基于振动试验台的果树枝运动规律的试验研究

结合大规模种植的乔木类果品采收要求,完善果树连续式机械振动采收问题。介绍连续激振式采收过程中影响树枝振动效果的试验,通过振动试验台夹持果树主干不同位置,施加不同类型激振力进行振动实验;利用动态信号测试分析系统进行数据采集和输出,获得不同激振频率、激振位移下果树树冠不同位置的加速度数据及曲线,进行分析和对比。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20Hz、激振位移为5mm时,果树枝端获得加速度较大,树枝和果实之间的相对加速度也较大;保证振动采收装置在采收中果实净采收率高,果树损伤小的要求。     

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。     

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。     

基于能量传递规律的油茶树冠层振动参数优化与试验

油茶作为中国特有的木本油料作物,在空间上具有复杂的分枝结构,不同品种树体的形态结构和力学性能差异明显。为了研究油茶树在冠层振动采摘油茶果过程中能量传递规律以及获得最佳激振参数,本文建立5自由度油茶树的质量-弹性-阻尼动力学模型并测量和计算等效参数;以不同激振参数为输入,通过Matlab软件对动力学模型进行仿真,并设计二次旋转正交组合试验,仿真结果表明,油茶树各级枝之间能量传递过程中损失严重,从激振力所作用的枝条传递到路径末枝时能量剩余不到20%;且油茶树各级枝的动能峰值出现的时间具有滞后性,越靠近激振点的动能峰值出现越早。由于油茶树各级枝间能量传递损失严重,将一棵树进行2~3次振动采摘。利用Design-Expert 11.0.4软件的优化模块对激振参数进行优化求解,以一部分侧枝动能最大,主干动能最小为目标函数时,最佳振动参数组合为振动时间7.14s、振动频率7.18Hz、振幅52.41mm;通过田间试验对油茶树能量传递规律进一步研究发现,能量沿着树枝内部传递时与各级枝之间的传递规律相同,即动能与传递距离成反比,传递的距离越远动能越小。并对仿真结果进行验证：田间试验结果与仿真结果的相对误差在10%以内,说明该动力学模型具有较高的可靠性;振动采摘部分的油茶果实和花苞平均脱落率分别为90.53%、14.39%,采摘效果较好,证明了从能量传递角度对激振参数优化的可行性。本文建立的动力学模型和预测的最佳振动参数组合可以为油茶果机械化采摘作业的工作参数设置提供参考。     

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。     

大型核桃树振动响应特性与落果试验研究

为确定大型核桃树的振动响应特性,探究大型果树机械化摇振采收方法,以南疆大型核桃树为研究对象,利用ANSYS进行有限元分析获取各分枝振动响应特性;应用自主研发摇振收获设备进行扫频试验及落果试验研究,对各主枝进行共振频率检测,通过各分枝上的传感器获取的频率-加速度幅值曲线,确定曲线峰值对应的共振频率;最后,进行摇振落果试验,对比各主枝在不同共振频率下的落果情况。结果表明：大型果树同一主枝及其上侧枝共振频率相同,各主枝共振频率在22～26 Hz之间;同一主枝上的各检测点加速度响应曲线整体呈现先增加后减小的趋势,距离激振位置越远,加速度响应幅值越大;在共振条件下收获,能够获得更高的落果率。为此,提出一种基于大型核桃树主枝共振频率的摇振采收方法,通过获取主枝处的共振频率,以各主枝共振频率进行多次摇振收获作业,实现共振条件下以较低激振能量获得最大振动响应收获,可有效提高收获效率和采净率。研究结果可为大型果树摇振采收方法提供理论基础。     

基于5R并联机构的二自由度树冠振动装置设计与试验

振动式采收是一种高效的林果机械化采收形式。在现有的激振形式中,非圆周激励可以使果树产生有效的振动,实现整体采收效果。为进一步提高果实的采收效率,针对非圆周激励中不同类型旋轮线轨迹进行深入研究。通过SolidWorks、ANSYS、ADAMS等软件建立果树柔性体模型。将不同轨迹参数的旋轮线位移载荷导入ADAMS,施加于果树模型激振点。比较不同轨迹的旋轮线位移载荷下果树模型的振动响应,确定3支线1号外旋轮线轨迹E为最优激振轨迹。根据最优激振轨迹,设计了由平面5R并联机构驱动的二自由度树冠振动装置。以油茶树为激振对象,确定频率6 Hz、振幅90 mm为激振参数,设计并搭建样机进行试验。试验结果表明,7×7交错分布的激振杆布局方式的激振效果最优,该布局下树冠平均合成加速度响应为22.38 m/s²,激振加速度传递效率为77.63%,验证了二维激振轨迹的有效性。     

基于高速摄像技术枸杞振动采收运动规律的研究

研究枸杞在振动采收过程中果实与枝干脱落时的瞬时速度变化规律,可为振动机械化采收提供理论依据。利用机械振动装置对枸杞果树进行了侧枝落果试验,通过高速摄像机对分离过程进行跟踪拍摄和图像分析处理,由分析结果可知:枸杞果实在脱落过程中,果实存在随侧枝振动方向的直线运动、绕果柄与侧枝连接处的摆动与以果实中轴线为中心的扭转;枸杞果实与侧枝分离时最大瞬时速度为2.97 m/s;当枸杞果实与侧枝相对瞬时速度达到最大值时,枸杞与侧枝完成分离。研究结果为振动收获机械设计与制造提供了理论参考。     

自激振动力补偿红枣振动采收试验装置设计

针对传统的树冠强迫振动方法作业过程中采收效果差及伤树(枣)率高等问题,提出一种将自激振动理论与力补偿理论相结合的振动采收方式,并设计出一种基于自激振动力补偿的红枣采收试验装置,以提高振动采收效果,降低红枣与果树的损伤。为此,介绍了试验装置的结构与工作原理,并对关键工作部件进行了设计。通过对激振装置主要运动部件的运动过程进行理论分析,获得了拨杆滚筒的运动学方程,得出了拨杆滚筒的振幅表达式并分析了主要影响因素,同时计算出拨杆滚筒需要力补偿控制系统进行激振力补偿的扭转角度阈值为1 9.4°,为红枣采收试验装置的试验研究提供了理论基础。     

蓝莓植株的振动特性分析与试验研究

【目的】采用机械振动式采摘方式进行蓝莓采摘,获得最佳采摘激振频率,以提高蓝莓采摘效率。【方法】在分析蓝莓植株生长形态后对蓝莓植株进行了物理建模,同时通过有限元仿真软件对蓝莓植株进行了模态分析与谐响应分析,并利用电动振动采摘试验台进行了激振频率为1 Hz、2 Hz、3 Hz的振动试验,获得不同侧枝前1 s～3 s的加速度。【结果】1）蓝莓植株的固有频率与阶数成正比关系,前12阶固有频率为2.08 Hz～5.04 Hz;2）蓝莓植株的各个侧枝加速度不同,同一侧枝的二级枝加速度大于一级枝加速度,所施加的最佳激振频率为1.9 Hz;3）蓝莓植株最佳采摘激振频率为1.8 Hz～1.9 Hz,验证了蓝莓植株最佳激振频率与仿真分析的一致性。【结论】本研究可为机械振动式蓝莓采摘机激振频率范围选择提供理论依据,并为振动式蓝莓采收装置的设计提供理论基础。     

海棠果树动力学特性的研究

研究了果树在外界载荷作用下,果树形态结构(果枝直径,分叉角度)对能量传播速度及能量在分叉位置处分流情况的影响。选择1棵"Y"型果树进行室内试验,激振载荷选择冲击载荷和正弦连续振动载荷。在冲击试验中,得出各测点加速度曲线第1次出现波峰或波谷的时间差,从而计算出能量从某一测点传递到相邻测点的传播速度;在连续试验中,对得到的加速度信号进行曲线拟合,将得到的加速度拟合函数进行积分得到速度函数,进而求出果枝上各测点的动能,将这部分动能视为振动传递到各测点的能量。根据得出的拟合函数可知:在正弦激振载荷作用下,果枝上的加速度信号呈正弦函数分布,并且激振频率与果枝加速度频率几乎一致。研究表明:能量在主干上的传播速度大于在枝干上的传播速度,分叉角度越小,能量传播速度越大;能量在流经分叉点处时,产生分流,能量更多地流向枝干直径大的一侧。     

振动式林果采收机的机械化试验研究

为深入掌握振动式林果采收机的工作机理,最大限度发挥采收机的作业效率,根据我国林果采收特点及采收机工作机理,给出采收激振的理论模型,建立了林果采收机激振装置的三维物理模型,并针对其智能监控系统展开实地试验。试验结果表明:当激振频率控制在19~20Hz时,林果的平均采净率可达到88%以上,林果树枝损伤率可控制在60%~62%之间,可确定振动式采收机的最佳作业效率发挥范围;且振动式林果采收机的理论模型与实地试验误差控制在6%范围内,验证了此机械化试验的可行性,为高效利用振动式林果采收机提供了参考。     

“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。     

曳引摇枝式板栗落果装置设计与试验

针对当前丘陵山地板栗采摘困难、人工收获工作强度大、采收效率低等问题,设计了一种由柔性钢丝绳曳引振动的小型摇枝式板栗落果装置。建立板栗果实-果枝单摆动力学模型,分析果实脱落条件,得到板栗果实振动脱落切向加速度为285.36m/s2,得出影响板栗果实脱落的主要因素为果枝振动频率、振幅、振动时间;进行板栗果枝振动特性试验,用Default Shaker液压振动台以0~30Hz扫频方式确定垂直方向上板栗果枝共振频率,并在频率7~15Hz段进行驻频试验,得出振动落果较优频率为10~12Hz。根据果枝振动试验结果,利用ADAMS软件对摇振机构进行仿真,结果表明,摇杆振幅大于95mm时,果枝末端加速度可满足板栗果振动脱落的加速度条件,确定了落果装置参数设计的合理性。设计了三因素三水平正交试验,试验结果表明,板栗落果最佳作业参数组合为摇振频率11Hz、振幅135mm、摇振时间30s,此时板栗落果率为91.9%,树皮损伤率为8.8%,满足农业机械推广鉴定标准中树皮损伤标准。     

初果期苹果树剪枝仿真研究

苹果树的剪枝对果树坐果和树形塑造起着重要的作用。本文选用五年生苹果树为研究对象,对其进行仿真研究。首先,采用三维激光扫描仪对冬季落叶后的果树进行扫描获取点云数据,经过去噪、重采样和软件处理获得苹果树的骨架节点。其次,再对苹果树进行4种不同类型的剪枝处理,经过一个生长期后,记录被修剪枝条的生长数据,进行定性和定量分析。分析结果表明,随着果树修剪的加重,潜伏芽率、短枝率会逐渐下降,中枝率变化不显著,但长枝率会逐渐增加。根据每种修剪类型后对应母枝的抽枝类型与母枝上的节位规律变化,生成了对应的多项式拟合函数,为虚拟苹果树修剪仿真提供数学规律。最后,建立了苹果树修剪仿真软件用于初果期苹果树剪枝仿真,修剪后仿真抽枝结果的变化规律与实际修剪产生的抽枝规律相符,可为初果期苹果树来年坐果或塑形提供修剪参考方案。     

收获期花椒的力学特性与形态特征测定与分析

我国花椒的收获主要以人工收获为主。随着社会的发展,花椒市场需求不断扩大,迫切需要解决花椒收获效率低下的问题。因此,花椒收获机械化已成为椒农的心声,研究分析收获期花椒的力学特性可以为花椒收获机械的设计者提供必须的基础理论数据。因花椒在品种、气候条件、土壤及其他方面的差异,其力学特性会有较大的差别。为此,通过陕西省韩城市收获期花椒的实验室测定,采用图像解析和数理统计方法对收获期花椒的力学特性进行分析,得出了花椒主要几何特性指标值的变化区间,并统计分析了花椒果实与果柄及果柄与树枝之间的分离力以及花椒果实的颜色特征,为花椒的收获和加工机器系统的开发提供科学依据。     

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。