桑葚主干低阶共振频率试验及振动采摘装置设计

随着桑葚产业的多元化发展,桑葚的种植面积逐年增加,仅依靠人工实现桑葚采收难以满足生产需求,因而机械化采摘成为桑葚采摘的发展方向。振动采收桑葚是机械化采收的有效方法[1],研究桑葚振动脱落特性及设计相关振动采收设备对桑葚产业的健康发展具有重要价值。为此,通过桑葚主干低阶共振频率试验,获取了桑葚主干的低阶共振频率;完成便携式桑葚振动采摘装置的设计和试制,并进行验证试验。结果表明:当采收的桑葚二级主干直径为40~50mm范围、激振频率大于6.11Hz时,虽然能实现较高的桑果收获率,却造成未成熟桑果脱落;当激振频率大于8Hz时,造成桑葚植株树皮外表面破裂;激振频率较小时,则获得较低的桑果收获率。因此,建议当振动采摘的二级主干直径在40~50mm范围内时,桑果振动采收的最适宜激振频率范围为5~6 Hz,即电机实时转速为9 0 0~1 1 0 0 r/min。     

高酸苹果振动式采摘机设计与试验

为解决高酸苹果收获过程中的效率低、果实摘净率低、损伤率高等问题,根据我国青岛地区高酸苹果实际收获需要,设计了一种液压控制的高酸苹果振动式采摘机。基于振动式采摘机工作原理,完成振动采摘装置、激振装置、液压控制系统的结构设计,计算分析夹持钳对树干的夹持力为7 254 N,夹持钳夹持高度范围为12～103 cm。建立高酸苹果果实-树枝单摆动力学模型,分析果实脱落条件,得到果实振动微分方程,确定振动频率、振幅、夹持高度为采摘效果主要影响因素;利用ANSYS软件对果树模型进行自由模态响应与谐响应仿真分析,结果表明：振动频率9～12 Hz、振幅1～2 cm、夹持高度40～70 cm时,三级、最次级树枝位移最明显。为确定采摘机最优工作参数,进行三因素三水平组合田间试验,得到果实摘净率、果实损伤率的回归模型,利用Design-Expert软件对试验数据和回归模型响应曲面进行分析优化,当振动频率为10.0 Hz、振幅为1.6 cm、夹持高度为58.7 cm时,果实摘净率为95.9%、果实损伤率为1.3%,满足高酸苹果采收的质量要求。     

摇枝式加工型苹果采摘振动参数仿真优化与试验

为探究不同振动参数组合对苹果采摘效果的影响,建立苹果树二级树枝振动力学模型,解析分析得到影响苹果脱落的主要因素为振动频率、振幅及夹持位置。测量苹果树形态特征并基于矮砧密植整形原理建立纺锤形苹果树三维模型,利用ANSYS软件对苹果树模型进行有限元仿真分析,仿真结果表明,振动频率4~8Hz、振幅20~30mm、夹持位置0.35l~0.65l（l为二级树枝长度）时,对果树损伤较小且苹果易脱落。设计四因素三水平振动采摘试验,以确定苹果树不同位置树枝最佳的振动参数组合,利用Design-Expert软件对试验数据进行分析和响应面优化,参数优化结果为：采摘苹果树上层苹果时,振动频率为5Hz,振幅为28mm,夹持位置为0.40l;采摘苹果树中层苹果时,振动频率为4Hz,振幅为30mm,夹持位置为0.43l;采摘苹果树下层苹果时,振动频率为8Hz,振幅为20mm,夹持位置为0.65l;通过验证试验得到苹果树上层、中层、下层摘净率为96.4%、94.8%、93.2%,与优化值相近,表明优化模型可靠。     

振摇枸杞采收机设计与试验

目前我国枸杞采收仍然以人工采收为主,但人工采收存在效率低、成本高等问题。为此,根据枸杞挂果枝条的生长特性,分析了枸杞果实果柄机械分离的条件,建立了果实脱落的动力学模型,设计了一种振摇枸杞采收机,并通过求解模型得出影响果实脱落的3个参数:振摇频率、振幅和指排间距。利用ADAMS对简化后的模型进行动力学仿真分析,通过检测果实果柄惯性力的变化,确定了参数的取值范围。将采净率、采青率和损伤率作为采收效果评价指标,设置不同的参数进行正交试验,得出最佳参数组合为:振摇频率12 Hz、振幅40 mm和指排间距100 mm,在该条件下振摇枸杞采收机的采净率为93.52%,采青率为5.72%,损伤率为2.54%,满足对枸杞采收的质量要求,采收效率为485 g/min,是人工采摘效率的5.5倍。     

基于双摆模型的油茶果冠层振动参数优化与试验

为研究振动参数对油茶果采摘的影响,本文建立了油茶“果实-枝条”双摆动力学模型,通过求解动力学模型得出系统固有频率为0.42、7.18Hz;根据对油茶果实和花苞受力分析,得出油茶果实和花苞振动脱落所需的平均加速度分别为427.15、1.936m/s2;利用ADAMS动力学仿真软件对油茶果冠层振动采摘进行了仿真试验,利用Design-Expert 11.0.4软件对试验数据进行分析和优化并进行田间试验验证,理论优化结果为振动时间8.09s、振动频率8.15Hz、振幅50mm时,油茶果实采收率为93.41%,油茶花苞损伤率为14.10%。田间试验结果表明,针对湘林210品种油茶树,当冠层振动时间8s、振动频率8Hz、振幅50mm时,油茶果实采收率和花苞损伤率平均值分别为92.37%、14.38%,与理论优化值的差值分别为1.04、0.28个百分点。     

单偏心式油橄榄振动采收机仿真优化与试验

为提高油橄榄的振动收获效率，针对油橄榄密植果园的种植环境，设计一种单偏心块悬挂式油橄榄采收机。通过对果实进行受力分析得到果实脱落加速度可简化为果实果柄结合力与果实质量的比值，测量得到脱落加速度的90%分位数为1 113.35 m/s²。通过正交试验仿真研究果树树形参数(主干直径、主干高度、主枝夹角)和激振参数(激振频率、激振力)之间关系，并对仿真与试验相关性进行分析，表明仿真与试验的平均相关系数为0.73,平均相对误差为26.5%,主干直径和主干高度对激振参数有显著影响。使用采收样机对油橄榄(莱星)进行了试验，结果表明：夹持点振幅与激振频率呈正相关关系；果树侧枝3个监测点的共振频率为22.5 Hz,与响应面试验结果的21.8 Hz相近；油橄榄树的平均采净率约为91.22%,且无果实损伤。     

浅析低频共振夹持与果实采摘——以桑葚采摘为例

随着农业技术的发展,桑葚的种植面积大量增加,依靠人工采摘桑葚不仅效率较低而且质量难以保证,而低频振动采摘桑葚不仅保证了高效率,还保障了果实品质。鉴于此,本研究概述了夹持头选择,设计了收获机振动夹持头,对桑葚枝条不同位置进行了振动脱落试验。结果表明：铝合金和镁铝钛合金最适合用于制作夹持头,枝干振动频率在6.11 Hz的时候,选择二级枝干上部或二级枝干中部采摘效率最高,对树木产生的伤害也较小,果实掉落半径较小容易收集;果实采摘根据不同枝干的半径,应用不同的夹持力夹持枝干,同时要注意果实掉落高度最好在0.4 m以内,可减轻果实损伤程度。     

振动参数对果树采收影响的试验研究

从乔木类果品采收实际要求出发,旨在解决乔木类果树的连续机械振动采收问题。为此,进行了连续激振式采收过程中影响果树振动效果的试验。通过电动振动试验系统对果树主干不同位置进行夹持,施加不同类型激振力进行振动试验,利用动态信号测试分析系统进行数据采集和输出,获得不同振动频率、振幅下果树不同位置的加速度数据及曲线,并进行分析和对比。结果表明:当夹持主干的位置距离果树固定端为60cm、振动测试系统输出振动频率为25Hz、激振位移为5mm时,果树获得加速度较大;树枝和果实之间的相对加速度也较大。该试验为振动采收装置的研究提供必要的理论依据。     

枸杞采收方法对比试验与分析

为大型枸杞采收技术装备研发提供关键采摘技术支撑,首先探寻枸杞采摘方法的采摘效果,选取振动、气力、辊刷和剪切枸杞采收方法开展研究,设计相关试验装置;其次制定各装置的试验方案,开展枸杞采收效果试验,最终试验结果表明:往复高频振动采收枸杞损伤率为5%～9%,采净率85%～95%,高频振动频率控制在33～38.3 Hz,采收效果较好;击振采收损伤率9%～40%,采净率50%～70%,插齿形状击振头采收效果较好;正压紊流采收枸杞损伤率为4%～13%,对气压要求高;负压采收损伤率为6%～15%,采净率90%～100%,斜推结合负压采摘效果较好;辊刷采收损伤率为4%～16%;剪切采收损伤率可忽略,易误采,采收难度大。综上所述,往复高频振动、击振和正压紊流方法可应用于大型枸杞采收装备的研发。     

手持振动梳刷式小粒咖啡采摘装置设计与试验

针对云南丘陵山区小粒咖啡人工采收成本高、大型机械采收困难等问题,设计了手持振动梳刷式小粒咖啡采摘装置。通过建立果树-机械收获动力学模型和多体动力学仿真,得到振幅的稳态响应表达式,并确定了振动部件和梳刷部件的结构参数。利用ADAMS建立了果树-机械刚柔耦合模型,采用广义力与传感器函数控制的方法进行单因素仿真试验,分析了频率、梳齿间距和偏心块夹角对小粒咖啡收获效果的影响规律。以频率、梳齿间距和偏心块夹角为试验因素,采净率、采青率和损伤率为试验指标,进行二次回归正交旋转组合试验,结果表明：对采净率和采青率的影响因素重要性依次为频率、梳齿间距、偏心块夹角;对损伤率影响因素重要性依次为梳齿间距、频率和偏心块夹角。当频率为26Hz、梳齿间距为32mm、偏心块夹角为22.5°时,采摘机工作性能最佳,经试验验证,此时采净率为91.35％,采青率为8.46％,损伤率为4.15％,满足小粒咖啡收获技术要求。     

摇枝式油茶果采摘机设计与试验

针对油茶果机械化采摘漏采率高、损伤率大的问题，设计了一款摇枝式油茶果采摘机。根据摇枝式采摘工作原理，完成了关键部件的结构设计，计算分析了采摘头夹持油茶枝的夹持力，对油茶枝和油茶果振动过程进行力学分析，建立力学方程并求解。结果表明，夹持油茶枝时最大压力为2826N，振动对树枝产生的径向力约为57.5N、法向力约为78.2N，夹持和振动都不会对枝条造成损伤。为保证采摘机安全性，对横梁架进行了静力学分析，经计算其弯曲变形为0.0005mm，远小于最大许用弯曲挠度。设计了四因素三水平正交试验，结果表明，最佳作业参数组合为：采摘装置的采摘时间10s、电机输出频率35Hz、采摘头的振幅5cm及采摘爪的夹持位置（夹持油茶枝的夹持中心到油茶树冠层距离）10~20cm，此时油茶果采净率为95.2%，花苞损伤率为17.2%。对摇枝式油茶果采摘机进行了田间试验，对枝条的损伤基本符合采摘要求。     

果园采摘平台振动性能试验

以果园采摘平台为研究对象,建立了人-采摘平台两个自由度的振动模型,并在不同路况、不同车况下进行低速振动试验,且通过快速傅里叶变换(FFT)进行频谱分析。试验结果表明:不同路况和车况对采摘平台振动有不同程度的影响,路况对采摘平台的振动影响更明显;采摘平台的振动是低频振动,主要频率集中在0~1 6 Hz,在果品采摘运输作业中容易对果品造成损伤,应对其结构进行改进设计。     

便携式山核桃高空拍打采摘机设计与试验

为了解决我国山核桃高空采摘困难、提高采摘效率、降低采摘成本,根据山核桃果实与树枝分离力试验结果,设计了便携式山核桃仿人工高空拍打采摘装置。阐述了采摘机关键部件设计过程,并对采打机构进行了数学建模与计算,应用ADAMS对采打机构进行仿真,确定了拍打机构的机构与工作参数,为采摘机设计提供了依据。山核桃采摘试验结果表明:果实采净率具有显著性影响(P=0.05),果实采净率随拍打频率的增大而增大,频率在13.33 Hz时达到最大值,采净率为90.3%;对枝芽损伤较小,但拍打频率越大,对枝芽损伤越明显,建议拍打频率采用10~13.33 Hz,此时平均采净率达到85.1%~90.3%,且对枝芽没有破坏性损伤。     

“Y”型果树动力学模型仿真及试验的研究

为了在研究分析果树振动特性时使问题简化,提出了用质量—弹性元件系统来建立果树力学模型的方法。为验证该方法的有效性,选择将"Y"型果树主干L0、主枝L1、侧枝L2视为3个质量块,建立三自由度果树振动模型,并运用Mat Lab中Simulink子系统封装技术对所建立的振动模型进行仿真运算,将得到的仿真结果与试验结果进行比较,得出主干L0、主枝L1、侧枝L2的加速度时域变化曲线。结果表明:仿真与试验结果吻合程度较好,建立的果树三自由度模型能够比较好地反映果树振动情况,用质量—弹性元件系统来建立果树力学模型的方法是切实可行的。同时,通过对果树共振频率的研究,确定25Hz左右为较合适的采摘激振频率,可为林果振动采摘收获机的参数优化提供必要的理论基础。     

基于深度学习的复杂自然环境下桑树枝干识别方法

在复杂自然环境下完成桑树枝干识别是实现桑叶采摘机智能化的关键部分，针对实际应用中光照条件变化多、桑叶遮挡和桑树分枝多等问题，提出一种基于深度学习的复杂自然环境下桑树枝干识别方法。首先，采用旋转、镜像翻转、色彩增强和同态滤波的图像处理方法扩展数据集，以提高模型的鲁棒性，通过Resnet50目标检测网络模型以及相机标定获得照片中所需的桑树枝干坐标，通过试验发现当学习率设置为0.001，迭代次数设置为600时模型的识别效果最优。该方法对于复杂自然环境中的不同光照条件具有良好的适应性，能够对存在多条分支以及被桑叶遮挡的桑树枝干进行识别并获取坐标信息，识别准确率达到87.42%，可以满足实际工作需求。     

基于无人机平台的气振式核桃采收机设计与试验

针对云南山地种植的深纹核桃树体高大造成现有机械难于采收,而人工爬树用竹竿击打采收成本高且伤亡大的问题,提出了搭载无人机的气振式核桃采收原理及方法,基于深纹核桃成熟果实的果柄连接强度的测试与分析结果,进行了核桃脱落的气振流动仿真分析,设计了搭载于六旋翼农业植保无人机上的气振式核桃采收机,分析了气振式核桃采收机在发射气振时的反冲稳定性,实施了气振式核桃采收机搭载无人机进行采收的试验验证,按效率优先和采净率优先两种采收模式,对气振式核桃采收机的采收效率和采净率做了预测分析。研究结果表明,核桃成熟度为80%、90%和100%时,使核桃果柄断裂实现落果的气振临界流速分别为77.5、69.0、58.5m/s;气舱容积为20L且气压为1MPa时,气振式核桃采收机的气动喷口至核桃挂果位置的最佳距离为0.5m,单次气振流动采收的最大有效面积的仿真值和试验值分别约为0.09m2和0.10m2,最大有效采收面积随着到气动喷口距离增大而减小。