振动式油茶青果采收机设计及试验

王 东，汤晶宇*，范志远，寇 欣，曲振兴

(1.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京100091；3.哈工大机器人集团，黑龙江 哈尔滨 150000)

油茶是具有高经济价值的木本食用油料，由于油茶果采收具有时效性，加之当前国内油茶果采收主要以人工为主，严重制约了国内油茶产业的快速发展[1-3]。目前，油茶果机械采收主要有振动式、撞击式和切割式三种方式[4]。振动式采收具有结构简单、采收效率高等优点[5]，能够有效地提高油茶果采收效率、降低采收成本，因而具有广阔的应用前景[6-7]。

国外开展振动式采收机械的研究较多，但主要应用于苹果、杏、桃、油橄榄、开心果等林果的采收，针对油茶果采收的研究较少[8]。国内关于振动式油茶果采收机具的研发起步较晚，但仍取得了一些研究成果[9]。薛烨设计了一种振动式油茶果采摘机，该机采摘臂采用平行四边形连杆机构，通过采摘头抓紧和振摇油茶果树，从而实现油茶果的采收，该采摘机机构设计合理，能够满足实际采摘需要[10]。程学良等设计了一种基于曲柄滑块式油茶果采摘系统，仿真结果表明，当激振力在100～150 N、加持高度在1 000 mm时，采摘效果较佳[11]。杨志敏以新研制的油茶果采摘机的振动特性为研究对象，通过有限元及谐响应分析，从振动特性方面考虑，采摘机设计合理[12]。

尽管国内许多高校和科研院所对振动式采收油茶果做了大量的研究，但取得的相关研究成果仍有一定的局限性，距离大规模应用还有一定的距离。本文针对油茶种植区地势、油茶植株特征和栽植模式，设计了一种振动式油茶青果采收机，该机采摘臂采取回转式设计，采摘效率高，底盘采用六轮铰接式设计，具有体积小、转向灵活度高、爬坡越障能力强等优点。

1 油茶种植区地势及植株特性

1.1 油茶种植区地势

油茶广泛分布于我国长江以南的低丘陵地区，通过实地考察，油茶种植区地势普遍较为复杂，地面崎岖不平、平整度差，土质松软，大型机械化采收设备难以行驶，且油茶树种植行间距较小，大型设备操作不灵活，大大限制了油茶果采收效率。

1.2 油茶植株特征

油茶为多年生常绿小乔木或大灌木[13-14]，植株包括根、主干、主枝、侧枝、叶、花、果等，叶子呈长圆形，花瓣单叶互生，油茶果实呈球形或卵圆形。通过实地测量，油茶树株行距约3 m×2.5 m，油茶树高多为1.5～2.5 m，油茶树主干直径15～60 mm，油茶树冠幅约为1.6～3.5 m2。油茶果主要分布在高0.2～2.1 m之间的油茶树枝上。油茶植株特征如图1所示。

图1 油茶植株特征

2 油茶青果采收机设计要求

针对油茶种植区地势、植株特征和栽植模式，对振动式油茶青果采收机提出以下设计要求：

(1)油茶种植区地势复杂，地面平整度差，采收机应具备一定的爬坡和越障能力，设计的底盘最小爬坡度≥25°；

(2)由于油茶栽植株行距小，油茶树密度大，采收机应具备体积小，转弯半径小等特点，设计的采收机长度≤3 m，宽度≤1.5 m，转弯半径≤2.8 m；

(3)油茶青果采收机的采摘率≥90%，花苞损失率≤5%；

(4)依据油茶树栽植模式特点，油茶青果采收机应能在一个工位对3～4棵油茶树进行采摘，以提高采摘效率，并且采摘头能自由夹持油茶树主干；

(5)鉴于不同长势的油茶树树干直径差异较大，采摘头应兼容绝大多数油茶树干直径的采摘；

(6)油茶果采收结束后，采摘臂可以折叠，以减小空间占用率。

3 采摘臂设计

为适应油茶林种植密度大、空间狭小的特点，采摘臂采取回转设计。采摘臂主要由回转台、支撑台、升降油缸、升降臂、翻转油缸、翻转架、伸缩油缸、振动器和采摘头等组成，采摘臂整体结构如图2所示。采摘臂设计有升降油缸，通过控制升降油缸的伸缩，使采摘臂位于合理的采摘位置；通过控制翻转油缸的伸缩，调整采摘头相对于油茶树主干的角度，使采摘头垂直于油茶树主干，减轻采摘过程中对主干的损伤；通过控制伸缩油缸，可以调整采摘头相对于主干的位置，以便采摘头牢牢夹住主干。设计的采摘头由呈一定角度的两块夹板构成，依据油茶树主干直径的大小，可以调整夹板张合的角度。

图2 采摘臂整体结构1.回转台；2.支撑台；3.升降油缸；4.升降臂；5.翻转油缸；6.翻转架；7.伸缩油缸；8.振动器；9.采摘头

设计的振动式油茶青果采收机的振动频率主要由振动器提供，振动器主要由振动箱体、曲柄、连杆和伸缩杆等组成，振动器结构示意图如图3所示。振动器采用曲柄连杆式设计，通过曲柄的圆周运动，带动伸缩杆做往复直线运动，从而产生振动激振力。通过控制电机转速调节曲柄转速，从而调节振动器的输出振动频率。

图3 振动器结构示意图1.振动箱体；2.曲柄；3.连杆；4.伸缩杆

4 振动式油茶青果采收机整机结构

为适用油茶种植区地势，振动式油茶青果采收机行走底盘采取六轮铰接式设计，该行走底盘具有良好的抓地附着力和优越的越障能力，地形适应性强，通过性优良，转向灵活，满足油茶果采收连续作业的要求。振动式油茶青果采收机长3.5 m、宽1.0 m、高2.3 m，主要由收集箱、驾驶室、采摘臂、采摘头和行走底盘等组成，整机结构如图4所示。

图4 振动式油茶青果采收机整机结构1.收集箱；2.驾驶室；3.采摘臂；4.采摘头；5.行走底盘

5 采收试验

为验证油茶青果采收机结构设计是否合理，检验不同振动频率下的采摘率和油茶花苞损失率，对油茶青果采收机开展了采收试验。

5.1 试验指标

本次采收试验选取的试验指标为油茶果采摘率t1和油茶花苞损失率率t2。由于油茶花、果同期，当振动采收产生的加速度大于油茶果与茶树的结合力时，油茶果便会掉落，而部分花苞与茶树的结合力接近或小于油茶果与茶树的结合力，振动采收时会造成部分花苞的掉落。因此，确定采收机的最佳采收效果需兼顾油茶花苞的损失率。每组试验结束后分别统计采收试验后掉落的油茶青果总质量m1、未掉落的油茶青果总质量m2、掉落的油茶花苞个数n1和未掉落的油茶花苞个数n2。定义油茶果采摘率t1(%)=m1/(m1+m2)×100%，油茶花苞损失率t2(%)=n1/(n1+n2)×100%。

5.2 试验过程

采收试验在安徽省巢湖市油茶果种植基地内进行，采收试验现场如图5所示。选择在油茶果充分成熟后，即3%～5%的果实开裂时进行采收试验。在油茶种植区内，随机选择5块坡度平缓、种植密度一致以及植株大小、冠幅相近的试验区并标号，每块试验区含4行，每行由10颗油茶树组成。每个试验区内，采收机的振动频率分别设计为10 Hz、20 Hz、25 Hz、30 Hz和40 Hz。采摘头夹持位置距离地面设定为100 mm，采摘试验开始前，为降低振动采收时采摘头对油茶树主干造成的夹紧损害，需在油茶树主干采摘头夹紧部位加装橡胶防护垫。采摘试验结束后分别计算5个试验区的油茶果采摘率和花苞损失率。

图5 采收试验现场

5.3 试验结果与分析

采收试验结果见表1。

表1 采收试验结果

试验区标号振动频率/Hz采摘率/%花苞损失率/%11085.71.922091.22.832595.63.343097.15.654099.38.1

由表1可知，随着振动频率的逐渐提高，油茶果采摘率和花苞损失率呈逐渐上升之势；振动频率为10 Hz、20 Hz、25 Hz、30 Hz、40 Hz时，对应的采摘率依次为85.7%、91.2%、95.6%、97.1%、99.3%，花苞损失率分别为1.9%、2.8%、3.3%、5.6%、8.1%。当振动频率由20 Hz增加到25 Hz时，采摘率由91.2%增加到95.6%，采摘率显著提高，油茶花苞损失率由2.8%增加到3.3%，损失率变化不明显；当振动频率由25 Hz增加到30 Hz时，采摘率由95.6%增加到97.1%，采摘率变化不明显，花苞损失率由3.3%增加到5.6%，损失率提升较明显；当振动频率为10 Hz、20 Hz时，虽然油茶花苞损失率较小，但采摘率相应也较低；当振动频率为40 Hz时，虽然采摘率较高，但油茶花苞损失率也较大。综合考虑，当振动频率为25 Hz时，油茶青果采收机达到最佳采摘效果，即油茶果采摘率为95.6%，花苞损失率为3.3%。

6 结论

(1)根据油茶种植区地势、油茶植株特征和栽植模式，设计了一种振动式油茶青果采收机，该机主要由行走底盘和采摘臂组成，具有采摘高效、通过性好、越障爬坡能力强等优点。

(2)对振动式油茶果采收机进行了采收试验，试验结果表明振动采收油茶果是可行的，且采收机结构设计合理，能够较好地完成油茶果的采收工作。夹持位置距离地面设定为100 mm，当振动频率为25 Hz时，油茶果采收机达到最佳采摘效果，即油茶果采摘率为95.6%，花苞损失率为3.3%。

(3)试验过程中发现，虽然振动式油茶青果采收机具有较高的采摘率，但采收机在采摘油茶果的过

程中同时存在对油茶树的其他损伤。主要包含以下二个方面：一是对茶树主干的损伤，虽然试验开始前在油茶树主干采摘头夹紧部位加装橡胶防护垫，但随着采收机振动频率的提升，油茶树主干仍然存在着一定的夹紧损伤；二是对茶树根系的损伤，采收机在采收油茶果时采摘头迫使茶树以一定频率和振幅振动，从而造成茶树部分根系断裂。因此，确定振动式油茶青果采收机的最佳采摘效果还需兼顾振动采收对油茶树造成的伤害以及对来年结果率的影响。