太阳能果树修枝锯的设计与试验

赵颖彪 陈 益 孙 权 陈芳娇 王占领 王旭峰，3*

(1 塔里木大学机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)(2 阿拉尔质量技术监督局， 新疆 阿拉尔 843300)(3 新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室， 新疆 阿拉尔 843300)



太阳能果树修枝锯的设计与试验

赵颖彪1陈 益2孙 权1陈芳娇1王占领1王旭峰1，3*

(1 塔里木大学机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)(2 阿拉尔质量技术监督局， 新疆 阿拉尔 843300)(3 新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室， 新疆 阿拉尔 843300)

南疆地区果园一般为矮化密植种植模式，传统的果树修剪机修剪效率低、应用效果较差。针对这一现状，利用太阳能光伏发电原理，设计了一种能依靠太阳能提供电能的果树修枝装置。该装置由太阳能光伏发电系统和电动修枝锯装置组成，可在果园中移动使用。通过样机的切割试验，结果表明：该装置可切割直径≤50mm的新鲜果树树枝，切割效果可以，满足南疆地区果园的作业要求；本装置结构简单，性能稳定可靠，能有效提高树枝修剪效率，且节能明显。

太阳能； 果树修枝； 设计； 试验

在我国的新疆南疆地区，林果种植已经成为继粮食、棉花之后的第三大农业产业。2012年林果种植面积已达到2 000万亩，南疆特色林果业被列为新疆维吾尔自治区的四大支柱产业之一。南疆林果业的快速发展，对果园农业机械化提出了新的要求。在南疆主要的果园产区，果园的管理仍是以人工管理模式，果树的修剪是果园日常管理的主要任务之一。然而，由于日照条件充足，南疆果园均采用矮化密植种植模式，传统的果树修剪机械不能完全适应矮化密植种植模式下的果树修枝管理[1]。目前，国内外主要的果树修剪机械有手持背负式、车载式，自动式等多种形式，其中手持背负式是主流工具[2-3]。手持背负式果树修剪机械又分为有动力和无动力两种，其中有动力又可以按照驱动力的不同分为电动式、气动式、液压传动、小型汽油柴油机等。据文献报道[4]，电动剪刀式果树修枝机效率较高，但手柄处直径较大，工作时受到的冲击力很大，而且蓄电池需要背负，增加作业人员的负担，同时蓄电池不能满足长时间工作的需要；华南热带作物机械研究所设计的3GS-8型修剪机是通过自动升降平台，将工人送往不同的高度，进行人工修枝，不适宜于矮化密植种植模式的果树修剪[5]；蔡良锥、方文熙等设计的 TJDH30-2型气动式果树修剪机单独配备汽油或柴油空气压缩机，有较好的修枝性能，但在没有机耕道的矮化密植模式果园运输极为困难，不利于南疆果园的使用[6]；往复锯条式或链锯式修枝机通常为小型汽油机带动，结构简单，效率高，视角和操作角度合适，但是操作过程振幅过大，操纵杆重，噪声大，且能耗较大，工作舒适度也不高。

针对目前果树修枝机的一些问题，本文结合南疆地区果园的种植模式和实际需要，根据太阳能发电原理，采用圆盘锯片和柔性同步带轮结构，设计了一种移动型太阳能果树修枝锯，具有方便使用，性能平稳可靠，能有效降低冲击，减少震动等特点，同时又能保持较好的节能效果。

1 太阳能果树修枝锯的总体设计思路

南疆地区是我国太阳能资源最为丰富的地区之一，年日照时间达2 500～3 000小时，丰富的太阳能资源为太阳能的利用提供了可行性。太阳能驱动的果树修枝机械能方便地获取电能，满足大面积果园移动式修剪作业的需要；而电动修剪机在修剪时的瞬时电流较大，与太阳能电源和结合特点不适宜，而电动锯具备较好的树枝切削性能，同时，电动锯对电源的瞬时冲击不大，工作较为平稳；南疆林果业普遍为矮化密植种植方式，也不适宜于较高大型的果树修剪机。因此，针对南疆地区林果业发展现状和特点，设计一种既能够满足果园长时间移动式作业的需要，同时又具有快速切削树枝的基于太阳能发电原理的果树修枝锯。

太阳能光伏发电系统是将太阳能转化为电能的一种系统，在这个系统中能量转换器是太阳能电池，又名光伏电池。当太阳光照射到太阳能电池面板上时，电池吸收光能，形成带电荷的粒子，并产生光电子空穴，在电池内建电场的作用下，正负电荷分别向两端移动，产生光伏电压形成电能[7-8]。具体的系统结构图如图1所示，太阳能电池产生电能后，通过控制器向蓄电池组进行充放电控制，蓄电池组在系统中起稳压作用，直接提供直流电源向果树修枝锯提供驱动能量。

在修枝锯机械装置的设计上，采用圆盘锯片和柔性同步带轮结构，使机械装置运行平稳，对太阳能系统无较大的瞬时冲击负载，同时具有良好的锯齿切削性能。

图1 太阳能果树修枝锯设计结构框图

2 核心部件的设计

南疆矮化密植种植模式下，果园中需修剪处理的果树枝直径一般为10～20 mm之间，为了提高修枝锯的可靠性，需要对锯齿的切削力等参数进行计算，本文选择最大切削直径为50 mm最大果树枝作为设计参数，以保证切削的可靠性。

2.1 切削参数计算模型

2.1.1 切削力的计算

切削力是评价果树切削性能的基础，树枝在切削过程中，刀具与木材之间的弹性和塑性变形的结果，同时也反映了刀具和机械所承受的载荷。在机械设计中切削力是确定切削机械所需输入的动力、刀具及夹具设计的主要依据。切削力还是确定最佳切削条件的重要因素。

不同的木材类型和切削条件对切削力的计算会产生不同影响，因此，计算出的切削力在设计完成时还要经过实际测试验证。圆盘锯片是由若干刀齿组成的整体，所以只需要分析和计算单个刀齿的切削力。最大切削力的计算公式为

(1)

公式(1)中：K—切削常数(查机械手册，取14 N/mm1. 5)；

b—切削宽度，即锯片的齿宽(根据最大的切削直径选择为2 mm)；

h—切削厚度，h可以为每个齿的切削平均厚度(取0. 01 mm)。

平均切削厚度与圆盘锯片的进给速度，以及锯片与树枝的主偏角有关。进给速度越大，切削工效越高，但表面加工质量会变差。由此计算出圆盘锯片的单齿切削力为 F=2. 8 N。

2.1.2 切削功率的计算

切削功率是果树修枝锯电机等零件的设计依据，按果树修枝锯最大切削直径为R=50mm，齿圆盘锯选用标准细锯齿数为40齿，齿距为7. 85 mm。在圆盘锯切割过程，整个锯片上均有一个以上的齿刀在切割树枝，圆盘踞的切削力等于单个齿刀的切削力与同时参与切削的齿数的乘积，则圆盘锯片的功率计算公式为：

p=M·ω·z/η

(2)

公式(2)中：

M—单齿的切削转矩(N.m)；

ω—圆盘锯片的角速度；

Z—为参与切削树枝的齿数；

η—为机械效率(取0. 8)。

根据切削力可知，圆盘锯的转速为1 500r/min，则锯片的角速度为157rad/s，以树枝的最大切削直径计算，则锯片的最大切削齿数为2. 5，则切削功率的为P=54. 95～137. 4W。

2.2 电动果树修枝锯的设计

根据计算对切削参数的计算，设计电动果树修枝锯结构图如图2所示。电动修枝锯是用角铁作为机架，将长臂手柄与机架焊接为一体的设计。在机架的最前端安装圆盘锯片，一根主轴将圆盘锯片与同步带轮连接，主轴用两个轴承支座固定在机架上。电动机固定在机架的另一端，驱动小同步带轮转动，通过同步带将动力传给大同步带轮，从而带动圆盘锯片的转动，达到切割树枝的目的。轴承支座与电动机支座之间是可调的，以便于张紧皮带轮。

图2 电动果树修枝锯结构图

根据切削参数的计算结果，选用RS775型永磁直流电动机，功率Pt=108W，额定电压U=24V，额定电流I=4. 5A，额定转速1 800r/min。果树修枝机选用木工圆盘锯片作为切削果树枝条的作业工具，锯片R=50mm，基片材料为65Mn，厚度为1. 2mm，齿宽为2mm，齿数为40齿。采用40齿的圆盘锯片在锯片的转速、进给速度和外径相同的条件下，增加锯片齿数，可以增大参与切削啮合的齿数，同时增大切削平面的光滑度。

2.3 太阳能光伏发电系统的设计

图3 太阳能光伏发电系统设计框图

太阳能光伏发电系统设计框图如图3所示，系统主要由太阳能电池阵列、蓄电池组，充放电控制器等元件组成。太阳能电池阵列采集太阳能源进行转按钮成电能，供给充电电路。充放电控制器主要由充电控制电路与放电控制电路组成，带负载工作前，需要通过充电电路接收太阳能电池阵列的电能充电至畜电池组；工作时，则由畜电池组输出稳定的直流电源给修枝锯负载进行作业。为了使用方便，将整个太阳能光伏发电系统集成到一个小推车上。具体的设计简图如图4所示，太阳能电池置于小车顶部，两端用螺栓固定，并且可以沿电池的中心轴转动，以便于随时调整电池板角度。将蓄电池放在小车底部，降低小车的重心，以防止侧翻。充放电控制器安装在小车的正前面，有利于对该系统的控制。太阳能光伏发电系统中太阳能电池、充放电控制器、蓄电池之间用电线连接。为了使果树修枝锯使用方便，在小车内加装一个摇臂式收线滚筒，扩大了操作者的活动范围，降低了使用过程中小车的移动频率，减轻了操作人员的劳动强度。

太阳能光伏发电系统的设计关键在于太阳能电池的选用，充放电控制器的设计以及蓄电池的容量设计与选型。设计时根据蓄电池负担的工作部件所需的功率来设计蓄电池的容量，又可以根据充放电时间来选用适合的太阳能电池。

图4 太阳能光伏发电系统图

2.3.1 太阳能电池的选型

太阳能电池的选择依据电动修枝锯的负载要求进行选择。根据果树修枝锯的设计要求，电动机选用24V直流电机，按最大需求功率计算，则果树修枝锯的工作电压UL=24V，工作电流为4A，容量为8A·h，K为电压转换率(通常取1. 43)，因此U= 34. 32V，选用太阳能电池时，选用36V的太阳能电池板。因此，选用型号为GHM-150太阳能电池，功率为150W，电压为36V，电流为4. 29A。

2.3.2 充放电控制器的设计

控制器是太阳能光伏发电系统中的主要部件，其可靠性直接影响整个系统及用电器的正常工作。控制器按照太阳能电池组件的最大输出功率选型，并且具有夜间防反充电保护、蓄电池过充放电保护、蓄电池开路保护、负载过电压保护、输出过载保护、输出短路保护以及太阳能电池和蓄电池接反保护等功能,设计选用多脉冲宽度调制的充放电控制器。多脉冲宽度调制也就是PWM脉冲宽度调制技术，是利用多个脉冲信号来控制充电与放电的电子开关，脉冲的宽度则可以控制电子开关接通或断开时间的长短。根据电动修枝锯太阳能系统充电和放电分开进行的特点，选用国产MPT-36型多脉冲宽度调制充放电控制器。MPT-36型控制器采用IGBT电力电子元件进行脉冲宽度调制，具有控制稳定、响应速度快等特点，能很好地应用于太阳能充放电的控制系统。

2.3.3 蓄电池组的容量设计

蓄电池组是存储太阳能电池转换的电能，工作时又给负载充电的装置。由于太阳能电池输出的能量是不稳定的以及负载使用的不定时性，太阳能光伏发电系统必须配备蓄电池才能够提供对负载持续稳定的能量。当前使用的较为普遍的为铅酸蓄电池，设计使用BW-24型铅酸蓄电池组。

蓄电池组容量可根据公式(3)计算：

(3)

公式(3)中：B—为需要的蓄电池组容量(A·h)；

N—为维持天数；

t—为修正系数(取1. 35)；

DOD—为最大放电深度(深循环铅蓄电池通常取0. 75)

通过计算，选取容量为24V8A·h的蓄电池组。

3 样机的试验分析

3.1 试验条件和方法

根据设计内容研制了一台试验用样机，如图5所示。为了验证样机的结构设计和技术参数的合理性，试验组人员在塔里木大学实验果园对果树修枝锯的切削效果进行了现场测试。

3.1.1 试验前，准备了电流表、游标卡尺等，将小推车放置在太阳光下为蓄电池充电，并对果树枝条进行测量，选取0～10mm、10～20mm、20～30mm、30～35mm、35～40mm、40～50mm这样不等直径范围的6组果树枝作为切削试验样品。

3.1.2 试验时，将电流表串接在果树修枝锯和蓄电池之间，打开控制开关，记录此时的电流值，然后对6组不同粗细的树枝分别进行切割，并记录各组切削时的电流值。

3.1.3 试验时，通过对比果树修枝锯切割不同直径的树枝的切削能力、切削断面的平整度和切削时电流的峰值。

图5 太阳能果树修枝锯试验用样机

3.2 试验结果与分析

通过对6种不同树枝样品的切削试验，得出如表1所示的切削试验数据。

3.2.1 对直径30mm以下的树枝能够很容易切断，且切削断面平整，产生的峰值电流均小于蓄电池最大输出电流。

3.2.2 对直径30mm～50mm的树枝进行切削时，电流峰值有明显增加，表明切削阻力有所增加，但切削情况平稳，蓄电池组供电情况良好。

表1 切削试验数据记录表

4 结论

通过对太阳能果树修枝锯的研究设计与试验，表明了太阳能果树修枝机适用于南疆地区果园的果树枝修剪作业，具有较好的应用前景。

4.1 太阳能果树修枝锯能灵活应用，充电均可在果园进行，作业可进行移动式作业，使用方便，利于南疆地区矮化密植种植模式下的果树修枝。

4.2 修枝装置结构简单，效率高，振动和冲击少。

4.3 试验样机在对直径50mm以下的树枝进行切削时，切削情况平稳，切削断面平整，太阳能供电情况良好。

4.4 本文所设计的装置整体运行情况良好，可靠性高，与同等果树修剪机相比，具备更高的切削效率，且具有良好的节能效果。

[1] 葛云,方珏,王世龙,等.矮化密植枣园机械化修剪技术现状[J].农机化研究,2013(07)：249-252.

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Design and Test of Fruiter-trimmer on the Solar Energy Electricity Generation Principle

Zhao Yingbiao1Chen Yi2Sun Quan1Chen Fangjiao1Wang Zhanling1Wang Xufeng1,3*

(1 College of Mechanical and Electrical Engineering, Tarim University, Alar， Xinjiang 843300)

(2 Quality and Technique Supervision Bureau of Alar Xinjiang, Alar， Xinjiang 843300)

(3 The Key Laboratory of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Alar， Xinjiang 843300)

The orchard in southern Xinjiang generally employ the pattern of dwarfing and high-density planting, and the traditional pruning machine for fruit trees has low pruning efficiency and bad application effect. According to situation, this paper presents a new pruning machine for fruit trees, which is designed according to the theories of solar photovoltaic power generation and machinery, and is powered by solar energy. This machine consists of solar photovoltaic power system and a device of electric pruning saw, and it is movable when being used in orchards. Based on the design parameters, a model machine for test has been successfully developed. Its mechanical performance has been tested by cutting tests. The result shows: the model machine can cut fresh fruit branches which diameter less than or equal 50mm with satisfactory effect of cutting. It can meet the work requirement of the orchards in Southern Xinjiang.The device is simple in structure and reliable performance, witch can effectively improve the efficiency of pruning branches and saves energy obviously.

solar energy; fruit pruning； design; test

2014-06-04

国家大学生创新创业训练计划项目(TDGCX201218)

赵颖彪(1990-)，男，2010级本科生，研究方向为农业机械装备。E-mail:839547201@qq.com

*为通讯作者E-mail:wxfwyq@126.com

1009-0568(2015)01-0086-06

S776.27+4;S

ADOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2015.01.014