王 東，湯晶宇*，范志遠(yuǎn)，寇 欣，曲振興

(1.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所，北京100091；3.哈工大機(jī)器人集團(tuán)，黑龍江 哈爾濱 150000)

油茶是具有高經(jīng)濟(jì)價值的木本食用油料，由于油茶果采收具有時效性，加之當(dāng)前國內(nèi)油茶果采收主要以人工為主，嚴(yán)重制約了國內(nèi)油茶產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[1-3]。目前，油茶果機(jī)械采收主要有振動式、撞擊式和切割式三種方式[4]。振動式采收具有結(jié)構(gòu)簡單、采收效率高等優(yōu)點(diǎn)[5]，能夠有效地提高油茶果采收效率、降低采收成本，因而具有廣闊的應(yīng)用前景[6-7]。

國外開展振動式采收機(jī)械的研究較多，但主要應(yīng)用于蘋果、杏、桃、油橄欖、開心果等林果的采收，針對油茶果采收的研究較少[8]。國內(nèi)關(guān)于振動式油茶果采收機(jī)具的研發(fā)起步較晚，但仍取得了一些研究成果[9]。薛燁設(shè)計了一種振動式油茶果采摘機(jī)，該機(jī)采摘臂采用平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，通過采摘頭抓緊和振搖油茶果樹，從而實(shí)現(xiàn)油茶果的采收，該采摘機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計合理，能夠滿足實(shí)際采摘需要[10]。程學(xué)良等設(shè)計了一種基于曲柄滑塊式油茶果采摘系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，當(dāng)激振力在100～150 N、加持高度在1 000 mm時，采摘效果較佳[11]。楊志敏以新研制的油茶果采摘機(jī)的振動特性為研究對象，通過有限元及諧響應(yīng)分析，從振動特性方面考慮，采摘機(jī)設(shè)計合理[12]。

盡管國內(nèi)許多高校和科研院所對振動式采收油茶果做了大量的研究，但取得的相關(guān)研究成果仍有一定的局限性，距離大規(guī)模應(yīng)用還有一定的距離。本文針對油茶種植區(qū)地勢、油茶植株特征和栽植模式，設(shè)計了一種振動式油茶青果采收機(jī)，該機(jī)采摘臂采取回轉(zhuǎn)式設(shè)計，采摘效率高，底盤采用六輪鉸接式設(shè)計，具有體積小、轉(zhuǎn)向靈活度高、爬坡越障能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 油茶種植區(qū)地勢及植株特性

1.1 油茶種植區(qū)地勢

油茶廣泛分布于我國長江以南的低丘陵地區(qū)，通過實(shí)地考察，油茶種植區(qū)地勢普遍較為復(fù)雜，地面崎嶇不平、平整度差，土質(zhì)松軟，大型機(jī)械化采收設(shè)備難以行駛，且油茶樹種植行間距較小，大型設(shè)備操作不靈活，大大限制了油茶果采收效率。

1.2 油茶植株特征

油茶為多年生常綠小喬木或大灌木[13-14]，植株包括根、主干、主枝、側(cè)枝、葉、花、果等，葉子呈長圓形，花瓣單葉互生，油茶果實(shí)呈球形或卵圓形。通過實(shí)地測量，油茶樹株行距約3 m×2.5 m，油茶樹高多為1.5～2.5 m，油茶樹主干直徑15～60 mm，油茶樹冠幅約為1.6～3.5 m2。油茶果主要分布在高0.2～2.1 m之間的油茶樹枝上。油茶植株特征如圖1所示。

圖1 油茶植株特征

2 油茶青果采收機(jī)設(shè)計要求

針對油茶種植區(qū)地勢、植株特征和栽植模式，對振動式油茶青果采收機(jī)提出以下設(shè)計要求：

(1)油茶種植區(qū)地勢復(fù)雜，地面平整度差，采收機(jī)應(yīng)具備一定的爬坡和越障能力，設(shè)計的底盤最小爬坡度≥25°；

(2)由于油茶栽植株行距小，油茶樹密度大，采收機(jī)應(yīng)具備體積小，轉(zhuǎn)彎半徑小等特點(diǎn)，設(shè)計的采收機(jī)長度≤3 m，寬度≤1.5 m，轉(zhuǎn)彎半徑≤2.8 m；

(3)油茶青果采收機(jī)的采摘率≥90%，花苞損失率≤5%；

(4)依據(jù)油茶樹栽植模式特點(diǎn)，油茶青果采收機(jī)應(yīng)能在一個工位對3～4棵油茶樹進(jìn)行采摘，以提高采摘效率，并且采摘頭能自由夾持油茶樹主干；

(5)鑒于不同長勢的油茶樹樹干直徑差異較大，采摘頭應(yīng)兼容絕大多數(shù)油茶樹干直徑的采摘；

(6)油茶果采收結(jié)束后，采摘臂可以折疊，以減小空間占用率。

3 采摘臂設(shè)計

為適應(yīng)油茶林種植密度大、空間狹小的特點(diǎn)，采摘臂采取回轉(zhuǎn)設(shè)計。采摘臂主要由回轉(zhuǎn)臺、支撐臺、升降油缸、升降臂、翻轉(zhuǎn)油缸、翻轉(zhuǎn)架、伸縮油缸、振動器和采摘頭等組成，采摘臂整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。采摘臂設(shè)計有升降油缸，通過控制升降油缸的伸縮，使采摘臂位于合理的采摘位置；通過控制翻轉(zhuǎn)油缸的伸縮，調(diào)整采摘頭相對于油茶樹主干的角度，使采摘頭垂直于油茶樹主干，減輕采摘過程中對主干的損傷；通過控制伸縮油缸，可以調(diào)整采摘頭相對于主干的位置，以便采摘頭牢牢夾住主干。設(shè)計的采摘頭由呈一定角度的兩塊夾板構(gòu)成，依據(jù)油茶樹主干直徑的大小，可以調(diào)整夾板張合的角度。

圖2 采摘臂整體結(jié)構(gòu)1.回轉(zhuǎn)臺；2.支撐臺；3.升降油缸；4.升降臂；5.翻轉(zhuǎn)油缸；6.翻轉(zhuǎn)架；7.伸縮油缸；8.振動器；9.采摘頭

設(shè)計的振動式油茶青果采收機(jī)的振動頻率主要由振動器提供，振動器主要由振動箱體、曲柄、連桿和伸縮桿等組成，振動器結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。振動器采用曲柄連桿式設(shè)計，通過曲柄的圓周運(yùn)動，帶動伸縮桿做往復(fù)直線運(yùn)動，從而產(chǎn)生振動激振力。通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲柄轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)振動器的輸出振動頻率。

圖3 振動器結(jié)構(gòu)示意圖1.振動箱體；2.曲柄；3.連桿；4.伸縮桿

4 振動式油茶青果采收機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

為適用油茶種植區(qū)地勢，振動式油茶青果采收機(jī)行走底盤采取六輪鉸接式設(shè)計，該行走底盤具有良好的抓地附著力和優(yōu)越的越障能力，地形適應(yīng)性強(qiáng)，通過性優(yōu)良，轉(zhuǎn)向靈活，滿足油茶果采收連續(xù)作業(yè)的要求。振動式油茶青果采收機(jī)長3.5 m、寬1.0 m、高2.3 m，主要由收集箱、駕駛室、采摘臂、采摘頭和行走底盤等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 振動式油茶青果采收機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)1.收集箱；2.駕駛室；3.采摘臂；4.采摘頭；5.行走底盤

5 采收試驗

為驗證油茶青果采收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，檢驗不同振動頻率下的采摘率和油茶花苞損失率，對油茶青果采收機(jī)開展了采收試驗。

5.1 試驗指標(biāo)

本次采收試驗選取的試驗指標(biāo)為油茶果采摘率t1和油茶花苞損失率率t2。由于油茶花、果同期，當(dāng)振動采收產(chǎn)生的加速度大于油茶果與茶樹的結(jié)合力時，油茶果便會掉落，而部分花苞與茶樹的結(jié)合力接近或小于油茶果與茶樹的結(jié)合力，振動采收時會造成部分花苞的掉落。因此，確定采收機(jī)的最佳采收效果需兼顧油茶花苞的損失率。每組試驗結(jié)束后分別統(tǒng)計采收試驗后掉落的油茶青果總質(zhì)量m1、未掉落的油茶青果總質(zhì)量m2、掉落的油茶花苞個數(shù)n1和未掉落的油茶花苞個數(shù)n2。定義油茶果采摘率t1(%)=m1/(m1+m2)×100%，油茶花苞損失率t2(%)=n1/(n1+n2)×100%。

5.2 試驗過程

采收試驗在安徽省巢湖市油茶果種植基地內(nèi)進(jìn)行，采收試驗現(xiàn)場如圖5所示。選擇在油茶果充分成熟后，即3%～5%的果實(shí)開裂時進(jìn)行采收試驗。在油茶種植區(qū)內(nèi)，隨機(jī)選擇5塊坡度平緩、種植密度一致以及植株大小、冠幅相近的試驗區(qū)并標(biāo)號，每塊試驗區(qū)含4行，每行由10顆油茶樹組成。每個試驗區(qū)內(nèi)，采收機(jī)的振動頻率分別設(shè)計為10 Hz、20 Hz、25 Hz、30 Hz和40 Hz。采摘頭夾持位置距離地面設(shè)定為100 mm，采摘試驗開始前，為降低振動采收時采摘頭對油茶樹主干造成的夾緊損害，需在油茶樹主干采摘頭夾緊部位加裝橡膠防護(hù)墊。采摘試驗結(jié)束后分別計算5個試驗區(qū)的油茶果采摘率和花苞損失率。

圖5 采收試驗現(xiàn)場

5.3 試驗結(jié)果與分析

采收試驗結(jié)果見表1。

表1 采收試驗結(jié)果

試驗區(qū)標(biāo)號振動頻率/Hz采摘率/%花苞損失率/%11085.71.922091.22.832595.63.343097.15.654099.38.1

由表1可知，隨著振動頻率的逐漸提高，油茶果采摘率和花苞損失率呈逐漸上升之勢；振動頻率為10 Hz、20 Hz、25 Hz、30 Hz、40 Hz時，對應(yīng)的采摘率依次為85.7%、91.2%、95.6%、97.1%、99.3%，花苞損失率分別為1.9%、2.8%、3.3%、5.6%、8.1%。當(dāng)振動頻率由20 Hz增加到25 Hz時，采摘率由91.2%增加到95.6%，采摘率顯著提高，油茶花苞損失率由2.8%增加到3.3%，損失率變化不明顯；當(dāng)振動頻率由25 Hz增加到30 Hz時，采摘率由95.6%增加到97.1%，采摘率變化不明顯，花苞損失率由3.3%增加到5.6%，損失率提升較明顯；當(dāng)振動頻率為10 Hz、20 Hz時，雖然油茶花苞損失率較小，但采摘率相應(yīng)也較低；當(dāng)振動頻率為40 Hz時，雖然采摘率較高，但油茶花苞損失率也較大。綜合考慮，當(dāng)振動頻率為25 Hz時，油茶青果采收機(jī)達(dá)到最佳采摘效果，即油茶果采摘率為95.6%，花苞損失率為3.3%。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)油茶種植區(qū)地勢、油茶植株特征和栽植模式，設(shè)計了一種振動式油茶青果采收機(jī)，該機(jī)主要由行走底盤和采摘臂組成，具有采摘高效、通過性好、越障爬坡能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

(2)對振動式油茶果采收機(jī)進(jìn)行了采收試驗，試驗結(jié)果表明振動采收油茶果是可行的，且采收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠較好地完成油茶果的采收工作。夾持位置距離地面設(shè)定為100 mm，當(dāng)振動頻率為25 Hz時，油茶果采收機(jī)達(dá)到最佳采摘效果，即油茶果采摘率為95.6%，花苞損失率為3.3%。

(3)試驗過程中發(fā)現(xiàn)，雖然振動式油茶青果采收機(jī)具有較高的采摘率，但采收機(jī)在采摘油茶果的過

程中同時存在對油茶樹的其他損傷。主要包含以下二個方面：一是對茶樹主干的損傷，雖然試驗開始前在油茶樹主干采摘頭夾緊部位加裝橡膠防護(hù)墊，但隨著采收機(jī)振動頻率的提升，油茶樹主干仍然存在著一定的夾緊損傷；二是對茶樹根系的損傷，采收機(jī)在采收油茶果時采摘頭迫使茶樹以一定頻率和振幅振動，從而造成茶樹部分根系斷裂。因此，確定振動式油茶青果采收機(jī)的最佳采摘效果還需兼顧振動采收對油茶樹造成的傷害以及對來年結(jié)果率的影響。