便攜式油茶果分層采摘裝置設計與試驗

李慶松,周華茂,饒洪輝,康麗春,楊家林,劉木華

(江西農業大學 工學院,南昌 330045)

0 引言

油茶又叫茶籽,是我國特有的木本食用油料作物,主要生長在我國南方丘陵山區,與油棕、油橄欖和椰子并稱為“世界四大食用油料植物”[1-2]。茶油的成分與橄欖油相似,成分間的比例還略優于橄欖油,素有“東方橄欖油”的稱號[3]。油茶具有很高的綜合價值,除了食用外,在醫藥、保健、化工等方面也具有廣泛的用途[4]。

進入21世紀后,尤其是近十多年來,國家對油茶產業的扶持力度不斷加大,油茶種植面積也快速增加。據國家林業局統計數據顯示,截止到2019年底,我國油茶種植面積達453.5萬hm2,油茶籽產量為267.9萬t,油茶產業總值達1160億元[5-6]。由于油茶果樹主要種植在地形復雜的丘陵、山區等地,大型采摘機械無法作業,故需要大量的勞動力完成采摘。近年來,隨著農村人口的不斷流失,人工采摘成本高,作業效率低,勞動強度大,這些因素嚴重制約著我國油茶產業的健康發展[7-8]。為此,設計了一款便于攜帶、操作簡單的油茶果分層采摘裝置,旨在提高油茶果采摘效率,降低油茶農戶的采摘成本,減少勞動強度和保障作業安全。

1 油茶果、花苞與果枝分離力試驗

1.1 試驗設備與方法

目前,油茶果和花苞分離力測量的研究文獻較少[9-10],明晰油茶果、油茶花苞的生物力學特性對油茶果機械采摘裝置設計十分必要。因此,2021年10月,筆者在江西省林業科學院油茶良種基地對贛無1品種的油茶果、花苞與果枝的分離力進行了測量。本次測量試驗所用設備為ZDF-50數字式拉力計量程0～50N,精度±0.01N。由于油茶果枝具有彈性,在便攜式油茶果分層采摘裝置夾持采摘過程中有一定的自由行程,為了更好地模擬采摘過程中油茶果受力脫離的情況,在測量時不固定長有油茶果和花苞的果枝。因施加在油果和花苞上的作用力方向不同,測量得到的油茶果、花苞從果枝脫落時所需要的分離力也不同[11]。因此,本次試驗選擇與油茶果和花苞自然生長方向(油茶果與花苞均是橢球體,沿其長軸方向)的夾角為0°、30°、60°、90°4個方向進行測量,每組夾角試驗測量的樣本數量為30個,試驗樹種為贛無1油茶樹。油茶果、花苞與果枝發生分離時所需作用力大小的具體數據如圖1、圖2所示。

1.2 試驗結果分析

由圖1、圖2可知:油茶果和花苞與果枝發生分離時所需作用力的大小隨作用力方向的變化而改變,當作用力方向與油茶果、花苞自然生長方向的夾角為0°、30°、60°和90°時,油茶果脫落時所需要的作用力均值分別為12.26、10.56、8.75、5.92N,作用力均值擬合方程為Y=-0.0694X+13.539,R2=0.9836;花苞脫落時所需要的作用力均值分別為8.44、7.36、5.48、4.29N,作用力均值擬合方程為Y=-0.0478X+9.2585,R2=0.9890。圖2與圖1相比發現:當對油茶果和花苞的作用力方向一致時,油茶果的分離力大于花苞的分離力。

圖2 不同作用力方向下花苞與果枝的分離力Fig.2 Separating force of flower bud and fruit branch under different force directions

2 整體結構與工作原理

2.1 整體結構

便攜式油茶果分層采摘裝置主要由分層采摘頭、伸縮桿、線圈、驅動模塊、藍牙控制器及電源等組成,如圖3所示。其中,分層采摘頭安裝在伸縮桿的頂端,電動推桿的輸出端通過銷釘與分桿連接,推桿的伸縮控制分層采摘頭的張開與閉合;線圈安裝在伸縮桿底部手持把手下方,電線纏繞在線圈上,電線的一端與驅動模塊、電源連接,另一端與推桿連接,實現推桿、驅動模塊及電源三者串聯。

1.分層采摘頭 2.電動推桿 3.驅動模塊 4.伸縮桿 5.蓄電池 6.線圈 7.把手 8.藍牙控制器 9.錐形套圖3 整機結構圖Fig.3 Whole machine structure diagram

2.2 工作原理

采摘時,采摘者將鋰電池束在腰間,手握把手和伸縮桿,并根據待采油茶枝條的高度通過錐形套調節伸縮桿至合適的距離;按動藍牙控制器上的按鍵,推桿往前伸展,在推桿的帶動下,分層采摘頭根據油茶枝條的長勢張開至合適的厚度;然后,將分層采摘頭伸到長有油茶果的表層油茶枝條中,推桿收縮,帶動分層采摘頭中的平行膠輥夾持果枝;在采摘者的拉拽作用下,當平行膠輥對油茶果的沖擊力大于油茶果柄與果枝的結合力時,油茶果從果枝上脫落,完成采摘。

3 關鍵部件設計

3.1 分層采摘頭的設計

分層采摘頭是便攜式油茶果分層采摘裝置的核心機構,總質量約2kg,主要由電動推桿、平行膠輥、軸承座、上下分層架、分桿和底座組成,如圖4所示。為了減輕分層采摘頭的質量,上下分層架和分桿均選用厚度為4mm的鋁條,驅動動力選用12V電動推桿。其主要參數為:行程100mm,最大推力500N,伸縮速度30mm/s。為了減少采摘過程中對枝葉和花苞的損傷,平行膠輥材質選用中間粗,兩端細的柔性尼龍膠輥。由于夾持果枝的兩平行膠輥分別安裝在上下分層架兩端的軸承座上,在拉拽的過程中,與枝條和油茶果發生接觸或碰撞時產生摩擦而發生滾動,可避免對枝葉的損傷,且兩平行膠輥之間留有一定的間隙(大于花苞直徑,小于油茶果直徑),花苞可從間隙中漏過,從而減少對花苞的損傷。其中,上分層架通過銷與底座連接,下分層架通過螺栓固定在底座上,分桿的兩端通過銷分別與上分層架和電動推桿連接。

1.軸承座 2.平行膠輥 3.角度調節機構 4.上分層架 5.下分層架 6.電動推桿 7.底座 8.分桿圖4 采摘頭結構圖Fig.4 Picking head structure diagram

3.2 伸縮桿的設計

在滿足采摘高度的前提下,伸縮桿在設計時應考慮強度高、質量輕,方便拆卸更換[12]。基于以上考慮,伸縮桿選用碳素纖維桿,第1節桿長1.2m,第2節桿長1m,第2節桿直徑小于第1節桿直徑,兩節桿之間通過錐形連接套連接,主要作用是調節伸縮桿的長度。

4 油茶果與平行膠輥相互作用分析

4.1 模型建立

仿真模型主要由分層采摘頭、果枝、果柄及油茶果4部分組成,為了便于建模和提高仿真效率,采用離散法將果柄和果枝離散成長度分別為1mm和5mm的小圓柱,圓柱之間采用BUSH連接,從而實現果柄和果枝的柔性化建模[13-14]。在ADAMS/AutoFlex模塊中對油茶果進行柔性化,參數如表1所示。

表1 油茶果柔性化參數Table 1 Flexibility parameters of camellia oleifera fruit

4.2 油茶果脫落判定與定義約束

采摘過程中,油茶果受平行膠輥作用脫落的形式主要有3種:①果柄與果枝結合處斷裂致使果柄和油茶果整體從果枝上脫落;②從油茶果與果柄結合處斷裂分離;③從果柄脆弱處斷裂分離。通過實地觀察和前期預試驗可知,油茶果的脫落主要以果柄與果枝結合處斷裂分離為主。

建立油茶果與平行膠輥相互作用仿真模型時,采摘頭和電動推桿分別添加勻速直線往復驅動,平行膠輥與軸承座之間、上分層架與底座之間、分桿與上分層架和電推推桿之間均添加轉動約束,參數化碰撞速度、平行膠輥間距和平行膠輥直徑。在油茶果與平行膠輥之間、油茶果與果枝之間、平行膠輥與果枝之間均添加接觸碰撞力關系。為了便于判定油茶果是否脫落,采用廣義力和傳感器控制的思路[15],在油茶果與果柄之間添加彈簧阻尼模型,果柄與果枝之間添加廣義力,并設置傳感器用于監測兩連接點之間廣義力的大小,如圖5所示。當廣義力的值大于果柄與果枝的結合力時,則判定油茶果從果枝上脫落,此時兩者之間的結合力為0。由前述測量數據可知,油茶果柄與果枝的連接斷裂力為12.26N。廣義力由3個分量力和3個分量力矩(Fx、Fy、Fz、Tx、Ty、Tz)組成[16]。廣義力中Fx的函數為

-STEP(SENVAL(sensor_1):1.0,K,1.1,0

*AX(branch_1.force_enter,Stalk_1.cylinder_ender)-STEP(SENVAL(sensor_1):1.0,C,1.1,0)

*WX(branch_1.force_center,Stalk_1.cylinder_center)

其中,sensor_1為檢測廣義力兩作用點之間的距離傳感器;K為果柄與果枝結合力剛度系數;C為阻尼系數,默認;branch_1.force_center為果枝連接點;Stalk_1.cylinder_center為油茶果柄連接點。

其他分量力和力矩函數參照Fx依次類推[17]。

圖5 油茶果與膠輥相互作用仿真模型Fig.5 Simulation model of interaction between camellia oleifera fruit and cots

4.3 仿真結果分析

4.3.1 油茶果臨界脫落速度的求解

由文獻[18]可知,油茶果平均直徑為31.34mm,本次仿真設油茶果直徑為32mm,平行膠輥直徑為27mm,平行膠輥間距為24mm,在移動副上分別添加300、320、340mm/s的線速度,得到油茶果在不同平行膠輥速度撞擊下所受到的接觸碰撞力變化曲線,如圖6所示。

圖6 不同碰撞速度下油茶果受到的接觸碰撞力變化曲線Fig.6 Curves of contact impact force of camellia oleifera fruit under different impact velocities

由圖6可知:油茶果受到的撞擊力大小隨著膠輥碰撞速度的增加而增加,當碰撞速度為300、320、340mm/s時,油茶果受到的撞擊力分別為11.96、12.97、15.02N。由前述油茶果分離力測試試驗知,油茶果與果枝發生分離時需要的最大作用力均值為12.26N,故在平行膠輥直徑27mm、平行膠輥間距24mm時,油茶脫落所需要的臨界脫落速度為320mm/s。

4.3.2 平行膠輥速度對油茶果脫落過程的影響

在油茶果臨界脫落速度的條件下,為了進一步分析油茶果在脫落過程中所受接觸碰撞力的大小與不同平行膠輥速度之間的關系,選取一顆油茶果檢測其在碰撞脫落過程中的質心加速度值。本次仿真設平行膠輥直徑為30mm、平行膠輥間距為21mm,撞擊速度分別為320、350、380mm/s,油茶果質心加速度在不同速度撞擊下的變化曲線,如圖7所示。

圖7 不同膠輥速度下油茶果質心加速度變化曲線Fig.7 Acceleration curve of camellia oleifera fruit centroid under different rubber roller speeds

由圖7知:初始狀態下,油茶果只有重力加速度,當與膠輥發生碰撞時,加速度增大;當油茶果受到的沖擊力大于果柄與果枝的結合力時,與果枝發生分離,之后在自身重力作用下做拋物線運動;隨著膠輥速度的增大,膠輥與油茶果在碰撞過程中的相對速度增大,油茶果受到的沖擊力增大,產生的質心加速度也逐漸增加,說明增大碰撞速度對油茶果的脫落有促進作用。

4.3.3 平行膠輥間距對油茶果脫落過程的影響

不同膠輥間距下油茶果質心加速度變化曲線如圖8所示。由圖8知:隨著平行膠輥間距(平行膠輥速度為350mm/s,平行膠輥直徑為30mm)的增加,油茶果受到的沖擊力逐漸減小,產生的質心加速度也逐漸減小,脫落時所需要的時間增加。這是因為隨著膠輥間距的增加,油茶果受到的作用力在油茶果柄與果枝結合點處法線方向上的分力變小,故增加平行膠輥間距不利于油茶果的脫落。

圖8 不同膠輥間距下油茶果質心加速度變化曲線Fig.8 Acceleration curve of camellia oleifera fruit centroid under different rubber roller spacing

4.3.4 平行膠輥直徑對油茶果脫落過程的影響

不同膠輥直徑下油茶果質心加速度變化曲線如圖9所示。由圖9知:隨著平行膠輥直徑(平行膠輥速度為130mm/s,平行膠輥間距為21mm)的增加,油茶果受到的碰撞力逐漸增加,產生的質心加速度也逐漸增大,脫落時所需要的時間減少,說明增加平行膠輥直徑對油茶的脫落有促進作用。

圖9 不同膠輥直徑下油茶果質心加速度變化曲線Fig.9 Acceleration curve of camellia oleifera fruit centroid under different rubber roller diameters

通過分析上述仿真結果可知:平行膠輥速度、平行膠輥間距和平行膠輥直徑對油茶果的脫落均有一定影響,可作為樣機試驗因素的選取參考。

5 采摘試驗

為驗證便攜式油茶果分層采摘裝置的采摘效果,2021年10月28日在江西省新建區西山鎮草山村油茶高產示范基地進行戶外采摘試驗,以每60min采摘油茶果的質量統計便攜式油茶果分層采摘裝置的采摘效率。試驗中,平行膠輥間距為21mm,膠輥直徑為30mm,采摘試驗如圖10所示。試驗結果表明:油茶果漏采率小于10%,花苞損傷率小于5%,油茶果采摘效率為42kg/h,為人工采摘的3倍左右。后續可優化電動推桿的響應速度,進一步提高便攜式油茶果分層采摘裝置的采摘效率。

圖10 采摘試驗Fig.10 Picking test

6 結論

1)為提高油茶果采摘效率,設計了一種便攜式油茶果分層采摘裝置。戶外采摘試驗結果表明:油茶果采摘效率為42kg/h,約為人工采摘的3倍。

2)油茶果、花苞與果枝發生分離時所需分離力大小與作用力方向呈線性關系。

3)油茶果與平行膠輥相互作用仿真分析結果表明:油茶果受到的沖擊力隨平行膠輥速度和平行膠輥直徑的增加而增加,隨平行膠輥間距的增加而減少。