趙穎彪 陳 益 孫 權(quán) 陳芳嬌 王占領(lǐng) 王旭峰，3*

(1 塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 阿拉爾質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局， 新疆 阿拉爾 843300)(3 新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室， 新疆 阿拉爾 843300)

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太陽能果樹修枝鋸的設(shè)計與試驗

趙穎彪1陳 益2孫 權(quán)1陳芳嬌1王占領(lǐng)1王旭峰1，3*

(1 塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)(2 阿拉爾質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局， 新疆 阿拉爾 843300)(3 新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室， 新疆 阿拉爾 843300)

南疆地區(qū)果園一般為矮化密植種植模式，傳統(tǒng)的果樹修剪機修剪效率低、應(yīng)用效果較差。針對這一現(xiàn)狀，利用太陽能光伏發(fā)電原理，設(shè)計了一種能依靠太陽能提供電能的果樹修枝裝置。該裝置由太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和電動修枝鋸裝置組成，可在果園中移動使用。通過樣機的切割試驗，結(jié)果表明：該裝置可切割直徑≤50mm的新鮮果樹樹枝，切割效果可以，滿足南疆地區(qū)果園的作業(yè)要求；本裝置結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，能有效提高樹枝修剪效率，且節(jié)能明顯。

太陽能； 果樹修枝； 設(shè)計； 試驗

在我國的新疆南疆地區(qū)，林果種植已經(jīng)成為繼糧食、棉花之后的第三大農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。2012年林果種植面積已達到2 000萬畝，南疆特色林果業(yè)被列為新疆維吾爾自治區(qū)的四大支柱產(chǎn)業(yè)之一。南疆林果業(yè)的快速發(fā)展，對果園農(nóng)業(yè)機械化提出了新的要求。在南疆主要的果園產(chǎn)區(qū)，果園的管理仍是以人工管理模式，果樹的修剪是果園日常管理的主要任務(wù)之一。然而，由于日照條件充足，南疆果園均采用矮化密植種植模式，傳統(tǒng)的果樹修剪機械不能完全適應(yīng)矮化密植種植模式下的果樹修枝管理[1]。目前，國內(nèi)外主要的果樹修剪機械有手持背負式、車載式，自動式等多種形式，其中手持背負式是主流工具[2-3]。手持背負式果樹修剪機械又分為有動力和無動力兩種，其中有動力又可以按照驅(qū)動力的不同分為電動式、氣動式、液壓傳動、小型汽油柴油機等。據(jù)文獻報道[4]，電動剪刀式果樹修枝機效率較高，但手柄處直徑較大，工作時受到的沖擊力很大，而且蓄電池需要背負，增加作業(yè)人員的負擔(dān)，同時蓄電池不能滿足長時間工作的需要；華南熱帶作物機械研究所設(shè)計的3GS-8型修剪機是通過自動升降平臺，將工人送往不同的高度，進行人工修枝，不適宜于矮化密植種植模式的果樹修剪[5]；蔡良錐、方文熙等設(shè)計的 TJDH30-2型氣動式果樹修剪機單獨配備汽油或柴油空氣壓縮機，有較好的修枝性能，但在沒有機耕道的矮化密植模式果園運輸極為困難，不利于南疆果園的使用[6]；往復(fù)鋸條式或鏈鋸式修枝機通常為小型汽油機帶動，結(jié)構(gòu)簡單，效率高，視角和操作角度合適，但是操作過程振幅過大，操縱桿重，噪聲大，且能耗較大，工作舒適度也不高。

針對目前果樹修枝機的一些問題，本文結(jié)合南疆地區(qū)果園的種植模式和實際需要，根據(jù)太陽能發(fā)電原理，采用圓盤鋸片和柔性同步帶輪結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種移動型太陽能果樹修枝鋸，具有方便使用，性能平穩(wěn)可靠，能有效降低沖擊，減少震動等特點，同時又能保持較好的節(jié)能效果。

1 太陽能果樹修枝鋸的總體設(shè)計思路

南疆地區(qū)是我國太陽能資源最為豐富的地區(qū)之一，年日照時間達2 500～3 000小時，豐富的太陽能資源為太陽能的利用提供了可行性。太陽能驅(qū)動的果樹修枝機械能方便地獲取電能，滿足大面積果園移動式修剪作業(yè)的需要；而電動修剪機在修剪時的瞬時電流較大，與太陽能電源和結(jié)合特點不適宜，而電動鋸具備較好的樹枝切削性能，同時，電動鋸對電源的瞬時沖擊不大，工作較為平穩(wěn)；南疆林果業(yè)普遍為矮化密植種植方式，也不適宜于較高大型的果樹修剪機。因此，針對南疆地區(qū)林果業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和特點，設(shè)計一種既能夠滿足果園長時間移動式作業(yè)的需要，同時又具有快速切削樹枝的基于太陽能發(fā)電原理的果樹修枝鋸。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的一種系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換器是太陽能電池，又名光伏電池。當(dāng)太陽光照射到太陽能電池面板上時，電池吸收光能，形成帶電荷的粒子，并產(chǎn)生光電子空穴，在電池內(nèi)建電場的作用下，正負電荷分別向兩端移動，產(chǎn)生光伏電壓形成電能[7-8]。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，太陽能電池產(chǎn)生電能后，通過控制器向蓄電池組進行充放電控制，蓄電池組在系統(tǒng)中起穩(wěn)壓作用，直接提供直流電源向果樹修枝鋸提供驅(qū)動能量。

在修枝鋸機械裝置的設(shè)計上，采用圓盤鋸片和柔性同步帶輪結(jié)構(gòu)，使機械裝置運行平穩(wěn)，對太陽能系統(tǒng)無較大的瞬時沖擊負載，同時具有良好的鋸齒切削性能。

圖1 太陽能果樹修枝鋸設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖

2 核心部件的設(shè)計

南疆矮化密植種植模式下，果園中需修剪處理的果樹枝直徑一般為10～20 mm之間，為了提高修枝鋸的可靠性，需要對鋸齒的切削力等參數(shù)進行計算，本文選擇最大切削直徑為50 mm最大果樹枝作為設(shè)計參數(shù)，以保證切削的可靠性。

2.1 切削參數(shù)計算模型

2.1.1 切削力的計算

切削力是評價果樹切削性能的基礎(chǔ)，樹枝在切削過程中，刀具與木材之間的彈性和塑性變形的結(jié)果，同時也反映了刀具和機械所承受的載荷。在機械設(shè)計中切削力是確定切削機械所需輸入的動力、刀具及夾具設(shè)計的主要依據(jù)。切削力還是確定最佳切削條件的重要因素。

不同的木材類型和切削條件對切削力的計算會產(chǎn)生不同影響，因此，計算出的切削力在設(shè)計完成時還要經(jīng)過實際測試驗證。圓盤鋸片是由若干刀齒組成的整體，所以只需要分析和計算單個刀齒的切削力。最大切削力的計算公式為

(1)

公式(1)中：K—切削常數(shù)(查機械手冊，取14 N/mm1. 5)；

b—切削寬度，即鋸片的齒寬(根據(jù)最大的切削直徑選擇為2 mm)；

h—切削厚度，h可以為每個齒的切削平均厚度(取0. 01 mm)。

平均切削厚度與圓盤鋸片的進給速度，以及鋸片與樹枝的主偏角有關(guān)。進給速度越大，切削工效越高，但表面加工質(zhì)量會變差。由此計算出圓盤鋸片的單齒切削力為 F=2. 8 N。

2.1.2 切削功率的計算

切削功率是果樹修枝鋸電機等零件的設(shè)計依據(jù)，按果樹修枝鋸最大切削直徑為R=50mm，齒圓盤鋸選用標準細鋸齒數(shù)為40齒，齒距為7. 85 mm。在圓盤鋸切割過程，整個鋸片上均有一個以上的齒刀在切割樹枝，圓盤踞的切削力等于單個齒刀的切削力與同時參與切削的齒數(shù)的乘積，則圓盤鋸片的功率計算公式為：

p=M·ω·z/η

(2)

公式(2)中：

M—單齒的切削轉(zhuǎn)矩(N.m)；

ω—圓盤鋸片的角速度；

Z—為參與切削樹枝的齒數(shù)；

η—為機械效率(取0. 8)。

根據(jù)切削力可知，圓盤鋸的轉(zhuǎn)速為1 500r/min，則鋸片的角速度為157rad/s，以樹枝的最大切削直徑計算，則鋸片的最大切削齒數(shù)為2. 5，則切削功率的為P=54. 95～137. 4W。

2.2 電動果樹修枝鋸的設(shè)計

根據(jù)計算對切削參數(shù)的計算，設(shè)計電動果樹修枝鋸結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。電動修枝鋸是用角鐵作為機架，將長臂手柄與機架焊接為一體的設(shè)計。在機架的最前端安裝圓盤鋸片，一根主軸將圓盤鋸片與同步帶輪連接，主軸用兩個軸承支座固定在機架上。電動機固定在機架的另一端，驅(qū)動小同步帶輪轉(zhuǎn)動，通過同步帶將動力傳給大同步帶輪，從而帶動圓盤鋸片的轉(zhuǎn)動，達到切割樹枝的目的。軸承支座與電動機支座之間是可調(diào)的，以便于張緊皮帶輪。

圖2 電動果樹修枝鋸結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)切削參數(shù)的計算結(jié)果，選用RS775型永磁直流電動機，功率Pt=108W，額定電壓U=24V，額定電流I=4. 5A，額定轉(zhuǎn)速1 800r/min。果樹修枝機選用木工圓盤鋸片作為切削果樹枝條的作業(yè)工具，鋸片R=50mm，基片材料為65Mn，厚度為1. 2mm，齒寬為2mm，齒數(shù)為40齒。采用40齒的圓盤鋸片在鋸片的轉(zhuǎn)速、進給速度和外徑相同的條件下，增加鋸片齒數(shù)，可以增大參與切削嚙合的齒數(shù)，同時增大切削平面的光滑度。

2.3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計

圖3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計框圖

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖3所示，系統(tǒng)主要由太陽能電池陣列、蓄電池組，充放電控制器等元件組成。太陽能電池陣列采集太陽能源進行轉(zhuǎn)按鈕成電能，供給充電電路。充放電控制器主要由充電控制電路與放電控制電路組成，帶負載工作前，需要通過充電電路接收太陽能電池陣列的電能充電至畜電池組；工作時，則由畜電池組輸出穩(wěn)定的直流電源給修枝鋸負載進行作業(yè)。為了使用方便，將整個太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)集成到一個小推車上。具體的設(shè)計簡圖如圖4所示，太陽能電池置于小車頂部，兩端用螺栓固定，并且可以沿電池的中心軸轉(zhuǎn)動，以便于隨時調(diào)整電池板角度。將蓄電池放在小車底部，降低小車的重心，以防止側(cè)翻。充放電控制器安裝在小車的正前面，有利于對該系統(tǒng)的控制。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽能電池、充放電控制器、蓄電池之間用電線連接。為了使果樹修枝鋸使用方便，在小車內(nèi)加裝一個搖臂式收線滾筒，擴大了操作者的活動范圍，降低了使用過程中小車的移動頻率，減輕了操作人員的勞動強度。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵在于太陽能電池的選用，充放電控制器的設(shè)計以及蓄電池的容量設(shè)計與選型。設(shè)計時根據(jù)蓄電池負擔(dān)的工作部件所需的功率來設(shè)計蓄電池的容量，又可以根據(jù)充放電時間來選用適合的太陽能電池。

圖4 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)圖

2.3.1 太陽能電池的選型

太陽能電池的選擇依據(jù)電動修枝鋸的負載要求進行選擇。根據(jù)果樹修枝鋸的設(shè)計要求，電動機選用24V直流電機，按最大需求功率計算，則果樹修枝鋸的工作電壓UL=24V，工作電流為4A，容量為8A·h，K為電壓轉(zhuǎn)換率(通常取1. 43)，因此U= 34. 32V，選用太陽能電池時，選用36V的太陽能電池板。因此，選用型號為GHM-150太陽能電池，功率為150W，電壓為36V，電流為4. 29A。

2.3.2 充放電控制器的設(shè)計

控制器是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的主要部件，其可靠性直接影響整個系統(tǒng)及用電器的正常工作?？刂破靼凑仗柲茈姵亟M件的最大輸出功率選型，并且具有夜間防反充電保護、蓄電池過充放電保護、蓄電池開路保護、負載過電壓保護、輸出過載保護、輸出短路保護以及太陽能電池和蓄電池接反保護等功能,設(shè)計選用多脈沖寬度調(diào)制的充放電控制器。多脈沖寬度調(diào)制也就是PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，是利用多個脈沖信號來控制充電與放電的電子開關(guān)，脈沖的寬度則可以控制電子開關(guān)接通或斷開時間的長短。根據(jù)電動修枝鋸太陽能系統(tǒng)充電和放電分開進行的特點，選用國產(chǎn)MPT-36型多脈沖寬度調(diào)制充放電控制器。MPT-36型控制器采用IGBT電力電子元件進行脈沖寬度調(diào)制，具有控制穩(wěn)定、響應(yīng)速度快等特點，能很好地應(yīng)用于太陽能充放電的控制系統(tǒng)。

2.3.3 蓄電池組的容量設(shè)計

蓄電池組是存儲太陽能電池轉(zhuǎn)換的電能，工作時又給負載充電的裝置。由于太陽能電池輸出的能量是不穩(wěn)定的以及負載使用的不定時性，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)必須配備蓄電池才能夠提供對負載持續(xù)穩(wěn)定的能量。當(dāng)前使用的較為普遍的為鉛酸蓄電池，設(shè)計使用BW-24型鉛酸蓄電池組。

蓄電池組容量可根據(jù)公式(3)計算：

(3)

公式(3)中：B—為需要的蓄電池組容量(A·h)；

N—為維持天數(shù)；

t—為修正系數(shù)(取1. 35)；

DOD—為最大放電深度(深循環(huán)鉛蓄電池通常取0. 75)

通過計算，選取容量為24V8A·h的蓄電池組。

3 樣機的試驗分析

3.1 試驗條件和方法

根據(jù)設(shè)計內(nèi)容研制了一臺試驗用樣機，如圖5所示。為了驗證樣機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)參數(shù)的合理性，試驗組人員在塔里木大學(xué)實驗果園對果樹修枝鋸的切削效果進行了現(xiàn)場測試。

3.1.1 試驗前，準備了電流表、游標卡尺等，將小推車放置在太陽光下為蓄電池充電，并對果樹枝條進行測量，選取0～10mm、10～20mm、20～30mm、30～35mm、35～40mm、40～50mm這樣不等直徑范圍的6組果樹枝作為切削試驗樣品。

3.1.2 試驗時，將電流表串接在果樹修枝鋸和蓄電池之間，打開控制開關(guān)，記錄此時的電流值，然后對6組不同粗細的樹枝分別進行切割，并記錄各組切削時的電流值。

3.1.3 試驗時，通過對比果樹修枝鋸切割不同直徑的樹枝的切削能力、切削斷面的平整度和切削時電流的峰值。

圖5 太陽能果樹修枝鋸試驗用樣機

3.2 試驗結(jié)果與分析

通過對6種不同樹枝樣品的切削試驗，得出如表1所示的切削試驗數(shù)據(jù)。

3.2.1 對直徑30mm以下的樹枝能夠很容易切斷，且切削斷面平整，產(chǎn)生的峰值電流均小于蓄電池最大輸出電流。

3.2.2 對直徑30mm～50mm的樹枝進行切削時，電流峰值有明顯增加，表明切削阻力有所增加，但切削情況平穩(wěn)，蓄電池組供電情況良好。

表1 切削試驗數(shù)據(jù)記錄表

4 結(jié)論

通過對太陽能果樹修枝鋸的研究設(shè)計與試驗，表明了太陽能果樹修枝機適用于南疆地區(qū)果園的果樹枝修剪作業(yè)，具有較好的應(yīng)用前景。

4.1 太陽能果樹修枝鋸能靈活應(yīng)用，充電均可在果園進行，作業(yè)可進行移動式作業(yè)，使用方便，利于南疆地區(qū)矮化密植種植模式下的果樹修枝。

4.2 修枝裝置結(jié)構(gòu)簡單，效率高，振動和沖擊少。

4.3 試驗樣機在對直徑50mm以下的樹枝進行切削時，切削情況平穩(wěn)，切削斷面平整，太陽能供電情況良好。

4.4 本文所設(shè)計的裝置整體運行情況良好，可靠性高，與同等果樹修剪機相比，具備更高的切削效率，且具有良好的節(jié)能效果。

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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

國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(TDGCX201218)

趙穎彪(1990-)，男，2010級本科生，研究方向為農(nóng)業(yè)機械裝備。E-mail:839547201@qq.com

*為通訊作者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