履带式智能油茶采摘车辆采摘与收纳结构设计

张博强，李国彬，金泉军，张艳强，余 利

履带式智能油茶采摘车辆采摘与收纳结构设计

张博强1,2,3，李国彬3，金泉军*4，张艳强3，余 利3

（1.许昌远东传动轴股份有限公司，河南 许昌 461000；2.河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471000；3.河南工业大学 机电工程学院，河南 郑州 450001；4.浙江吉利新能源商用车集团有限公司，浙江 杭州 311228）

研究发现茶油具有较高的保健和营养价值，受到越来越多消费者的喜爱，但油茶成熟后的采摘问题成了阻碍其发展的一大难题，由于油茶树特有的“花果同期”特性导致目前的机械采摘停留在初级阶段，人工采摘劳动力缺乏以及劳动力成本较高阻碍着油茶产业的发展。针对以上问题，文章设计了一种履带式智能油茶采摘车，介绍了履带式智能油茶采摘车采摘机构与收纳机构的设计，并进行了有限元分析保证设计的合理性。

履带式；油茶；智能采摘；收纳机构

油茶成熟前两个月是油脂的积累与转化时期，过早采收或过晚的采摘都可能导致油脂酸值和过氧化值等有害物质含量升高，且过早采收还将导致茶油中油酸等有益物质含量降低。目前油茶产业机械化普及率较低，人工成本较大。

由于油茶树具有“花果同期”特性，机械化采摘容易导致花蕾掉落影响下一年产量。目前仅在有规划的种植基地有机械参与，在育苗、栽种、修剪、施肥、打药等环节以人工劳动力为主。油茶采摘有时也借助采果钳、人工梯等工具，但采摘效率依然较低。目前适用于山区丘陵地带的油茶采收设备种类较少，传统的半自动化的采摘方式已经不能满足人们的需求，制约着油茶产业的发展，开发一款智能油茶采摘车更能满足市场需求。

1 油茶特性分析

1.1 油茶生长特性

我国油茶种植地区主要为长江以南的低丘陵地区，地势较为复杂，地面崎岖，种植无规划，间距不一，大型设备无法在此地形进行采摘作业。研究发现不同品种的油茶果实重量、大小、果柄直径差异较小，测量统计得油茶树主干直径在15～60 mm之间，油茶树冠所占面积在1.7～3.4 m2之间，茶果主要集中生长于0.3～2.2 m的枝条上。

1.2 油茶力学特性

油茶采摘车依靠采摘执行机构对油茶树进行采摘，实现油茶果与枝条的分离。由于油茶特有的“花果同期”特性，采摘时花蕾与树枝的接合力、油茶果与果柄的结合力、叶与树枝的接合力都将影响采摘的效果。因此，油茶力学特性将对采摘装置的设计提供理论依据。

油茶果一般呈球形或椭球形，平均直径在15～25 mm之间，采摘期花蕾较小，平均直径为3.12 mm，两者尺寸差距较大。油茶果和花蕾的横向扭断力均值分别为11.08 N、6.94 N；纵向拉断力均值分别为7.98 N、5.71 N[1]。油茶果横向扭断力和纵向拉断力的均值分别大于花蕾的均值；油茶果和花蕾横向扭断力的均值大于其纵向拉断力的均值。

2 行走机构的选择

轮式行走机构目前应用最为广泛，在平直或良好路面时运行平稳、行驶阻力小、能耗低、易于控制，但不适合在复杂路面上运行。履带式行走机构有一个显著的特点，它能够适应不同的地面环境。履带式移动机构能够在各种不同的路面环境下行驶，具有很强的越障能力。

油茶在我国的种植主要分布在纬度和海拔较低、土壤肥力丰富的丘陵山地地区，一般的轮式车辆在这种条件下很难行驶。此外，由于油茶的种植间距较小、密度较大，传统的轮式车辆在此条件下转弯困难。结合实际地形条件本次设计选择履带式采摘平台车，以保证它能够满足特殊工作环境下的工作需要。

3 振动式油茶采摘装置设计

3.1 工作原理

振动式油茶采摘机的工作原理是通过激振机构产生一定频率和幅值的振动作用于油茶树树干上，使茶树在受迫振动下产生相应频率和幅值的振动，枝条上的茶果在振动激励下做加速运动。油茶果在加速运动时受到惯性力的作用，当茶果的惯性力大于茶果与果柄的接合力时，两者连接的最薄弱处断裂，实现果与树的分离。

3.2 茶树振动模型分析

油茶树基本骨架一般由主干、中心干、主枝组成。油茶结果后枝条易下垂，因此主枝一般修整较粗大从而在丰产、稳产的同时延长树体的经济寿命。结合油茶树的树型设计的采摘车采用主干激振的方式进行油茶果的采摘，激振机构对茶树的主干进行一定频率的激励振动，使树枝上的茶果产生惯性力，当茶果的惯性力大于茶果与枝条的最小接合力时，茶果与枝条分离。结合种植园中的油茶树型，对树干激振采用一组偏心块如图1所示。

图1 采摘头-油茶树振动系统模型

偏心块B产生的惯性力：

采摘头机体产生的惯性力：

弹性力：

f=（4）

阻尼力：

其方向的受力：

果树产生的惯性力：

偏心块A产生的惯性力：

偏心块B产生的惯性力：

采摘头机体产生的惯性力：

弹性力：

f=（10）

阻尼力：

式中，为偏心块质量，kg；为偏心距，m；1为偏心块A旋转角速度，rad/s；2为偏心块B旋转角速度，rad/s；为偏心块A、B距树干方向中心距，m；为偏心块A、B距树干方向中心距，m；1为夹持点处茶树的等效质量，kg；2为采摘头机体等效质量，kg；为系统的弹性系数，N/m；为系统的阻尼系数，N·s/m；为系统振动时间，s。

在采摘机采摘时力在方向和方向分别平衡，则有：

通过整理可得

当偏心块A和B以相同的加速度转动时有：

22cos（17）

由式（16）分析可知当方向的激振力为零时油茶树做自由振动并且始终处于平衡位置，因此，在采摘振动树干时树干始终在夹持机构方向的固定位置。

由式（18）方析可得

令3=(2+1+2)，式（18）可简化为

由系统的振动微分方程可得系统的稳态响应：

=cos(-) （20）

由系统的稳态响应可知茶树在方向为振动频率与激振频率相同的简谐振动。对式（20）求一阶和二阶导可得速度和加速度：

v=-sin(-) （21）

a=-2cos(-) （22）

由式（21）、式（22）可知道振幅一定时振动速度与加速度随激振频率的变化而变化，在激振时需要合理的控制激振频率使油茶果产生足够的惯性力与枝条分离。

4 采摘机构关键部件设计

4.1 激振机构设计

4.1.1偏心矩的计算

通常情况下振动机械的弹性力与阻尼力远小于机体的弹性力与阻尼力，在计算时通常将两者对机体振动的影响近似忽略。振动时偏心块产生与振动系统大小和方向近似相等的惯性力则振动偏心块的偏心距计算公式为

=2=2/t（23）

式中，S为系统全振幅（树干振动最大位移m）；为系统的振幅，m；为偏心块质量，kg；为偏心块偏心距，m；t为茶树等效质量，kg。

由式（21）、式（22）可知油茶果振动时产生的速度和加速度与振幅和振动频率有关，通过油茶青果振动采摘实验结果表明，当油茶树的振幅达到10 mm时有较好的采净率，因此，本次计算取全振幅为10 mm。油茶树等效质量测量比较复杂，LÁNG等人利用瑞利法估算10 cm左右的果树等效质量为180 kg[2]，本次油茶树等效质量取180 kg。

则偏心块的偏心矩为

==t/2=1 kg·m （24）

采摘机构采用一组相同的偏心块，则每一个偏心块的偏心矩为/2。

4.1.2偏心块结构设计

常见的偏心块结构有扇形结构、圆盘结构、重锤结构等。重锤结构偏心块可产生较大的激振力但工艺复杂，圆盘结构偏心块结构较为简单但产生的激振力较小，扇形结构偏心块加工难度和产生的偏心力介于扇形与重锤型两者之间本次设计偏心块采用扇形结构。偏心块的结构尺寸根据工作时所需的偏心矩设计。偏心块的质量和偏心距决定偏心矩的大小。

根据扇形偏心块的计算公式：

偏心块的材料选择为Q235，材料密度为 7.85 g/cm3，则偏心块的质量为

偏心块要符合强度和尺寸要求，综合考虑分别取1、2、为20 mm、30 mm、40 mm。则由式（24）、式（25）、式（26）可求得3=146 mm。

4.2 激振装置设计

偏心块激振力、功率计算：

工作时偏心块由电机驱动，一个偏心块所产生的离心力和大小取决于偏心块的振动频率和转动角速度。则有：

一组偏心块的激振力为

1=2=2（28）

式中，为一个偏心块产生的激振力，N；1为一组偏心块的激振力，N；为角速度，rad/s；为偏心矩，kg·m；

由于油茶特有的花果同期特性采摘时，花蕾与树枝的接合力、油茶果与果柄的结合力、叶与树枝的接合力都将影响采摘的效果。振动式油茶采摘机靠激振机构产生的激振力使茶果与茶树分离，但一定程度上也将会使花蕾振落。因此，选择合适的振动频率以减小对花蕾的伤害尤为重要。由式（21）、式（22）可知油茶果振动时产生的速度和加速度与振动频率有关。为了确定合适的采摘频率进行了油茶青果振动采摘实验，实验结果表明当振动频率在20～25 Hz时在油茶果采净率可达95%，花蕾的损伤率可控制在5%以下。

代入=1 kg·m，=25 Hz可得

振动机构的振动功率：

1=2=2=1×(2×3.14×25)2=24.65 kN （29）

式中，为偏心块产生的激振力，N；为偏心块质量，kg；为偏心块偏心距，m；为偏心块角速度，rad/s；

4.3 夹持装置设计

4.3.1夹持机构设计

夹持机构是向树干传递振动采摘头所产生激振力的部件，采摘机通过夹持机构准确牢固地夹持树干，有效的传递激振力。夹持机构的夹持效果和夹持稳定性直接影响采摘的效果。夹持机构如果设计的不合理不仅无法有效地传递激振力还会给夹持的树干造成损伤进而影响来年茶树的产量。在此对夹持机构设计提出要求：夹持机构的张开范围尽可能大，对不同树龄的茶树均要有较好的加紧作用；夹持机构应尽可能降低对树干的损伤，要求加紧力的大小要适宜。

根据夹持要求的不同，夹持机构大体可分为回转型和平动型两大类。回转型夹持机构的两个夹持手指各绕一定点做定轴转动，夹持物体时存在一定的侧向力一般适用于夹持较大的物体，采用回转型夹持机构由于机构的自身特性在加紧树干时存在侧向分力，对树干可能造成一定的滑动磨损影响加紧的可靠性。平动型夹持机构加紧动作时夹持手指做平移直线运动，夹持过程中没有侧向分力且夹紧稳定性高。本次设计的夹紧机构采用平动型，夹紧原理图如图2所示。

1—固定夹持板；2—活动夹持板；3—夹持连杆；4—夹持摇杆；5—液压缸。

夹持机构主要包括固定夹持板、活动夹持板、橡胶块夹板、夹持连杆、液压缸等。夹持机构的工作过程为液压缸一端与夹持摇杆铰接通过液压缸伸缩带动夹持摇杆4绕铰接点转动，4带动夹持连杆3运动，3带动活动夹持板做平移运动直至加紧树干。为了降低夹持机构对树干的损伤夹板的内侧选用橡胶块结构，当加紧树干时靠橡胶块与树干接触避免了由钢板与树干的挤压对树干造成伤害。橡胶块具有一定的弹性在加紧树干时不仅可以起到缓冲的作用还能保护树皮，加紧树干时橡胶块会向内凹陷形成与树干轮廓相匹配的圆弧增大与树干的接触面积，振动时也可以减小采摘头与树干间的移动。

4.3.2加紧力计算

加紧力的大小对保证稳定地传递激振力十分重要，但加紧力不是越大越好，加紧力过大将会对夹持的树干造成机械损伤对来年的产量造成一定的影响。本次夹持机构的加紧力参考机器人夹持机构加紧力的计算公式[4]：

≥123（32）

式中，为夹持机构加紧力，N；1为安全系数，常取1.2～2.0；2为工况系数；3为方向系数；为采摘头重量，kg。

工作时安全系数1取1.5，加紧前果树为静止状态，因此2取1，方位系数3取1.25。利用建模软件Solidworks对采摘头建模并对其质量进行评估得到采摘头质量为120 kg，由式（32）可得加紧力为

≥123=1.5×1.25×1×9.8×120

=2205 N （33）

BROWN G K等人对不同类型的夹持机构在振动过程对树干的损伤就行了研究，研究结果表明5～10 cm的树干在有橡胶块的保护下当加紧力不大于17.3 kN时不会对树干造成损害性的伤害[3]，本次设计的加紧机构加紧力远小于此值，因此，夹紧树干时不会对树干造成损伤。

4.4 采摘头减振机构设计

采摘方式为振动式采摘机在作业时将产生较大振动，采摘时树干需要振动力而机架不需要振动，机架受振会产生噪音且机架受到长时间的振动会对其他部件造成一定的影响减小零部件的使用寿命。且激振机构的能量过多地传递到机架会造成能量的损耗影响能量利用率。采摘头设计减振机构能够降低工作时噪音并降低能量损耗提高采摘系统工作的稳定性。

减振一般可选择液力减振机构或机械减振机构。液力减振应用于减振要求较高的场所，机械减振一般采用橡胶作为减振材料。橡胶内部阻尼远大于金属，有着较好的高频隔振性能。橡胶减振器结合牢固，可设计制造各种形状，具有价格低、重量轻、体积小等特点。目前工业上主要应用的减振橡胶主要由天然橡胶和丁腈橡胶。天然橡胶具有易加工稳定性较好等优点，但其内部阻尼较小使用易变形，工作一段时间后弹性降低使用寿命短。丁腈橡胶拥有较大的阻尼减振效果好、使用寿命长，因此本次橡胶减振器采用丁腈橡胶。

为了有效地降低采摘头与机架振动的传递将采摘头与机架设计成链环连接。振动采摘头部通过三个吊环与悬伸的机架相连，三个吊环呈等腰三角形布置，前面布置两个后面布置一个。为了提高减振效果，在吊环与振动采摘头和机架的连接部分均设置减振橡胶。当采摘头工作时在减振橡胶的衰减吸能作用下减小传递到机架的力，进而降低噪音提高零部件的使用寿命。

5 采摘头升降机构设计

油茶树植株间有着一定的高低差距且不同的油茶树主干与树杈的分枝高低位置有所不同，为了能够对不同长势的油茶树进行采收需要对振动采摘头的采摘高度提出要求。为了保证采摘头可靠的加紧树干，采摘头升降机构在升降时需要保证采摘头不能发生俯仰倾斜。为了实现升降要求本次设计采用平行四边形机构作为升降机构。当曲柄、绕机架做圆弧运动时连杆在平面内做平移运动。为了保证采摘头在升降过程中不发生俯仰和倾斜可以将采摘头安装于连杆上，曲柄、同步转动保持采摘头一直以合适的工作角度作业。

本次设计的采摘车车架两侧各布置一个平行四边形连杆机构且将两侧机构对应的连杆通过一根横梁相连。横梁与两个液压缸相连且通过液压缸的伸缩控制曲柄的旋转，采摘头总成安装于平行四边形机构的连杆上。当采摘作业需要夹持较高树干时液压杆伸出使采摘头总成整体抬高，当需要夹持较低的树干时液压杆收回使采摘头总成整体降低，较好的适应对不同油茶树的采摘作业。

6 收集装置设计

6.1 接载装置整体设计

为了解决茶果收集问题，本次采摘车设计了一种到伞形的接载装置[5]。通过对油茶树统计，油茶树高度在2 500 mm左右，树冠直径在2 000 mm左右，油茶主要挂果于300～2 200 mm的枝条上。根据油茶树的生长特性接载装置直径设计为2 000 mm，高度设计为500 mm。收集伞的伞面通过4根支撑骨架支撑，每一根支撑骨架均可绕底座转动靠近开口的两根骨架有电机驱动旋转。电机采用具有自锁特性的伺服电机，保证伞面展开后位置不会轻易发生改变。伞面采用poe材料，其具有一定的弹性，伞面完全展开后可在表面形成一定的张力保证伞面处于平滑展开状态。当采摘车未处于采摘作业时伞面处于收合状态，当进行采摘作业时支撑骨架驱动电机带动骨架旋转将伞面围绕树干展开，油茶果振动掉落到收集伞面中。

6.2 输送机构设计

采摘车采用倒伞型的收集装置将振动掉落的油茶果集中于收集伞的底部，由于收集箱与收集伞底部存在一定的高度差，因此，带式输送机需要采用水平——倾斜型的布置形式。带式输送机主要包括以下几个部分：输送带、驱动滚筒、托辊及中间架、张紧装置等。为了尽可能的提高采摘车的紧凑性，将输送机构和收集伞设计成一体的形式，收集伞的伞布拼接在输送机的两侧。当采摘车处于行驶或转运过程时，伞布收合到输送机的两侧；当进行采摘作业时，收集伞从带式输送机两侧张开对树干进行围绕，结构如图3所示。

图3 油茶采摘车三维图

7 关键部件有限元分析

7.1 偏心块静力学分析

本次偏心块使用螺钉与电机的转轴固定，在对偏心块分析中对轴孔处添加转动约束，偏心块的转速设置为1 500 r/min，划分网格的大小选择 2 mm。

由仿真分析结果可知最大应力出现在轴孔连接处为6.21 MPa，最大变形出现在偏心块外圈为7.86×10-4mm。由于最大应力远小于材料的屈服极限，偏心块的变形相对于整体尺寸可忽略不计，因此偏心块的强度完全满足工作条件。

7.2 偏心块模态分析

通过模态分析可以发现偏心块是否在工作时发生共振进而保证工作的可靠性。本次利用Work- bench对偏心块进行模态分析得到偏心块的前四阶固有频率和相应的振型。由分析可知，前四阶振型最大值在偏心块的最外围，前四阶的固有频率分别为2 622.1 Hz、2 707.9 Hz、4 869.5 Hz、6 630.6 Hz，偏心块主要工作频率在0～25 Hz，由于偏心块固有频率均不在工作范围内可知偏心块结构合理工作稳定。

8 总结

采摘车整体采用电能驱动，为了更好地适应复杂地形的采摘作业需求本次采摘车摒弃传统的轮式行走机构而采用了履带式底盘，在较差的行驶环境下提高采摘车的通过性扩大了采摘车的作业场合。油茶果采摘采用夹持振动式采摘方式在保证油茶果采净率的同时大大降低了花蕾的损伤率。掉落的油茶果通过收集伞与输送机运送到采摘车后方的收纳箱中。为了进一步提升自动化水平采摘车配备了自动驾驶采摘功能，在设定采摘车需要采摘的油茶范围后不需人工操作，采摘车依靠车载自动导航系统进行路径规划和运动控制完成采收一体化作业。考虑到复杂地理环境下的作业需求，采摘车在自动采摘的基础上可切换为人工遥控系统进行采摘作业，进一步扩大的采摘车的使用范围。

本次设计的采摘车不仅仅适用于油茶果的采摘。只要果树和果实具有油茶相似的特性就可以使用本产品进行果实采收。例如：核桃、红枣、开心果、杏等都可以适用于本设备采摘。进一步提升了采摘车的商用价值。

[1] 冯国坤,饶洪辉,许朋,等.油茶果与油茶花苞生物力学特性试验研究[J].农机化究,2014(12):187-191.

[2] LÁNG Z.A Fruit Tree Stability Model for Static and Dynamic Loading[J].Biosystems Engineering,2003,6 (4):461-466.

[3] BROWN G K,FRAHM J R,SEGERLIND L J,et al. Bark Strengths and Shaker Pads VS. Cherry Bark Damage during Harvesting[C]//ASABE Paper,Newwork: ASABE.1987:1266-1271.

[4] 杨公仆.工业机器人与机器人学[M].西安:西安交通大学出版社,1989:79-83.

[5] 牛长河,王学农.可移动式果实收集装置的设计[J].新疆农机化,2011(1):33-34.

Tracked Intelligent Oil Tea Picking Vehicle Picking and Storage Structure Design

ZHANG Boqiang1,2,3, LI Guobin3, JIN Quanjun*4, ZHANG Yanqiang3, YU Li3

( 1.Xu Chang Yuan Dong Drive Shaft Company Limited, Xuchang 461000, China; 2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471000, China;3.School of Mechanical and Electrical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China;4.Zhejiang Geely New Energy Commercial Vehicle Group Company Limited, Hangzhou 311228, China )

The study found that tea oil has high health care and nutritional value, which is loved by more and more consumers, but the problem of picking oil tea after maturity has become a major problem hinderingits development. Due to the unique "flower and fruit synchronization" charac- teristics of oil tea trees, the current mechanical picking is stopped at the primary stage, and the lack of manual picking labor and high labor costs hinder the development of oil tea industry. In view of the above problems, this paper designs a tracked intelligent oil tea picking car, introduces the design of the tracked intelligent oil tea picking car picking mechanism and storage mechanism, and conducts a finite element analysis to ensure the rationality of the design.

Tracked; Oil tea; Intelligent picking; Storage organization

U462

A

1671-7988(2023)11-127-07

张博强（1979－），男，博士，高级工程师，研究方向为智能专用车辆技术，E-mail:zhangboqiang@haut.edu.cn。

金泉军（1977－），男，高级工程师，研究方向为汽车材料开发与轻量化技术，E-mail:jqj2003@126.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.023