基于结构功率流的果树振动收获能耗机理研究

Vibratory fruit harvest, considering as a fast harvest method with low fruit damage rate and low energy consumption, is the fundamental technology for fruit tree harvest mechanization and one of the key technologies to develop large-scale fruit tree farming.To address current problems such as low fruit detachment rate and high damage rate of existing vibratory harvest technology, methods including theoretical analysis, mathematical modelling, experimental validation and numerical analysis are utilized to investigate the energy transfer and dissipation during vibration process. The objectives of this research are: (1)Investigate the danymics of diverse coupled stucture and power flow expression of tree-machine system, and explore the indicators for evaluating energy transfer efficiency of different subsystems. (2)Investigate the spatial response characteristics during vibration energy transformation based on power flow measurement from indoor experiments, analyze the variation of energy transfer and dissipation efficiency during vibration process, and develop the energy dissipation model for tree-machine system. (3)Investigate energy distribution and visualization method under different excitation for typical tree architectures based on the energy dissipation model. This project will provide theoretical and applied basis for high efficiency mechanical harvester development, and also provide new concept and method for spatial response cheracteristic study of complicated species during forced vibration.

快速、低损、节能的振动式果品采收技术是果树机械化收获作业的基础，也是实现果园规模化种植的关键技术之一。针对目前振动收获中果实分离效率不高、果实损伤率大等问题，综合应用理论分析、数学建模、试验验证，以及数值分析等方法，开展振动式果树收获过程的能量传递和耗散机理研究。具体包括：研究"果树-机械"收获系统不同耦合结构动力学和功率流表达方法，探索不同子系统能量传递耗散效率的评价指标；通过对果树复杂生物体振动结构功率流的测定，提取振动能传递过程中的空间响应特征信息，并建立"果树-机械"收获系统能量耗散模型，分析振动收获过程中影响振动能量转换、传递和耗散效率关键参数的变化规律；最后利用能耗模型研究不同激励下典型树形结构中振动能量的分布特性和可视化表达方法。本研究可为实现果品高效机械采收机械设计提供理论和应用基础，同时也为研究复杂生物体在受迫振动过程中的空间响应特性提供新的思路和方法。

采用振动式采收机械可以大幅提高果树的收获效率，有利于林果种植向规模化、标准化方向发展。针对现有果树振动采收机械分离效率低、损伤大等问题，根据果树形态施加不同形式的激振力，保证振动能量的有效传递，对于提高振动采收作业效率具有重要意义。本项目首先对“果树-机械”系统动力学特性进行了分析，建立了“果树—机械”、“果实—果柄”动力学模型，为惯性式收获机械设计提供了理论依据。随后，建立了单体回旋型、双体平衡型、双体多向型三种振动收获机力学模型。通过整形果树实体测量，建立了纺锤形、自然开心形和直立平面形三种典型整形果树三维实体模型，并利用有限元方法计算得到了三种整形果树在1～50 Hz低频范围内的固有频率和模态振型，开展了整形果树在三种加载方式下的振动响应特性仿真试验，得到了整形果树关键节点的振动参数。实验结果表明，整形果树固有频率和模态振型受果树形态影响较大，三种典型整形果树的低阶固有频率主要集中在7.0～20.0 Hz范围，不同加载方式对整形果树振动响应特性具有较大影响。其中，纺锤形果树在13.5 Hz（10阶）、双体多向加载激励下振动响应最为剧烈，且振动响应一致性较好；自然开心形果树在12.0 Hz（11阶）、双体多向加载激励下振动响应最为剧烈，关键节点振幅达到2.485 m；纺锤形果树在7.5 Hz（7阶）、单向回旋型加载激励下振动响应最为剧烈。通过与实际模态试验结果对比，表明采用有限元模态和谐响应仿真试验，可以开展果树振动响应特性研究，但需要结合实际试验数据对建立的有限元模型进行修正，以取得最佳的仿真结果。最后，利用实际田间试验，研究了振动采收收集方式的减损机制，建立了适合于振动收获果品品质的评价方法，试验结果表明倾斜角度、吸能材料、碰撞位置将影响果实的收集效果。本项目所取得的研究成果将为振动式果品收获机械的激励机构和收集机构设计提供依据，采用项目提供的有限元建模和谐响应仿真试验方法，将提升振动式采收机械的设计水平。