旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式藍(lán)莓收獲機(jī)采摘機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化.pdf

農(nóng)機(jī)化研究 Journal of Agricultural Mechanization Research ISSN 1003 188X CN 23 1233 S 農(nóng)機(jī)化研究 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)論文 題目 旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式藍(lán)莓收獲機(jī)采摘機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化 作者 才勝 鄧芝超 宗福樂 張世發(fā) 收稿日期 2024 01 28 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)日期 2025 01 23 引用格式 才勝 鄧芝超 宗福樂 張世發(fā) 旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式藍(lán)莓收獲機(jī)采摘機(jī)理分析與參 數(shù)優(yōu)化 J OL 農(nóng)機(jī)化研究 網(wǎng)絡(luò)首發(fā) 在編輯部工作流程中 稿件從錄用到出版要經(jīng)歷錄用定稿 排版定稿 整期匯編定稿等階 段 錄用定稿指內(nèi)容已經(jīng)確定 且通過同行評議 主編終審?fù)饪玫母寮?排版定稿指錄用定稿按照期 刊特定版式 包括網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)版式 排版后的稿件 可暫不確定出版年 卷 期和頁碼 整期匯編定稿指出 版年 卷 期 頁碼均已確定的印刷或數(shù)字出版的整期匯編稿件 錄用定稿網(wǎng)絡(luò)首發(fā)稿件內(nèi)容必須符合 出 版管理?xiàng)l例 和 期刊出版管理規(guī)定 的有關(guān)規(guī)定 學(xué)術(shù)研究成果具有創(chuàng)新性 科學(xué)性和先進(jìn)性 符合編 輯部對刊文的錄用要求 不存在學(xué)術(shù)不端行為及其他侵權(quán)行為 稿件內(nèi)容應(yīng)基本符合國家有關(guān)書刊編輯 出版的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 正確使用和統(tǒng)一規(guī)范語言文字 符號 數(shù)字 外文字母 法定計(jì)量單位及地圖標(biāo)注等 為確保錄用定稿網(wǎng)絡(luò)首發(fā)的嚴(yán)肅性 錄用定稿一經(jīng)發(fā)布 不得修改論文題目 作者 機(jī)構(gòu)名稱和學(xué)術(shù)內(nèi)容 只可基于編輯規(guī)范進(jìn)行少量文字的修改 出版確認(rèn) 紙質(zhì)期刊編輯部通過與 中國學(xué)術(shù)期刊 光盤版 電子雜志社有限公司簽約 在 中國 學(xué)術(shù)期刊 網(wǎng)絡(luò)版 出版?zhèn)鞑テ脚_上創(chuàng)辦與紙質(zhì)期刊內(nèi)容一致的網(wǎng)絡(luò)版 以單篇或整期出版形式 在印刷 出版之前刊發(fā)論文的錄用定稿 排版定稿 整期匯編定稿 因?yàn)?中國學(xué)術(shù)期刊 網(wǎng)絡(luò)版 是國家新聞出 版廣電總局批準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)連續(xù)型出版物 ISSN 2096 4188 CN 11 6037 Z 所以簽約期刊的網(wǎng)絡(luò)版上網(wǎng)絡(luò)首 發(fā)論文視為正式出版 農(nóng)機(jī)化研究 旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式藍(lán)莓收獲機(jī)采摘機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化 才 勝 鄧芝超 宗福樂 張世發(fā) 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 北京 摘 要 針對藍(lán)莓采收機(jī)械存在的熟果采凈率低 生果脫落率高等問題 以旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式藍(lán)莓采摘機(jī)為研究對象 分析藍(lán)莓 果實(shí)受到振動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)形式和受力情況 構(gòu)建了 果實(shí) 掛果側(cè)枝 動(dòng)力學(xué)模型 并對采摘裝置整體結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行 分析 利用達(dá)朗貝爾原理建立采摘裝置激振器的理論模型 分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律 基于以上工作內(nèi)容 建立采摘裝置和植株剛 柔耦合動(dòng)力學(xué)模型 以偏心塊角速度 振動(dòng)角度和采摘裝置移動(dòng)速度為影響因素 分析采摘裝置作用于藍(lán)莓植株時(shí) 藍(lán)莓 果實(shí)受到的振動(dòng)采摘力 并進(jìn)行單因素仿真分析 明確了各因素對果實(shí)受力的影響規(guī)律 確定了各因素取值范圍 最后 基于單因素仿真分析結(jié)果 進(jìn)行三因素三水平的正交仿真分析 通過極差分析法得到各因素對果實(shí)受力影響的主次順序 依次為振動(dòng)角度 偏心塊角速度和采摘裝置的移動(dòng)速度 能夠?qū)崿F(xiàn)較高果實(shí)采凈率和降低對植株損傷率的采摘參數(shù)組合 為偏心塊角速度 振動(dòng)角度 采摘裝置移動(dòng)速度 關(guān)鍵詞 藍(lán)莓收獲機(jī) 采摘裝置 理論模型 仿真分析 中圖分類號 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 文章編號 引 言 中國已成為亞太地區(qū)藍(lán)莓主要生產(chǎn)國 其種植面 積和產(chǎn)量分別占全球的 和 藍(lán)莓果 實(shí)的采收時(shí)間集中且周期短 在國內(nèi)大部分地區(qū) 藍(lán) 莓主要依賴人工采收 不僅效率低 成本高且勞動(dòng)強(qiáng)度 大 極大地制約了我國藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 因此 藍(lán) 莓機(jī)械化采收已成為藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢 根據(jù)采摘原理的差異 藍(lán)莓收獲機(jī)主要可分為機(jī) 械振動(dòng)式收獲機(jī) 氣動(dòng)式收獲機(jī) 和采收機(jī)器 人 其中 機(jī)械振動(dòng)式藍(lán)莓收獲機(jī)的研究起步較 早 相關(guān)技術(shù)已相對成熟 此種方法具備迅速有效 地分離果實(shí)的特點(diǎn) 非常適合大規(guī)模的采摘作業(yè) 在振動(dòng)采收理論方面 國內(nèi)外已展開大量的漿果采收 相關(guān)研究 為藍(lán)莓收獲機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基 礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備 針對藍(lán)莓采收機(jī)械存在的熟果采凈率低 生果脫 落率高和植株損傷嚴(yán)重等問題 以旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式藍(lán)莓采 摘機(jī)為研究對象 在考慮藍(lán)莓生物力學(xué)特性基礎(chǔ)上 對振 收稿日期 基金項(xiàng)目 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 作者簡介 才 勝 男 遼寧錦州人 副教授 碩士生導(dǎo)師 博士 動(dòng)采收機(jī)理進(jìn)行了理論分析 并建立了采摘裝置和植 株剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型 通過分析采摘裝置施加于藍(lán) 莓植株的振動(dòng)輸出響應(yīng)和對果實(shí)所施加的振動(dòng)力 確 定了偏心塊角速度 振動(dòng)角度和移動(dòng)速度在影響采摘 力方面的主次關(guān)系 并得出較優(yōu)工作參數(shù)組合 本文 旨在改善熟果采凈率 生果保持率且減少對植株造成 的損傷 以期為旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式藍(lán)莓采摘機(jī)設(shè)計(jì)與操作參 數(shù)調(diào)整提供依據(jù)和理論基礎(chǔ) 藍(lán)莓振動(dòng)采摘機(jī)理研究 藍(lán)莓采摘機(jī)利用激振器驅(qū)動(dòng)采摘桿運(yùn)動(dòng) 使植株 產(chǎn)生振動(dòng) 并將部分能量傳遞到藍(lán)莓果實(shí)上 隨著果 枝的運(yùn)動(dòng) 果實(shí)受到加速度的作用 同時(shí)也承受慣性 力 當(dāng)果實(shí)所受慣性力超過與果柄連接處的結(jié)合力 時(shí) 果實(shí)與果柄在離層處斷裂 果實(shí)脫落 藍(lán)莓果實(shí) 掛果側(cè)枝系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型 由于藍(lán)莓果實(shí)質(zhì)量較輕且與果柄連接緊密 其相 對于側(cè)枝的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍較小 因此扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對于果 實(shí)分離的影響可以忽略不計(jì) 藍(lán)莓振動(dòng)收獲機(jī)采摘 桿周向旋轉(zhuǎn)拍打 產(chǎn)生的激振力施加在樹干上 使果 實(shí)的懸掛點(diǎn)在水平面內(nèi)振動(dòng) 在采收裝置激振力的 作用下 樹枝主要呈水平往復(fù)運(yùn)動(dòng) 其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是與 系統(tǒng)激勵(lì)同頻率的簡諧變化量 因此 系統(tǒng)穩(wěn)定后 方向上的位移可表示為 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間 2025 01 23 09 02 58 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址 農(nóng)機(jī)化研究 式中 為振動(dòng)激勵(lì)處植株枝干在 軸方向上位 移的數(shù)值 單位 為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)振幅的數(shù)值 單位 為偏心塊角速度的數(shù)值 單位 為時(shí) 間的數(shù)值 單位 為相位角的數(shù)值 單位 由于 存在阻尼 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的相位比激勵(lì)滯后 角 為單 個(gè)偏心塊質(zhì)量的數(shù)值 單位 為偏心塊質(zhì)心半徑的 數(shù)值 單位 為樹干彈性系數(shù) 單位 為系 統(tǒng)總質(zhì)量的數(shù)值 單位 為系統(tǒng)等效粘性阻尼系 數(shù)的數(shù)值 單位 將強(qiáng)迫振動(dòng) 樹枝振動(dòng)和果實(shí)振動(dòng)簡化在同一平 面內(nèi) 從而使樹枝 果實(shí)和果柄的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)簡化為一 個(gè)運(yùn)動(dòng)的單擺系統(tǒng) 果實(shí) 掛果側(cè)枝運(yùn)動(dòng)模型如圖 所示 圖 果實(shí) 掛果側(cè)枝運(yùn)動(dòng)模型 以樹枝與果柄的結(jié)合點(diǎn) 建立相對坐標(biāo)系 果實(shí)在該坐標(biāo)系中的絕對坐標(biāo)為 果實(shí)的動(dòng)能 和勢能 分別為 式中 為分別果實(shí)在 和 方向初始位移的 數(shù)值 單位 為果柄長度的數(shù)值 單位 為果實(shí) 擺角的數(shù)值 單位 為果實(shí)質(zhì)量的數(shù)值 單位 為重力加速度的數(shù)值 單位 假設(shè)果實(shí)不受外界其他作用影響 導(dǎo)入拉格朗日 方程 得果實(shí)的振動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程為 由于藍(lán)莓果柄較短 果實(shí)在收獲過程中的振幅較 小 可令 并設(shè) 為果實(shí) 自由振動(dòng)固有頻率 簡化后的果實(shí)振動(dòng)方程為 由式 和式 聯(lián)合求解得 式中 為強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)樹枝振幅的數(shù)值 單位 其中 為振幅傳遞比 為強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)樹枝 振動(dòng)頻率的數(shù)值 單位 其中 為振動(dòng) 頻率傳遞比 藍(lán)莓果實(shí) 果柄分離條件 在振動(dòng)采摘過程中 果實(shí) 果柄和樹枝系統(tǒng)相當(dāng) 于一個(gè)運(yùn)動(dòng)的單擺系統(tǒng) 果實(shí)相對于樹枝與果柄的結(jié) 合點(diǎn) 呈往復(fù)圓周運(yùn)動(dòng) 如圖 所示 圖 藍(lán)莓果實(shí)受力分析 其中 果實(shí)所受慣性力 可分解為法向分力 和切向分力 即 式中 為慣性力的數(shù)值 單位 為果柄拉力 的數(shù)值 單位 為果實(shí)重力的數(shù)值 單位 為慣 性力法向分力的數(shù)值 單位 為慣性力切向分力 的數(shù)值 單位 為果實(shí)法向加速度的數(shù)值 單位 為果實(shí)切向加速度的數(shù)值 單位 為果 實(shí)半徑的數(shù)值 單位 在脫落時(shí) 果實(shí)自振頻率遠(yuǎn)低于強(qiáng)迫振動(dòng)頻率 式 中 項(xiàng)可省略 則 才勝等 旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式藍(lán)莓收獲機(jī)采摘機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化 由于果實(shí)體積質(zhì)量較小 可忽略果實(shí)直徑和重力 對果實(shí)分離的影響 當(dāng)果柄結(jié)合力小于果實(shí)法向慣性 力 判定果實(shí)脫落 即 將式 帶入式 可得 使用 中 函數(shù)對式 求解 其中 得到慣性力法向分力 以 下簡稱為采摘力 隨時(shí)間的變化曲線如圖 和圖 所 示 圖 不同偏心塊角速度下采摘力變化曲線 圖 不同質(zhì)徑積下采摘力變化曲線 由式 和圖 圖 可以推斷出藍(lán)莓植株對迫 振動(dòng)的響應(yīng)主要取決因素 振幅 振幅越大 藍(lán)莓 植株對迫振動(dòng)的響應(yīng)也越強(qiáng) 采收率亦隨之增加 但 過大的振幅會(huì)導(dǎo)致樹干和樹枝產(chǎn)生較大的擺動(dòng) 并可 能造成果實(shí)和果樹品質(zhì)損傷 相反地 過小的振幅則 無法達(dá)到良好的激振效果 激振頻率 即偏心塊角 速度 頻率越高 藍(lán)莓植株對迫振動(dòng)的響應(yīng)也越 強(qiáng) 采收率亦隨之增加 最佳夾持位置需相應(yīng)調(diào)整以 適配不同頻率 由于質(zhì)徑積與激振力成正比 因此當(dāng) 偏心塊質(zhì)徑積 增大時(shí) 藍(lán)莓植株所承受的激振力 農(nóng)機(jī)化研究 也隨之增加 導(dǎo)致其振幅變大 有助于提高藍(lán)莓果實(shí) 采凈率 但同時(shí)也可能會(huì)損傷植株 因此 應(yīng)合理選 擇偏心塊質(zhì)徑積 并控制好所施加在其上面的激振力 大小 以滿足既提高采凈率又降低對植株造成傷害的 需求 采摘裝置機(jī)構(gòu)原理與運(yùn)動(dòng)規(guī)律 結(jié)構(gòu)組成和工作原理 旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式藍(lán)莓采摘裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 所示 該裝置由支架 動(dòng)力組件 梳刷機(jī)構(gòu)和激振器 部分組成 其中 激振器作為產(chǎn)生激振力的重要元 件 由箱體 動(dòng)力輸出軸 從動(dòng)軸和偏心塊等部分構(gòu) 成 并且動(dòng)力輸出軸和從動(dòng)軸均由軸承安裝于箱體 內(nèi) 工作時(shí) 動(dòng)力組件驅(qū)使動(dòng)力輸出軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)行 并 推動(dòng)兩側(cè)從動(dòng)軸上的偏心塊進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn) 動(dòng)力組件 從動(dòng)軸 動(dòng)力輸出軸 卡箍 壓板 采摘桿 滾筒 支架 箱體 偏心塊 圖 旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式藍(lán)莓收獲機(jī)采摘裝置示意圖 在采摘裝置工作時(shí) 液壓馬達(dá)通過聯(lián)軸器將扭矩 傳遞至動(dòng)力輸出軸 動(dòng)力輸出軸通過同步帶分別驅(qū)動(dòng) 兩側(cè)偏心輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn) 對稱安裝的偏心輪在旋轉(zhuǎn)過 程中產(chǎn)生大小相等 方向相反的離心力 該離心力經(jīng) 由自轉(zhuǎn)軸傳遞至箱體 形成了一對力偶 從而產(chǎn)生旋 轉(zhuǎn)力矩 當(dāng)此力矩周期性地交替變化其大小和方向 時(shí) 激振器和振刷機(jī)構(gòu)被驅(qū)動(dòng)執(zhí)行周向往復(fù)運(yùn)動(dòng) 在 采摘裝置經(jīng)過藍(lán)莓植株時(shí) 周向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的采摘桿對 枝干施加往復(fù)作用力 使枝干通過側(cè)枝帶動(dòng)果實(shí)加速 運(yùn)動(dòng) 并在慣性力的作用下 實(shí)現(xiàn)果實(shí)與果柄的分 離 采摘裝置運(yùn)動(dòng)分析 激振器的偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心慣性力 通過自轉(zhuǎn) 軸傳遞給箱體 作用在箱體上的力形成一對力偶 此 力偶矩驅(qū)動(dòng)箱體繞公轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 并帶動(dòng)整個(gè)采摘裝置 運(yùn)動(dòng) 隨著偏心塊和箱體的相對旋轉(zhuǎn) 激振力矩不斷 變化 如圖 所示 圖 采摘裝置運(yùn)動(dòng)分析示意圖 動(dòng)力元件通過聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)動(dòng)力輸出軸旋轉(zhuǎn) 動(dòng)力 輸出軸通過同步帶分別帶動(dòng)第一偏心塊和第二偏心 塊進(jìn)行同向旋轉(zhuǎn) 激振器的兩個(gè)偏心塊大小相等且 位置對稱 以相同角速度運(yùn)動(dòng) 當(dāng)兩偏心塊與箱體的 相對位置如圖 所示時(shí) 兩偏心塊分別在兩 從動(dòng)軸上產(chǎn)生大小相等 方向相反的力 兩個(gè)力互相 抵消 合力矩為 當(dāng)兩偏心塊與箱體的相對位置如圖 所示時(shí) 兩偏心塊分別分別在兩從動(dòng)軸上 產(chǎn)生大小相等 方向相反 作用線平行的力 此時(shí)合力 矩最大 在該力矩作用下箱體和梳刷機(jī)構(gòu)趨于順時(shí)針 或逆時(shí)針變速運(yùn)動(dòng) 當(dāng)兩偏心塊與箱體的相對位置如 圖 所示時(shí) 兩從動(dòng)軸所受力 和 可分解 為沿兩偏心塊軸心連線的分力 和垂直于兩偏 心塊軸心連線的分力 其中 和 相互 抵消 和 產(chǎn)生順時(shí)針或逆時(shí)針方向的力矩 在 此力矩驅(qū)動(dòng)下箱體和梳刷機(jī)構(gòu)有做順時(shí)針或逆時(shí)針 變速運(yùn)動(dòng)的趨勢 綜上所述 當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度 在 范圍內(nèi) 力矩沿逆時(shí)針方向驅(qū)動(dòng)箱體 且梳刷機(jī) 構(gòu)產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢 當(dāng) 在 范圍內(nèi) 力矩 沿順時(shí)針方向驅(qū)動(dòng)箱體 且梳刷機(jī)構(gòu)產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 趨勢 激振器運(yùn)動(dòng)模型 激振器利用偏心塊高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩來驅(qū)動(dòng) 梳刷機(jī)構(gòu)進(jìn)行變速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 當(dāng)剛體繞與對稱面垂 直的定軸旋轉(zhuǎn)時(shí) 慣性力系可以簡化為作用在對稱面 內(nèi)部和垂直于對稱面定軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的力偶 激振 才勝等 旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式藍(lán)莓收獲機(jī)采摘機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化 器和梳刷機(jī)構(gòu)的變速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由相對慣性力和牽 連慣性力所驅(qū)動(dòng) 而這些都是由偏心塊的旋轉(zhuǎn)引起 的 由于激振器公轉(zhuǎn)軸經(jīng)過其質(zhì)心 因此可以將慣性 力系簡化為作用在質(zhì)心上的一個(gè)力矩 建立以質(zhì) 心為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)系 見圖 根據(jù)達(dá)朗貝爾定理 和動(dòng)量守恒定理可分別表示出相對于質(zhì)心 而言 激 振器所受到的力矩 為 式中 為激振器相對質(zhì)心 力矩的數(shù)值 單位 為激振器箱體角加速度的數(shù)值 單位 為激振器總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的數(shù)值 單位 為箱 體對質(zhì)心 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的數(shù)值 單位 由于箱體 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對于偏心塊對公轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小得 多 因此忽略其對激振器運(yùn)動(dòng)的影響 即 為偏心塊對質(zhì)心 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的數(shù)值 單位 為激振器箱體質(zhì)量的數(shù)值 單位 為偏心塊自轉(zhuǎn)軸 與公轉(zhuǎn)軸距離的數(shù)值 單位 圖 激振器運(yùn)動(dòng)學(xué)分析示意圖 根據(jù)平行軸定理 偏心塊對質(zhì)心 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 滿足 式中 為偏心塊對其質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的數(shù) 值 單位 為偏心塊質(zhì)心繞質(zhì)心 運(yùn)動(dòng)軌跡 半徑的數(shù)值 單位 偏心塊質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為 由余弦定理可知偏心塊質(zhì)心繞 軸的軌跡半 徑為 根據(jù)動(dòng)量守恒 將偏心塊相對于自轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量近似分割為大半圓的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 小半圓的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量 半個(gè)空心圓柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 大矩形的轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量 和小矩形的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 如圖 所示 則偏心塊對其質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可表示為 式中 為偏心塊密度的數(shù)值 單位 為 偏心塊外圓半徑的數(shù)值 單位 為偏心塊厚度的 數(shù)值 單位 為偏心塊轉(zhuǎn)軸套厚度的數(shù)值 單位 為偏心塊扇形端面到軸心垂直距離的數(shù)值 單位 為偏心塊軸套外半徑的數(shù)值 單位 為偏心 塊軸套內(nèi)孔半徑的數(shù)值 單位 圖 偏心塊分割示意圖 由式 式 求解 激振器箱體運(yùn)動(dòng)角速 度為 由 求導(dǎo)得到激振器箱體運(yùn)動(dòng)的角加速度為 假設(shè) 求出箱體在 內(nèi)角速 度 角加速度 其隨時(shí)間變化曲線如圖 所示 由圖 可知 箱體的角速度和角加速度曲線是近 似規(guī)律的簡諧曲線 二者的振動(dòng)周期基本相同 約為 在 范圍內(nèi) 箱體角加速度先增加后 減小 恒為正 且 時(shí)角加速度達(dá)到最大 農(nóng)機(jī)化研究 因?yàn)?時(shí)箱體角速度為負(fù) 所以 范圍內(nèi) 箱體角速度一直在減小 且 時(shí)角速度達(dá)到最 小 同理 在 范圍內(nèi) 箱體角加速度先增 加后減小 恒為負(fù) 且 時(shí)角加速度達(dá)到 最大 由于此時(shí)箱體角速度依然為負(fù) 所以 范圍內(nèi) 箱體角速度一直在增加 且 時(shí)角 速度達(dá)到最大 圖 箱體運(yùn)動(dòng)角速度和角加速度隨時(shí)間變化曲線 藍(lán)莓采摘仿真研究 模型的建立與材料屬性定義 本次建模在盡可能貼近植株外形基礎(chǔ)上將藍(lán)莓 植株簡化為枝干 側(cè)枝 果柄和果實(shí) 將簡化后采摘 裝置與藍(lán)莓植株幾何模型以 格式從 導(dǎo)入 進(jìn)行分析 各構(gòu)件的材料屬性如表 所 示 表 材料屬性 名稱 密度 彈性模量 泊松比 藍(lán)莓植株 藍(lán)莓果實(shí) 采摘桿 偏心塊 滾筒 箱體 約束和驅(qū)動(dòng)的添加 根據(jù)采摘裝置 藍(lán)莓植株系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況 在 動(dòng)力輸出軸與箱體之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加驅(qū)動(dòng)并定義 轉(zhuǎn)速 在兩個(gè)從動(dòng)軸與動(dòng)力輸出軸之間分別添加耦 合副 使從動(dòng)軸與動(dòng)力輸出軸做同步轉(zhuǎn)動(dòng) 在藍(lán)莓植 株與地面之間的移動(dòng)副上添加驅(qū)動(dòng)并定義水平移動(dòng) 速度 見圖 采摘桿與果枝之間添加接觸力 接觸 力的接觸剛度為 阻尼系數(shù)為剛度系數(shù) 的 穿透深度取 圖 約束關(guān)系與運(yùn)動(dòng)副示意圖 研究方法 根據(jù)對采摘裝置振動(dòng)機(jī)理的分析 以偏心塊角速 度 振動(dòng)角度 和裝置移 動(dòng)速度 為影響因素 以藍(lán)莓果實(shí)所 受采摘力為指標(biāo) 探討梳刷機(jī)構(gòu)在周向往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)對 果實(shí)受力的影響 本文選取并測量了 個(gè)觀測點(diǎn) 果實(shí)的受力情況 見圖 并分析確定了各因 素對果實(shí)受力影響的主次順序 以及較優(yōu)采摘參數(shù)組 合 試驗(yàn)因素編碼如表 所示 圖 采摘裝置與藍(lán)莓有限元模型 表 單因素仿真分析因素水平表 水平 因素 注 為該因素為定量時(shí)的取值 才勝等 旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式藍(lán)莓收獲機(jī)采摘機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化 研究結(jié)果分析 偏心塊角速度 不同偏心塊角速度下的果實(shí)受力情況如圖 所 示 隨著偏心塊角速度增加 點(diǎn)果實(shí)受力持續(xù)增 加 而 和 點(diǎn)果實(shí)受力波動(dòng)較大 但總體呈增大 趨勢 因此 增大偏心塊角速度有利于提高藍(lán)莓果實(shí) 采凈率 當(dāng)偏心塊角速度為 時(shí) 各觀測 點(diǎn)處的果實(shí)受力均大于熟果 果柄間最大結(jié)合力 并小于生果 果柄間最小結(jié)合力 滿足 摘熟留生 的要求 熟果 果柄間結(jié)合力約為 生果 果柄間結(jié)合力約為 當(dāng)偏心塊角速度超過 時(shí) 和 點(diǎn)果實(shí)受力大于生果 果柄間最小結(jié)合力 可能導(dǎo) 致部分生果脫落 而當(dāng)偏心塊角速度低于 時(shí) 各點(diǎn)果實(shí)受力小于熟果 果柄間最小結(jié)合力 可能 導(dǎo)致部分熟果未能脫落 綜上所述 為提高熟果采凈 率的同時(shí)降低生果脫落率 應(yīng)將偏心塊角速度控制在 圖 不同偏心塊角速度下各點(diǎn)果實(shí)受力變化圖 振動(dòng)角度 不同振動(dòng)角度下各點(diǎn)果實(shí)受力變化圖如圖 所 示 由圖 可以觀察到 隨著振動(dòng)角度 梳刷機(jī)構(gòu)在 周向往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大擺角 增加 點(diǎn)果實(shí)受力持 續(xù)增大 而 和 點(diǎn)果實(shí)受力略微波動(dòng)但總體呈上 升趨勢 這些現(xiàn)象表明增大梳刷機(jī)構(gòu)的振動(dòng)角度有 利于提高藍(lán)莓果實(shí)采凈率 當(dāng)振動(dòng)角度處于 之間時(shí) 果實(shí)所受力大多超過熟果 果柄結(jié)合最大力 并小于生果 果柄結(jié)合最小力 基本滿足 摘熟留生 的要求 當(dāng)振動(dòng)角度超過 時(shí) 和 點(diǎn)果實(shí)所 受采摘力在 范圍內(nèi) 同樣能滿足采 摘需要 然而 當(dāng)振動(dòng)角度大于 點(diǎn)果實(shí)所受 的采摘力急劇增加 已經(jīng)遠(yuǎn)超過生果 果柄最小結(jié)合 力 最終可能導(dǎo)致生果脫落率較高 從仿真分析結(jié)果 來看 采摘裝置振動(dòng)角度應(yīng)控制在 以內(nèi) 圖 不同振動(dòng)角度下各點(diǎn)果實(shí)受力變化圖 移動(dòng)速度 不同移動(dòng)速度下各點(diǎn)果實(shí)受力變化如圖 所示 隨著采摘裝置移動(dòng)速度的增加 點(diǎn)果實(shí)受力略微波 動(dòng) 但整體變化不顯著 點(diǎn)果實(shí)受力逐漸減小 而 點(diǎn)果實(shí)受力呈現(xiàn)輕微波動(dòng)趨勢 但總體上呈現(xiàn)減小 的趨勢 因此 增大采摘裝置移動(dòng)速度并不利于提高 藍(lán)莓果實(shí)采凈率 當(dāng)采摘裝置移動(dòng)速度不超過 時(shí) 各點(diǎn)果實(shí)所受力均超過熟果 果柄間最 大結(jié)合力 并低于生果 果柄間最小結(jié)合力 滿足藍(lán)莓 采摘要求 當(dāng)采摘裝置移動(dòng)速度超過 時(shí) 點(diǎn)的果實(shí)受力小于 可能導(dǎo)致部分成熟果未能 被摘取下來 從而降低藍(lán)莓成熟果實(shí)的采收率 因 此 通過仿真結(jié)果可知 采摘裝置的移動(dòng)速度應(yīng)保持 不超過 圖 不同移動(dòng)速度下各點(diǎn)果實(shí)受力變化圖 農(nóng)機(jī)化研究 多因素仿真分析 由以上結(jié)果分析可知 偏心塊角速度的合理范圍 為 采摘裝置振動(dòng)角度應(yīng)不超過 而 采摘裝置移動(dòng)速度小于 為研究各因素的 影響 確定最佳工作參數(shù)組合 本文使用正交表 設(shè)計(jì)了三因素自變量的方案 并在每個(gè)因素等間 距選取 個(gè)水平 見表 進(jìn)行多因素正交仿真分析 表 多因素正交仿真分析因素水平表 水平 因素 多因素正交方案設(shè)計(jì)和仿真分析結(jié)果如表 和表 所示 以各因素水平為橫坐標(biāo) 為縱坐標(biāo) 在 圖 中繪制了各因素不同水平下的 曲線 通 過比較各 值的大小 綜合分析可得出 的結(jié)論 由于極差能夠反映各因素對試驗(yàn)指標(biāo)影響程 度的大小 故果實(shí)受力影響主次順序?yàn)?即振 動(dòng)角度對果實(shí)受力影響最大 其次是偏心塊角速度 而 移動(dòng)速度對果實(shí)受力影響相對較小 表 多因素正交仿真方案及結(jié)果表 水平 因素 采摘力均方根值 表 多因素正交仿真結(jié)果分析表 觀測點(diǎn) 因素 注 為某因素某水平下對應(yīng)采摘力均方根值的加和值 指代 水平 為某因素某水平下對應(yīng)的采摘力均方根值的平均值 為因素極差值 圖 各因素各水平下 圖 才勝等 旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式藍(lán)莓收獲機(jī)采摘機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化 對于 和 點(diǎn) 較優(yōu)參數(shù)組合為 通過 仿真得出 和 點(diǎn)果實(shí)所受采摘力的均方根值 分別為 和 可以觀察到 在該參 數(shù)組合下 點(diǎn)果實(shí)承受的力大于生果 果柄間最小 結(jié)合力 可能導(dǎo)致部分生果脫落 對于 的較優(yōu)參數(shù) 組合為 在此參數(shù)組合下 仿真得出 和 點(diǎn)果實(shí)所受采摘力的均方根值分別為 和 各點(diǎn)果實(shí)所受力都大于成熟果 果柄間的 最大結(jié)合力 并小于生果 果柄間最小結(jié)合力 能夠滿 足 摘熟留生 的采摘要求 因此 從仿真結(jié)果分析可 知 當(dāng)偏心塊角速度為 振動(dòng)角度為 和采摘 裝置移動(dòng)速度為 時(shí) 能夠達(dá)到最佳的采摘效 果 結(jié) 論 根據(jù)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)收獲機(jī)的工作原理 對藍(lán)莓植株 受迫振動(dòng)過程進(jìn)行簡化 并建立了 掛果側(cè)枝 果實(shí) 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型 通過解析法求解系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué) 微分方程 得到了植株在受迫振動(dòng)下的響應(yīng) 并基于 對藍(lán)莓振動(dòng)分離時(shí)運(yùn)動(dòng)情況和提出的假設(shè)條件 對生 長在細(xì)長側(cè)枝上的果實(shí)進(jìn)行建模 并對影響植株響應(yīng) 的主要因素進(jìn)行了分析 根據(jù)理論分析結(jié)果 本文對旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式藍(lán)莓采 摘裝置整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹 并詳細(xì)分析了其運(yùn)動(dòng)原 理 利用達(dá)朗貝爾原理建立了偏心塊的簡化模型 并 進(jìn)一步建立了激振器箱體的運(yùn)動(dòng)模型 對其運(yùn)動(dòng)規(guī)律 進(jìn)行了深入分析 將構(gòu)建的采摘裝置和藍(lán)莓植株三維簡化模型 導(dǎo)入到 軟件中 對采摘桿和藍(lán)莓植株進(jìn)行柔 性化處理 添加約束關(guān)系 驅(qū)動(dòng)和接觸等參數(shù) 以得到 系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ?隨后通過單因素仿真分析考察 偏心塊角速度 振動(dòng)角度和采摘裝置移動(dòng)速度對果實(shí) 受力的影響 并確定了各因素取值范圍 最后基于單 因素仿真分析結(jié)果 進(jìn)行三因素三水平的正交仿真分 析 并利用極差分析法確定了各因素對果實(shí)受力影響 的主次順序 振動(dòng)角度 偏心塊角速度 采摘裝置移 動(dòng)速度 在此基礎(chǔ)上 得到了能夠?qū)崿F(xiàn)較高果實(shí)采凈 率并降低對植株損傷率的最佳參數(shù)組合 偏心塊角速 度 振動(dòng)角度 和采摘裝置移動(dòng)速度 參考文獻(xiàn) 李亞東 蓋禹含 王芳 等 年全球藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù) 報(bào)告 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 劉慶忠 朱東姿 王甲威 等 世界藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn) 狀 中國篇 落葉果樹 李麗敏 我國藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)布局及關(guān)鍵技術(shù)研究 中國 農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 王文遠(yuǎn) 富榮昌 曹富 基于動(dòng)捕對仿人采摘機(jī)械臂運(yùn) 動(dòng)學(xué)分析與仿真 農(nóng)機(jī)化研究 王海濱 郭艷玲 鮑玉冬 等 振動(dòng)式藍(lán)莓采摘的機(jī)理 分析與仿真 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 許林云 劉冠華 宣言 等 果實(shí)振動(dòng)響應(yīng)時(shí)的空中運(yùn) 動(dòng)數(shù)學(xué)模型 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 何宇 氣吸式小漿果收獲機(jī)設(shè)計(jì)及輸送系統(tǒng)參數(shù)的試 驗(yàn)研究 哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 趙永超 孔德剛 霍俊偉 等 氣吸式小漿果撿拾輸送 裝置仿真與試驗(yàn) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 張韻 氣吸式小漿果收獲機(jī)采摘頭參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)研 究 哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 郭凱敏 崔天時(shí) 張楨 等 西紅柿采摘機(jī)器人視覺系 統(tǒng)的研究 農(nóng)機(jī)化研究 趙子葳 果實(shí)采摘機(jī)器人視覺系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 長春 長春理工大學(xué) 徐潺 范艷 張成玉 等 適用于山地手持式電動(dòng)藍(lán)莓 采摘機(jī)的研制 農(nóng)機(jī)化研究 呂洋 梳齒式藍(lán)莓采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究 大慶 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 葛笑寒 采摘機(jī)器人執(zhí)行末端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 基于 農(nóng)機(jī)化研究 三自由度控制 農(nóng)機(jī)化研究 朱惠斌 張文鍇 曹科高 等 云南山地核桃振動(dòng)采摘 機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究 農(nóng)機(jī)化研究 鮑玉冬 梁釗 趙彥玲 等 藍(lán)莓采收機(jī)高通過性自行 走裝置設(shè)計(jì)及性能研究 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 彭俊 孫世鵬 傅隆生 機(jī)械振動(dòng)式沙棘采收的動(dòng)力學(xué) 研究 農(nóng)機(jī)化研究 王業(yè)成 陳海濤 林青 黑加侖采收裝置參數(shù)的優(yōu)化 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 范暉 李志晶 李明明 等 手持式草莓采摘收集一體 化裝置的設(shè)計(jì) 農(nóng)機(jī)化研究 劉魏 振動(dòng)式藍(lán)莓采摘裝置工作參數(shù)的試驗(yàn)研究 哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 王長勤 偏心式林果振動(dòng)采收機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究 南京 南京林業(yè)大學(xué) 伍德林 趙恩龍 姜山 等 基于能量傳遞規(guī)律的油茶樹 冠層振動(dòng)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn) 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 李志鵬 藍(lán)莓采摘機(jī)采摘策略及軌跡規(guī)劃研究 哈爾濱 東北林業(yè)大學(xué)