手持式柑橘除梢机的设计与试验

叶昌晓，洪添胜，李 震，吴伟斌，王建波，刘 岳

(华南农业大学 国家柑橘产业技术体系机械化研究室/广东省山地果园机械创新工程技术研究中心，广州 510642)

0 引言

柑橘是一年多次抽发新梢的果树，其新梢按抽发时期可分为春梢、夏梢和秋梢。夏梢的抽发期与幼果的生长期重叠，夏梢的抽发与幼果争夺养发，引发幼果大量脱落，且容易引发病虫害[1]，早期抽发的秋梢是柑橘黄龙病的传播媒介木虱产卵的温床[2]，因此夏梢和早期秋梢都需及时除去。目前，去除柑橘新梢主要有营养控梢、物理除梢和化学杀梢剂等技术手段。对于营养控梢法，新梢抽发的早期仍需进行除梢，且效果不显著[3];若使用化学杀梢剂进行杀梢，极易对老叶及幼果产生药害，且对下季度新梢的抽发产生影响，从而影响树势[4]。目前，国内柑橘除梢工作仍以人工除梢为主。

柑橘新梢的抽发具有抽发量大、抽发周期长及抽发反复性高的特点，因此人工除梢是一项劳动强度大、劳动成本高、消耗时间长的工作。由于柑橘树树体高大，常需架梯作业，使得人工除梢工作具有一定的危险性且反复上下梯还降低了除梢的效率。为此，设计了一种手持式柑橘除梢机，并进行了整机除梢性能试验，以期降低人工除梢强度、提高人工除梢效率。

1 柑橘新梢特性与除梢机设计要求

柑橘新梢大多抽发在果树树冠末端，少数抽发在主干及分支上。果树树冠末端抽发的新梢位于两片或多片叶子之间，新梢抽发初期梢秆纤细，梢秆根部直径在3mm左右，抽发初期的新梢具有含水率高、硬度小和木质化程度低等特点，此时是去除柑橘新梢的最佳时间。

我国柑橘种植规模虽然很大，但是我国90%的柑橘种植在丘陵山地上，且种植间距较窄，果树长大之后果树间的作业空间更为狭窄，使得许多大中型果园管理机械无法进入果园作业[5]。因此，针对我国柑橘种植情况及柑橘新梢特性，总结了柑橘除梢机的4点设计要求：①新梢割除后理想的切割面应是光滑的圆形或者椭圆形，且留茬长度在10mm以下较为理想，因此要求切割刀具有良好的切削性；②由于新梢抽发在茂密的树冠中，除梢机除掉新梢的同时应对果树其他枝叶的损伤较小；③由于果树高矮不一，树冠大小不同，该除梢机应能调节作业高度，适应不同的树高；④该除梢机需结构简单、质量小、操作简单，以便在狭小的果树间距里工作。

2 主要结构与工作原理

2.1 主要结构

柑橘除梢机主要由切割组件、伸缩杆组件及动力控制组件等组成，如图1所示。切割组件由直流无刷电机、电机连接轴套和圆锯片等组成，电机连接轴套直接与电机输出轴连接，锯片通过螺母固定于电机连接轴套上；伸缩杆组件由可伸缩铝管和铰接式连接头组成，无刷电机通过法兰盘连接在伸缩杆组件上；动力控制组件由无刷电调电子调速器、舵机测试仪和锂电池组成，无刷电调电子调速器和锂电池外置于挂包中，不计入整机总质量中。

1.铰接式连接头 2.法兰盘 3.直流无刷电机 4.电机连接轴套 5.圆锯片 6.伸缩杆 7.锂电池 8.舵机测试仪 9.无刷电调电子调速器

2.2 工作原理

柑橘除梢机作业时，以11.1V的锂电池作为电源给无刷电机提供动力，通过无刷电机电子调速器和舵机测试仪对无刷电机进行启动和调速[6]。无刷电机启动后带动电机轴上安装的圆锯片高速旋转，高速旋转的圆锯片将新梢从根部适当位置切断。调整伸缩杆的伸缩量可改变作业高度，调整铰接式连接头可改变锯片的切割倾角。

2.3 主要技术参数

通过柑橘山地果园作业需求，结合山地果园种植特点及机械设计标准，确定柑橘除梢机主要技术参数，如表1所示。

表1 柑橘除梢机主要技术参数

3 关键部位设计及主要参数确定

3.1 除梢机切割组件设计

3.1.1 切割锯片的参数确定

由于果树冠层的复杂性，锯片作业的空间十分有限，对长度15cm左右的柑橘新梢的几何参数进行测量，如图2所示。测量的几何参数：叶梢倾角和双叶倾角。新梢梢秆与周围叶片之间较小夹角为叶梢倾角，新梢周围两叶片的夹角为双叶倾角，测量结果如表2所示。

图2 正视图倾角参数

表2 新梢倾角参数

通过对新梢几何参数的测量，且采用滑切的切割方式，为降低功耗，一般滑切角在20°～55°的范围内选取比较合适。为满足留茬长度小于10mm的条件及较好地减少对枝叶的损伤，锯片直径选择35～50mm为佳。本文选用直径为44mm，齿数为36，孔径为6.35mm，厚度为0.8mm，前角为15°的高速钢圆锯片。

3.1.2 锯片转速确定

所选择的旋转刀片切割方式属于无支撑切割，由材料力学分析知，为获得更好的切割效果，应增大梢秆惯性力和梢秆的反弹力，因此除了尽可能降低割除高度外,还应提高切割线速度。锯片切割速度图如图3所示。其中，v是锯片的齿尖线速度和手持杆进给速度的合成；v1为锯片的齿尖线速度；v2为手持杆进给速度，即操作者手持除梢机移向新梢的速度，此速度约为0.07m/s[7]。

图3 锯片速度图

根据饲草切割机理，无支撑切割的最低切割速度必须大于一定数值，才能保障锯片顺利地进行无支撑切割，最低速度应不小于30m/s。考虑到机具的可靠性和安全性，初步确定锯片齿尖线速度为35m/s。转速公式为[8]

式中v1—锯片齿尖线速度(m/s)；

n—锯片转速(r/min)；

D—锯片直径(mm)。

可计算出锯片转速为15 192r/min，根据锯片进给量公式有

式中v2—手持杆进给速度(m/s)；

uz—锯片每齿进给量(mm)；

z—锯片齿数。

将z=36、v2=0.07m/s及n=15 192r/min带入式中，计算得锯片每齿进给量uz=0.13mm，满足木材锯切推荐的每齿进给量0.1～0.2mm[9]。

3.1.3 电机转轴的设计

设计的切割锯片直接安装于电机输出轴上，工作时会受到刀片的转矩等因素影响，产生一定的冲击和振动，因此应考虑转轴的强度要求[9]。轴的扭转强度条件为

式中τT—扭转切应力(MPa)；

T—轴所受的扭矩(N·mm)；

WT—轴的抗扭截面系数(mm3)；

n—轴的转速(r/min)；

P—轴传递的功率(kW)；

d—计算截面处的直径(mm)；

[τT] —许用扭转切应力(MPa)。

由上式可得轴的直径为

3.2 伸缩杆设计

柑橘除梢机伸缩杆采用铝合金材料。铝合金材料密度较小，强度与质量比高[11]。为满足人手握杆的舒适性要求，手持杆的直径应适中，通过对比，最终选择最大径22mm，中间直径19mm，最小径17mm的三节式伸缩铝管。该伸缩杆最大伸缩长度可达1.6m，操作者手持可达到果树最高高度，最小伸缩长度0.63m，便于不工作时存放。

3.3 电机电池参数的确定

根据电机设计转速为15 192r/min，且考虑电机质量和体积的因素，选择高速航模无刷电机，型号为新西达A2212kV2200外转子无刷电机，KV的定义为r/V，即输入电压增加1V，无刷电机空转转速增加的转速值。该电机的外形尺寸为27.8mm×28mm，质量为48g，输出轴径3.17mm。因此，电源选用TCB航模锂电池，型号为10000maH/11.1V/25C,外形尺寸为168mm×66mm×29.5mm，质量为688g,锂电池外置于挎包内，不计入整机总质量。经测定，无刷电机空转电流约为1.21A，切割时电流约为1.84A，工作电压约为11.5V，故采用的单块锂电池可以连续工作6h以上，配备两块电池可连续工作12h。

4 手持杆的静态受力分析

持杆的简化力学模型如图4所示。其中，AC为杆的全长，AC=1.6m；AB为手持时两手距离，AB=0.4m。假设杆为质量均匀分布的杆，D为杆AC的重心位置，C处为工作组件安装的位置。其中，工作组件的质量m1=145g,铝合金杆的总质量为225g,持杆时手对杆有作用力F1、F2和Ff，设杆AC与水平地面的夹角为α。

图4 力学分析图

由∑MA=0，F2·AB=G·ADcosα+G1ACcosα，得F2=10.09cosα；由∑MB=0，F1·AB=G1·BCcosα+G1·BDcosα，得F1=6.47cosα；由∑F=0，Ff=Gsinα+G1sinα，得Ff=3.63sinα。

以平均身高1.7m的男子进行作业，伸缩杆下端距离地面1.2m，当切割组件接近平均树高2.5m的位置时，由以上计算可知，α≈55°。此时F1=3.7N,F2=5.79N,操作非常轻松，人的头部上仰角度θ≤34°，头部上仰角度小，方便进行长时间工作。在平均圆周半径为1.3m的树体进行作业时，可达到的最高作业高度为3.1m，对于平均树高2.5m的果园，基本满足不同高度新梢的作业要求。

5 试验研究与结果分析

性能试验选择在江西省安远县孔田镇的山地果园种植区进行。选择5年树龄的纽荷尔脐橙抽发的新梢作为试验对象，该地区是赣南地区主要的柑橘生产地之一，柑橘均种植在山地上。由于山地限制，果树平均种植间隔3m，平均树高2.5m[12]。

5.1 除梢机切割性能试验与结果分析

选择对象为7月中旬抽发的秋梢，以10～15cm左右长的梢秆为试验对象，通过控制电机转速在15 192r/min时进行除梢工作，每组试验材料选至于一棵果树上符合条件的所有新梢，记录每组新梢的总数量、梢秆根部直径和未完全切断秆数。表3为试验结果。

表3 除梢机切割性能试验结果

分析表3的试验数据：在锯片切割线速度恒定的情况下，所统计的梢秆根部直径在小于2.8mm、2.8～3.3mm和大于3.3mm的未完全切断率分别为0%、4.1%、15.7%，整体未完全切断率为6.2%，完全切断率为93.8%，未完全切断率低，随着梢秆根部直径的增加，梢秆未完全切断率随之增加，根据灌木切割机理，因为梢秆直径增加，导致切割线速度和进给速度不完全匹配，可适当增加进给速度提高完全切断率。

5.2 新梢留茬长度试验与结果分析

对除梢机切割性能试验后的其他数据进行统计，统计每一组新梢的总数量、新梢所处高度和切割后新梢留茬长度，以新梢切割后留茬长度小于10mm为理想结果。表4为统计结果。

表4 新梢留茬长度试验结果

分析表4：所统计的新梢所处高度小于1.5m、1.5～2.5m和2.5～3.1m的切割后的留茬长度理想率分别为85%、95.3%和80%。该除梢机在新梢所处高度为1.5～2.5m时留茬长度理想率最高为95.3%，在所有高度的留茬长度理想率为88.4%。在2.5～3.1m高度作业时留茬长度理想率较低，是由于高度较高，锯片定位至梢秆根部较难，如追求留茬长度理想化，将导致对其他枝叶的损伤较大。

6 结论

1)设计了一种手持式柑橘除梢机，主要由切割组件、伸缩杆组件与动力控制组件组成，整机质量370g，操作轻便。该机可达到的最大工作高度为3.1m，基本满足不同高度新梢的作业要求，可连续工作12h以上。

2)介绍了梢秆切割机理，指出圆锯片切割为无支撑切割，并对锯片齿尖线速度和手持杆进给速度的匹配问题进行了计算与分析，得出除梢机作业适宜的锯片齿尖线速度为35m/s。

3)该除梢机进行除梢作业时，梢秆完全切断率为93.8%，除梢成功率高。除梢后留茬长度理想率达88.4%，除梢性能优良。