基于自激振动和力补偿理论的红枣振动采收机理研究

The project will study mechanical harvesting principle and vibration methods of jujube on the basis of self-excited vibration and force compensation theories, aiming at such problems as low removal rate and damage to the jujube trees and fruits at a high proportion occurred during the operation process of traditional canopy vibration harvesting method. By analyzing and studying distribution of jujube branches, maturity of jujube fruits, vibration performance and mechanical damage properties of jujube trees and fruits, employing mechanical vibration tests, high speed video analyzing, 3D reconstruction, virtual prototype and other methods, the project will build vibration mechanical model of geometric topology configuration of jujube tress at full ripe stage, design 3D parameters of vibration harvesting devices through joint simulation method, establish control system for self-excited vibration and force compensation, form kinematics and vibration performance equation for spiked-drum to improve relative design parameters of vibration harvesting devices. A test platform for vibration harvesting devices will be established to study through tests on sample device the rule of influence of such factors as shape and distribution pattern of vibration lever, spatial position of spiked-drum, power compensation threshold value and moving speed of device on removal rate, damages to jujube fruits and branches so as to improve structure and work parameters of the device. The research results will provide theoretic support for development of canopy vibration harvesters.

摘要：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，本项目拟展开基于"自激振动和力补偿理论"的红枣采收机理及激振方法研究。在分析研究枣树枝空间分布状态、红枣成熟度与振动特性、红枣及枣树的机械损伤特性的基础上，采用机械振动测试、高速摄像分析、三维重建、虚拟样机等研究方法，建立完熟期枣树几何拓扑形态的振动力学模型，通过联合仿真进行振动采收装置的三维参数化设计，搭建自激振动和力补偿控制系统。构建拨杆滚筒的运动学、动力学及振动特性方程，优化振动采收装置的相关设计参数。搭建振动采收装置的试验平台，通过样机采收试验，研究振动拨杆形状、分布形式、拨杆滚筒的空间位置关系、力补偿阈值及机器行走速度等因素对采收率、红枣损伤和树枝损伤等的影响规律，优化采收装置的结构与工作参数。项目研究成果将为基于树冠振动式林果收获机的开发提供理论支持。

本项目通过前期物料特性的研究，设计了自激振动和力补偿控制系统，搭建了自激振动和力补偿理论的红枣振动采收平台，建立了红枣力传递效果振动模型，为红枣振动采收提出新的激振方法。其具体研究内容主要包括：.1、收获期枣树几何形状与力学特性研究.本项目在研究收获期枣树枝和枣吊呈现弯曲多变的复杂状态，通过标准果园调查对其进行统计研究和力学试验分析，掌握了枣树枝、侧枝及枣吊的空间几何形状和力学性能。.2、振动激励下枣树力传递效果的研究.为了提高林果振动采收的作业效率，根据果品在振动过程中瞬时加速度的变化，研究其振动采收时力的传递效果，以降低激振功耗。以红枣振动采收为研究对象，建立红枣“枝-柄-果”的双摆振动模型，计算得系统在振动过程中的固有频率；为获得不同果枝的共振频率，对选取的样本树进行了扫频试验，通过扫频试验结果分析得到样本树的共振频率。该研究可为红枣收获机激振系统的设计提供理论依据和技术参考。.3、自激振动与力补偿采收装置的设计.本项目依据矮化密植红枣种植模式以及前期试验研究，确定了红枣采收装置的总体结构和工作原理。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，并分析了拨杆滚筒振幅与相位差主要影响因素，为红枣采收试验装置的试验研究提供了理论基础。.4、控制系统的的搭建.本项目通过在自激振动过程中研究了力补偿的控制系统，对系统进行实时控制分析，进行激振力的高精度、快速、稳定补偿，为实现对枣树枝的有效击打，完成红枣连续性收获提供了理论依据。.通过该项目的实施奠定了基于树冠振动式林果收获机的理论基础，同时为减少果枝的摩擦损伤和红枣的击打损伤、降低功耗、提高采收效果提供了理论依据与技术支持。项目发表论文7篇，其中EI 2 篇，已撰写英文文章1篇,投IJABE(SCI)，申请专利9项（实用新型7项已授权），培养研究生3名。