的夾持機構在振動過程對樹干的損傷就行了研究，研究結果表明5～10 cm的樹干在有橡膠塊的保護下當加緊力不大于17.3 kN時不會對樹干造成損害性的傷害[3]，本次設計的加緊機構加緊力遠小于此值，因此，夾緊樹干時不會對樹干造成損傷。

4.4 采摘頭減振機構設計

采摘方式為振動式采摘機在作業時將產生較大振動，采摘時樹干需要振動力而機架不需要振動，機架受振會產生噪音且機架受到長時間的振動會對其他部件造成一定的影響減小零部件的使用壽命。且激振機構的能量過多地傳遞到機架會造成能量的損耗影響能量利用率。采摘頭設計減振機構能夠降低工作時噪音并降低能量損耗提高采摘系統工作的穩定性。

減振一般可選擇液力減振機構或機械減振機構。液力減振應用于減振要求較高的場所，機械減振一般采用橡膠作為減振材料。橡膠內部阻尼遠大于金屬，有著較好的高頻隔振性能。橡膠減振器結合牢固，可設計制造各種形狀，具有價格低、重量輕、體積小等特點。目前工業上主要應用的減振橡膠主要由天然橡膠和丁腈橡膠。天然橡膠具有易加工穩定性較好等優點，但其內部阻尼較小使用易變形，工作一段時間后彈性降低使用壽命短。丁腈橡膠擁有較大的阻尼減振效果好、使用壽命長，因此本次橡膠減振器采用丁腈橡膠。

為了有效地降低采摘頭與機架振動的傳遞將采摘頭與機架設計成鏈環連接。振動采摘頭部通過三個吊環與懸伸的機架相連，三個吊環呈等腰三角形布置，前面布置兩個后面布置一個。為了提高減振效果，在吊環與振動采摘頭和機架的連接部分均設置減振橡膠。當采摘頭工作時在減振橡膠的衰減吸能作用下減小傳遞到機架的力，進而降低噪音提高零部件的使用壽命。

5 采摘頭升降機構設計

油茶樹植株間有著一定的高低差距且不同的油茶樹主干與樹杈的分枝高低位置有所不同，為了能夠對不同長勢的油茶樹進行采收需要對振動采摘頭的采摘高度提出要求。為了保證采摘頭可靠的加緊樹干，采摘頭升降機構在升降時需要保證采摘頭不能發生俯仰傾斜。為了實現升降要求本次設計采用平行四邊形機構作為升降機構。當曲柄、繞機架做圓弧運動時連桿在平面內做平移運動。為了保證采摘頭在升降過程中不發生俯仰和傾斜可以將采摘頭安裝于連桿上，曲柄、同步轉動保持采摘頭一直以合適的工作角度作業。

本次設計的采摘車車架兩側各布置一個平行四邊形連桿機構且將兩側機構對應的連桿通過一根橫梁相連。橫梁與兩個液壓缸相連且通過液壓缸的伸縮控制曲柄的旋轉，采摘頭總成安裝于平行四邊形機構的連桿上。當采摘作業需要夾持較高樹干時液壓桿伸出使采摘頭總成整體抬高，當需要夾持較低的樹干時液壓桿收回使采摘頭總成整體降低，較好的適應對不同油茶樹的采摘作業。

6 收集裝置設計

6.1 接載裝置整體設計

為了解決茶果收集問題，本次采摘車設計了一種到傘形的接載裝置[5]。通過對油茶樹統計，油茶樹高度在2 500 mm左右，樹冠直徑在2 000 mm左右，油茶主要掛果于300～2 200 mm的枝條上。根據油茶樹的生長特性接載裝置直徑設計為2 000 mm，高度設計為500 mm。收集傘的傘面通過4根支撐骨架支撐，每一根支撐骨架均可繞底座轉動靠近開口的兩根骨架有電機驅動旋轉。電機采用具有自鎖特性的伺服電機，保證傘面展開后位置不會輕易發生改變。傘面采用poe材料，其具有一定的彈性，傘面完全展開后可在表面形成一定的張力保證傘面處于平滑展開狀態。當采摘車未處于采摘作業時傘面處于收合狀態，當進行采摘作業時支撐骨架驅動電機帶動骨架旋轉將傘面圍繞樹干展開，油茶果振動掉落到收集傘面中。

6.2 輸送機構設計

采摘車采用倒傘型的收集裝置將振動掉落的油茶果集中于收集傘的底部，由于收集箱與收集傘底部存在一定的高度差，因此，帶式輸送機需要采用水平——傾斜型的布置形式。帶式輸送機主要包括以下幾個部分：輸送帶、驅動滾筒、托輥及中間架、張緊裝置等。為了盡可能的提高采摘車的緊湊性，將輸送機構和收集傘設計成一體的形式，收集傘的傘布拼接在輸送機的兩側。當采摘車處于行駛或轉運過程時，傘布收合到輸送機的兩側；當進行采摘作業時，收集傘從帶式輸送機兩側張開對樹干進行圍繞，結構如圖3所示。

圖3 油茶采摘車三維圖

7 關鍵部件有限元分析

7.1 偏心塊靜力學分析

本次偏心塊使用螺釘與電機的轉軸固定，在對偏心塊分析中對軸孔處添加轉動約束，偏心塊的轉速設置為1 500 r/min，劃分網格的大小選擇 2 mm。

由仿真分析結果可知最大應力出現在軸孔連接處為6.21 MPa，最大變形出現在偏心塊外圈為7.86×10-4mm。由于最大應力遠小于材料的屈服極限，偏心塊的變形相對于整體尺寸可忽略不計，因此偏心塊的強度完全滿足工作條件。

7.2 偏心塊模態分析

通過模態分析可以發現偏心塊是否在工作時發生共振進而保證工作的可靠性。本次利用Work- bench對偏心塊進行模態分析得到偏心塊的前四階固有頻率和相應的振型。由分析可知，前四階振型最大值在偏心塊的最外圍，前四階的固有頻率分別為2 622.1 Hz、2 707.9 Hz、4 869.5 Hz、6 630.6 Hz，偏心塊主要工作頻率在0～25 Hz，由于偏心塊固有頻率均不在工作范圍內可知偏心塊結構合理工作穩定。

8 總結

采摘車整體采用電能驅動，為了更好地適應復雜地形的采摘作業需求本次采摘車摒棄傳統的輪式行走機構而采用了履帶式底盤，在較差的行駛環境下提高采摘車的通過性擴大了采摘車的作業場合。油茶果采摘采用夾持振動式采摘方式在保證油茶果采凈率的同時大大降低了花蕾的損傷率。掉落的油茶果通過收集傘與輸送機運送到采摘車后方的收納箱中。為了進一步提升自動化水平采摘車配備了自動駕駛采摘功能，在設定采摘車需要采摘的油茶范圍后不需人工操作，采摘車依靠車載自動導航系統進行路徑規劃和運動控制完成采收一體化作業。考慮到復雜地理環境下的作業需求，采摘車在自動采摘的基礎上可切換為人工遙控系統進行采摘作業，進一步擴大的采摘車的使用范圍。

本次設計的采摘車不僅僅適用于油茶果的采摘。只要果樹和果實具有油茶相似的特性就可以使用本產品進行果實采收。例如：核桃、紅棗、開心果、杏等都可以適用于本設備采摘。進一步提升了采摘車的商用價值。

[1] 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].農機化究,2014(12):187-191.

[2] LáNG Z.A Fruit Tree Stability Model for Static and Dynamic Loading[J].Biosystems Engineering,2003,6 (4):461-466.

[3] BROWN G K,FRAHM J R,SEGERLIND L J,et al. Bark Strengths and Shaker Pads VS. Cherry Bark Damage during Harvesting[C]//ASABE Paper,Newwork: ASABE.1987:1266-1271.

[4] 楊公仆.工業機器人與機器人學[M].西安:西安交通大學出版社,1989:79-83.

[5] 牛長河,王學農.可移動式果實收集裝置的設計[J].新疆農機化,2011(1):33-34.

Tracked Intelligent Oil Tea Picking Vehicle Picking and Storage Structure Design

ZHANG Boqiang1,2,3, LI Guobin3, JIN Quanjun*4, ZHANG Yanqiang3, YU Li3

( 1.Xu Chang Yuan Dong Drive Shaft Company Limited, Xuchang 461000, China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471000, China;3.School of Mechanical and Electrical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China;4.Zhejiang Geely New Energy Commercial Vehicle Group Company Limited, Hangzhou 311228, China )

The study found that tea oil has high health care and nutritional value, which is loved by more and more consumers, but the problem of picking oil tea after maturity has become a major problem hinderingits development. Due to the unique "flower and fruit synchronization" charac- teristics of oil tea trees, the current mechanical picking is stopped at the primary stage, and the lack of manual picking labor and high labor costs hinder the development of oil tea industry. In view of the above problems, this paper designs a tracked intelligent oil tea picking car, introduces the design of the tracked intelligent oil tea picking car picking mechanism and storage mechanism, and conducts a finite element analysis to ensure the rationality of the design.

Tracked; Oil tea; Intelligent picking; Storage organization

U462

A

1671-7988(2023)11-127-07

張博強（1979－），男，博士，高級工程師，研究方向為智能專用車輛技術，E-mail:zhangboqiang@haut.edu.cn。

金泉軍（1977－），男，高級工程師，研究方向為汽車材料開發與輕量化技術，E-mail:jqj2003@126.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.023