新疆杏振动脱落动力学特性及振动采收机理研究

Apricot is an important characteristic fruit in Xinjiang, the total cultivation area is 194000 hm2 in 2012, it is picked mainly by hand or knocked in the form of a long pole, and the costs accounted for about 50%～70% of the production cost. It can effectively reduce the production cost is enhanced efficiency by using the vibration mode in harvest. This project carries theoretical research on apricot mechanized harvesting. It does the research on the dynamic response by vibration motivating, analyzing the velocity, acceleration, inertial force of tree and the change of moving trajectory of fruit, building the dynamic model of fruit by vibrational falling, studying the effect of different incentive location, vibration frequency, amplitude and vibration time on fruit falling off, setting up the "vibration machine - fruit tree" model, getting the best working parameters through simulation test in laboratory and field vibrational harvesting test. The research of the project provides the theoretical foundation and evidence for designing a quick and efficient harvesting machine. It will play an important role in improving the level of mechanized harvesting of Xinjiang fruit.

杏是新疆重要的特色林果，2012年新疆杏种植总面积达到19.4万公顷，目前新疆杏主要通过人工手摘或利用长杆敲打等方式进行收获，人工采收成本约占整个生产成本的50%～70%，利用振动方式进行林果收获能够有效降低生产成本、提高收获效率。本项目针对新疆杏机械化收获展开理论性研究。通过研究不同品种、不同成熟期新疆杏果实各项生理特性参数对果实分离力的影响，明确新疆杏收获所需采收力范围，为杏振动脱落动力学模型建立提供依据；通过建立"收获机-果树"振动系统模型，明确振动能量在收获中的传递过程，确立杏振动脱落响应函数，建立适宜新疆杏果实振动脱落运动学模型；确定最适合杏果实振动收获的振动参数组合。本项目研究为设计快速、高效的杏收获机械提供完善的理论基础和依据，对提高新疆林果的机械化采收水平具有重要意义。

杏是新疆重要的特色林果，目前新疆杏依然采用人工手摘或利用长杆敲打等方式进行收获，采收成本高劳动强度大，利用振动方式进行林果收获能够有效降低生产成本、提高生产效率。本项目针对新疆杏机械化收获展开理论性研究。对新疆杏基本特性参数研究表明，果实质量对分离力的影响不明显，果实表面硬度对分离力的影响最大，果实分离力随果实表面硬度越小分离力越低，随枝干直径的增加而逐渐减小。建立了不同振动激励下杏树响应模型以及杏树-采收机动力学模型，进行试验分析，获得了杏树不同位置的加速度振动响应曲线，通过MATLAB 对达到振动稳态后0.1 s 内数据进行傅里叶拟合分析表明，各级枝干检测点均做周期性简谐运动，得到不同位置加速度拟合曲线及振动响应函数，通过对0～50 Hz 加速度频谱分析表明，杏树在11.56 Hz 振动激励时，各检测点加速度值最大。建立了杏果实-果枝双摆动力学模型，利用双机位高速摄像仪记录果实受迫振动并发生脱落全过程，理论分析与试验表明：杏果实-果枝双摆系统在振动过程中主要表现为果枝摆动、果枝扭转和果实倾摆3种运动状态，果实在空间运动的轨迹接近椭圆形，使用PCC 3.1高速视频控制分析软件获得杏果实在不同平面内相对静止原点的速度、脱落前瞬时速度和加速度数据，对不同平面内果实相对于静止原点的速度进行傅里叶拟合，得到整体及各阶段速度拟合曲线及相应函数，同时推导出具有完整周期的前2个阶段的速度函数周期与振幅间的关系。利用ANSYS 软件对杏树进行了有限元建模分析；通过三因素三水平试验分析不同振动特性参数对杏树振动检测点的影响，利用Design Expert 软件进行优化分析，并进行实验室验证试验，获得了3个检测点的拟合回归方程，多目标参数优化结果为：振动时间7.207 s，振动频率15 Hz，激振点振幅10 mm，通过验证试验可知由下至上各检测点加速度为10.4g、10.2g 和9.3 g，与优化值相近。该研究可为林果振动收获机械设计与优化提供参考。