手持式柑橘除梢机的设计与试验

手持式柑橘除梢机的设计与试验

叶昌晓ꎬ洪添胜ꎬ李㊀震ꎬ吴伟斌ꎬ王建波ꎬ刘㊀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ꎬ广州㊀５１０６４２)摘㊀要:针对目前柑橘人工除梢劳动强度大㊁效率低及反复性大等问题ꎬ通过分析柑橘新梢物理特性和生长环境ꎬ设计了一种手持式柑橘除梢机ꎻ阐述了该除梢机结构及工作原理ꎬ并对锯片和无刷电机等关键部件及切割线速度等工作参数进行了设计与试验ꎮ试验结果表明:该除梢机的除梢成功率为９３.８％ꎬ除梢后留茬长度理想率为８８.４％ꎻ该机最大工作高度达３.１ｍꎬ整机能连续工作１２ｈ以上ꎮ

关键词:果园机械ꎻ柑橘除梢机ꎻ柑橘新梢ꎻ手持式ꎻ柑橘黄龙病

中图分类号:Ｓ７７６.２７＋４㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ文章编号:１００３－１８８Ｘ(２０１９)０５－００８６－０５

０㊀引言

柑橘是一年多次抽发新梢的果树ꎬ其新梢按抽发时期可分为春梢㊁夏梢和秋梢ꎮ夏梢的抽发期与幼果的生长期重叠ꎬ夏梢的抽发与幼果争夺养发ꎬ引发幼果大量脱落ꎬ且容易引发病虫害[１]ꎬ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]ꎬ因此夏

梢和早期秋梢都需及时除去ꎮ目前ꎬ去除柑橘新梢主要有营养控梢㊁物理除梢和化学杀梢剂等技术手段ꎮ对于营养控梢法ꎬ新梢抽发的早期仍需进行除梢ꎬ且效果不显著[３]ꎻ若使用化学杀梢剂进行杀梢ꎬ极易对老叶及幼果产生药害ꎬ且对下季度新梢的抽发产生影响ꎬ从而影响树势[４]ꎮ目前ꎬ国内柑橘除梢工作仍以人工除梢为主ꎮ

柑橘新梢的抽发具有抽发量大㊁抽发周期长及抽发反复性高的特点ꎬ因此人工除梢是一项劳动强度大㊁劳动成本高㊁消耗时间长的工作ꎮ由于柑橘树树体高大ꎬ常需架梯作业ꎬ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ꎮ为此ꎬ设计了一种手持式柑橘除梢机ꎬ并进行了整机除梢性能试验ꎬ以期降低人工除梢强度㊁提高人工除梢效率ꎮ１㊀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ꎬ少数抽发在主干及分支上ꎮ果树树冠末端抽发的新梢位于两片收稿日期:２０１７－１２－２０

基金项目:国家现代农业柑橘产业技术体系建设专项(ＣＡＲＳ－２６)

作者简介:叶昌晓(１９９３－)ꎬ男ꎬ江西安远人ꎬ硕士研究生ꎬ(Ｅ－ｍａｉｌ)９６３２６４７７７＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ

通讯作者:李㊀震(１９８１－)ꎬ男ꎬ吉林大安人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ博士生导师ꎬ(Ｅ－ｍａｉｌ)ｌｉｚｈｅｎ＠ｓｃａｕ.ｅｄｕ.ｃｎꎮ或多片叶子之间ꎬ新梢抽发初期梢秆纤细ꎬ梢秆根部

直径在３ｍｍ左右ꎬ抽发初期的新梢具有含水率高㊁硬

度小和木质化程度低等特点ꎬ此时是去除柑橘新梢的

最佳时间ꎮ

我国柑橘种植规模虽然很大ꎬ但是我国９０％的柑

橘种植在丘陵山地上ꎬ且种植间距较窄ꎬ果树长大之

后果树间的作业空间更为狭窄ꎬ使得许多大中型果园

管理机械无法进入果园作业[５]ꎮ因此ꎬ针对我国柑橘种植情况及柑橘新梢特性ꎬ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ꎬ且留茬长度在１０ｍｍ以下较为理想ꎬ因

此要求切割刀具有良好的切削性ꎻ②由于新梢抽发在

茂密的树冠中ꎬ除梢机除掉新梢的同时应对果树其他

枝叶的损伤较小ꎻ③由于果树高矮不一ꎬ树冠大小不

同ꎬ该除梢机应能调节作业高度ꎬ适应不同的树高ꎻ④

该除梢机需结构简单㊁质量小㊁操作简单ꎬ以便在狭小

的果树间距里工作ꎮ

２㊀主要结构与工作原理

２.１㊀主要结构

柑橘除梢机主要由切割组件㊁伸缩杆组件及动力

控制组件等组成ꎬ如图１所示ꎮ切割组件由直流无刷

电机㊁电机连接轴套和圆锯片等组成ꎬ电机连接轴套

直接与电机输出轴连接ꎬ锯片通过螺母固定于电机连

接轴套上ꎻ伸缩杆组件由可伸缩铝管和铰接式连接头

组成ꎬ无刷电机通过法兰盘连接在伸缩杆组件上ꎻ动

力控制组件由无刷电调电子调速器㊁舵机测试仪和锂

电池组成ꎬ无刷电调电子调速器和锂电池外置于挂包

中ꎬ不计入整机总质量中ꎮ

１.铰接式连接头㊀２.法兰盘㊀３.直流无刷电机㊀４.电机连接轴套

５.圆锯片㊀６.伸缩杆㊀７.锂电池

８.舵机测试仪㊀９.无刷电调电子调速器

图１㊀柑橘除梢机整机示意图

Ｆｉｇ.１㊀Ｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｉｔｒｕｓｓｈｏｏｔｓｒｅｍｏｖｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ２.２㊀工作原理

柑橘除梢机作业时ꎬ以１１.１Ｖ的锂电池作为电源给无刷电机提供动力ꎬ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]ꎮ无刷电机启动后带动电机轴上安装的圆锯片高速旋转ꎬ高速旋转的圆锯片将新梢从根部适当位置切断ꎮ调整伸缩杆的伸缩量可改变作业高度ꎬ调整铰接式连接头可改变锯片的切割倾角ꎮ

２.３㊀主要技术参数

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

表１㊀柑橘除梢机主要技术参数

Ｔａｂｌｅ１㊀Ｔｈｅｍａｉｎｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｉｔｒｕｓｓｈｏｏｔｓｒｅｍｏｖｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ项目单位参数值

切割功率Ｗ２２

电机外形尺寸ｍｍ２７.８ˑ２８

伸缩杆工作长度ｍｍ６３０~１６００

圆锯片外径ｍｍ４４

整机质量ｇ３７０

电机转速ｒ/ｍｉｎ１５１９２３㊀关键部位设计及主要参数确定

３.１㊀除梢机切割组件设计

３.１.１㊀切割锯片的参数确定

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

图２㊀正视图倾角参数

Ｆｉｇ.２㊀Ａｎｇｌｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｖｉｅｗ

表２㊀新梢倾角参数

Ｔａｂｌｅ２㊀Ｔｈｅｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｈｏｏｔｓ(ʎ)㊀参数名称平均值最小值最大值标准差

叶梢倾角２７.７２０３３４.２

双叶倾角４１.９３６６３７.４㊀㊀通过对新梢几何参数的测量ꎬ且采用滑切的切割方式ꎬ为降低功耗ꎬ一般滑切角在２０ʎ~５５ʎ的范围内选取比较合适ꎮ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ꎬ锯片直径选择３５~５０ｍｍ为佳ꎮ本文选用直径为４４ｍｍꎬ齿数为３６ꎬ孔径为６.３５ｍｍꎬ厚度为０.８ｍｍꎬ前角为１５ʎ的高速钢圆锯片ꎮ３.１.２㊀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ꎬ由材料力学分析知ꎬ为获得更好的切割效果ꎬ应增大梢秆惯性力和梢秆的反弹力ꎬ因此除了尽可能降低割除