基于能量有限元的多自由度果树振动采收机理研究

To deeply research fruit tree harvesting vibratory mechanism,we establish a semi-infinite length beam with elastic foundation, multiple degrees of freedom dynamic model of trunk and branches.We explore the model of discrete method, and build energy vibration control equation with finite element to research multi degrees of freedom of different trunk and branches' dynamic response when they are excited.We could determine the motion rule of fruit, divorced acceleration, divorced inertia force, the form of divorcement, the load type and which load induce divorcement, as well as establish the correct evaluation index.We found the problem of vibratoryharvestor of scientific mechanism and main influencing factors. This paper clarifies the impact on the picking efficiency factor, such as motion law and character of external force of vibration harvesting fruit, vibration energy loss,energy transfer law, vibration frequency, amplitude, displacement, exciting force, action time, harvesting time, fruit maturity suited for picking ect. The mechanism of vibratoryharvesting experiment is presented. It improves the mechanical vibration theory of harvested to make contribution for our country's fruit harvesting mechanization.

对果树振动采收机理进行深入的研究，建立弹性地基半无限长梁、多自由度树干、树枝动力学模型，探讨模型离散的方法，应用能量有限元构建振动控制方程、研究多自由度不同形态树干、树枝激励时的动态响应，确定果实的运动规律、脱落时的加速度、脱落惯性力，以及脱落的形式、载荷的种类、脱落主要由什么载荷造成、建立正确的评价指标，揭示振动采收问题的科学机理以及主要影响因素，阐明振动采收果实的运动规律、受力特点以及振动能量损耗、能量的传递规律、振动频率、振幅、位移、激振力的大小、作用时间、采收时间、果实适合采收的成熟度等对采摘效率的影响，给出振动采收机理的实验验证，完善机械振动采收的理论，为我国的果品机械化采收做出应有的贡献。

由于林果的种植面积以及产量的逐年增加，林果的采收工作迎来了新的挑战。不可否认，机械化林果振动采收方式正在逐渐替代传统意义上的人工采收方式。然而，机器在振动采收的过程中，缺少较为合理的激振参数以及采收方式，如激振位置、激振频率、持续激振时间、激振振幅等振动采收机理的研究，造成果实采收效率较低，甚至出现树枝折断、树皮和树枝损伤等现象，导致果树来年减产。通过这几年对果树振动采收机理的深入研究，建立了果树多自由度悬臂梁树干、树枝振动采收模型，推导出了树干振动采收动力学方程，应用能量有限元对振动采收过程进行了数值仿真分析、研究了多自由度不同形态树干、不同激励时树干、树枝的动态响应，确定了果实在振动采收过程的运动规律、脱落瞬间的加速度、脱落惯性力，以及脱落的形式、载荷的种类、脱落主要由什么载荷造成，揭示了振动采收问题的科学机理以及主要影响因素，提出用果树枝干相对动能比来评价果树能量流的传递大小，得出能量的传递效率与果树枝干直径有关，能量在果树主干上的传递效率要高于在侧枝上的传递效率，果枝直径越大（即果枝刚度越大），能量传递效率越高；获得了不同频率、不同振幅对振动落果的影响规律，即高频低幅适用于粗短枝，低频高幅适用于细长枝。同时，对振动采收机理进行了大量的、不同采收形式的实地验证、试验工作，在试验中应用高精度三向加速度传感器、数采装置和高速摄像技术对振动采收过程进行全程测试、详细跟踪记录，获得了大量的第一手重要资料，为振动采收机理的研究提供了可靠的数据支撑，同时也为我国的果品机械化振动采收大面积推广应用打下良好的基础。