基于多维激励作用的行星轮系振动果品收获机构分析与设计方法研究

In order to address current problems of low efficacy and high damage in existing vibratory fruit harvester, a new solution of applying planetary gear train mechanism to the harvester is put forward in this research. It is generated from the previous research on the dynamics of tree body, which indicated the energy concentration of trunk vibration and the energy dispertion of multi-dimensional excitation. By untilizing these two properties, the planetary gear train mechanism for fruit harvest using multi-dimensional excitation is designed and analyzed. This research involves multiple theories such as elastic mechanics, vibration, mechanism and multi-objective optimization. The technologies of theoretical analysis, mathematical model, experiment testification and numerical analysis are applied during the research process. The objectives of this research are: (1) Investigate the principle of vibratory energy distribution in the tree structure while different excitations are applied to the tree. Find out the most appropriate excitation to generate equal distribution of vibratory energy. (2) Investigate the design method of planetary gear train mechanism for fruit harvest according to the agriculture condition. The optimization of the mechanism will be analyzed to furthest satisfy the requirement of high efficacy and low damage. (3) Set up the prototype of planetary gear train mechanism for fruit harvest to implement the experiment. The mechanism will be improved based on the experiment. This project will provide theoretical and application basis for the development of high efficacy and low damage mechanical harvester.

针对目前果园振动采收设备存在的采收效率低、振动损伤大等问题，本项目在前期树体动态特性研究成果基础上，提出综合利用主枝激振的能量集中性和多维激振的能量分散性，开展基于多维激励作用的行星轮系振动果品采收机构分析与设计方法研究，实现果树振动采收与行星轮系机构有机结合的全新方法。从弹性力学、振动力学、机构学和多目标优化理论出发，通过理论分析、数学建模、试验验证以及数值分析等技术手段，着重研究不同形式激振作用下的复杂果树结构中振动能量分布规律，揭示振动能量有效均匀分布的理想复合激振形式；探索面向农艺服役环境的行星轮系激振机构设计方法，并进行有针对性的结构参数优化，从而最大程度地满足机构高效低损伤工作要求；建立和完善多维激振作用的行星轮系振动果品收获机构样机，最终为开发高效低损伤的果品收获机械奠定基础。

针对目前果园振动采收设备存在的采收效率低、振动损伤大等问题，本项目开展了基于多维激励作用的果品振动采收机构分析与设计方法研究，通过理论分析、数学建模、数值分析以及试验验证等方法与技术手段，研究了不同形式激振作用下的复杂果树结构中振动能量分布规律，揭示了振动能量有效均匀分布的理想复合激振形式，设计开发了具有多维激励作用的振动机构以及可适应不同树体振摇条件的新型高效低损伤振动器。（1）首先基于有限元和多体动力学理论针对非圆周激励——旋轮线轨迹进行轨迹参数影响规律研究和优选，设计平面5R振摇机构验证了该影响规律。（2）为了提高旋轮线轨迹振动机构的可靠性，根据优化后的轨迹设计基于外旋轮线轨迹的行星轮系振动采收机构，采用“参数导引”优化方法对振动机构进行尺寸优化，并开发了辅助优化软件。（3）为了进一步提高采收效率，通过仿真比较不同形式的位移载荷产生的果树动态响应分布，确定较优的空间组合激振轨迹并设计了空间连杆式三维激振果品采收机构，开展了果树加速度响应试验，结果显示空间连杆式三维激振采收机构对果树激振的平均加速度变异系数为0.67，低于平面非圆周激振产生的加速度变异系数，表明用三维激振采收方式能使果树各分支加速度分布更均匀。（4）为适应林果的机械化采收作业，设计了侧翼折展式林果收集装置，该装置能够快速有效的进行林果的收集作业，提高工作效率，试验结果表明平均承接率为84.68%。（5）为改善现有收获设备的采收性能以及验证果实-树体动力学模型，开发了电子果实记录林果在振动采收过程的动态信息，可有效检测振动采收系统在果实收获过程中所产生的机械冲击。（6）为了实现大规模采收，设计了组合偏心块式三维激振机构，以滑移装载机作为动力和移动平台，可用于采收大型果树。本项目研究可为振动采收机构设计提供有效的分析工具、研究方法和结构模型，设计开发的样机系统可进一步优化完善，为高效低损伤果品采收机械的研发奠定了基础。