發(fā)布時(shí)間：2020-02-19所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為了研究藍(lán)莓植株采摘振動(dòng)特性、研制出參數(shù)合理的藍(lán)莓采摘機(jī)，設(shè)計(jì)了一種藍(lán)莓采摘實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采摘裝置、行走裝置、龍門(mén)框架、導(dǎo)軌和基架組成。同時(shí)，研究了實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)藍(lán)莓植株振動(dòng)響應(yīng)的影響，對(duì)比分析可知:藍(lán)莓植株的振動(dòng)輸出響應(yīng)與指排拍打頻率、
摘要:為了研究藍(lán)莓植株采摘振動(dòng)特性、研制出參數(shù)合理的藍(lán)莓采摘機(jī)，設(shè)計(jì)了一種藍(lán)莓采摘實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采摘裝置、行走裝置、龍門(mén)框架、導(dǎo)軌和基架組成。同時(shí)，研究了實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)藍(lán)莓植株振動(dòng)響應(yīng)的影響，對(duì)比分析可知:藍(lán)莓植株的振動(dòng)輸出響應(yīng)與指排拍打頻率、指排拍打幅度成正比，與采摘機(jī)行走速度成反比。進(jìn)行了藍(lán)莓采摘試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:滿足采摘條件的最佳拍打頻率為2r/s左右，采摘機(jī)的最佳行走速度為1m/s左右，指排的最佳拍打角度為60°左右。該研究可為藍(lán)莓采摘機(jī)的設(shè)計(jì)及藍(lán)莓的振動(dòng)特性研究提供參考。
關(guān)鍵詞:藍(lán)莓;采摘機(jī);實(shí)驗(yàn)臺(tái);曲柄連桿
0引言
近年來(lái)，隨著農(nóng)林業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，藍(lán)莓種植和生產(chǎn)已成為農(nóng)民增收致富的新途徑。藍(lán)莓的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高，在國(guó)內(nèi)外的銷量一直很可觀。目前，藍(lán)莓果園的規(guī)模化發(fā)展要求越來(lái)越高，藍(lán)莓采摘機(jī)械化的重要性日益顯著[1]。
藍(lán)莓采摘作業(yè)具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、季節(jié)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，目前很多國(guó)家采摘技術(shù)還停留在人工采摘、撿拾作業(yè)水平[2]。國(guó)內(nèi)的藍(lán)莓采摘機(jī)主要是靠仿照國(guó)外現(xiàn)有采摘機(jī)制作的，一方面國(guó)外的技術(shù)直接引進(jìn)國(guó)內(nèi)，制作使用的效果不是很理想;另一方面國(guó)外的采摘機(jī)一般都不適合用于現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的種植果園。為了能制作出高效合理的采摘機(jī)，需要反復(fù)進(jìn)行大量的采摘試驗(yàn)，確定合適的采摘機(jī)理和采摘參數(shù)，同時(shí)要對(duì)采摘效率、采摘質(zhì)量和制作成本等因素綜合考慮。為了降低成本，獲得更完整、有效的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)物采摘機(jī)試驗(yàn)前，需在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建采摘實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行模擬采摘試驗(yàn)。因此，設(shè)計(jì)了藍(lán)莓采摘實(shí)驗(yàn)臺(tái)，旨在為藍(lán)莓采摘機(jī)的設(shè)計(jì)及藍(lán)莓的振動(dòng)特性研究提供參考。
1實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案與工作原理
1.1采摘作業(yè)工作原理
藍(lán)莓采收作業(yè)時(shí)，采摘機(jī)跨過(guò)藍(lán)莓樹(shù)叢向前行駛，藍(lán)莓植株進(jìn)入龍門(mén)框架內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)采摘系統(tǒng);采摘系統(tǒng)末端執(zhí)行裝置指排往復(fù)擺動(dòng)，拍打采摘機(jī)內(nèi)經(jīng)過(guò)的藍(lán)莓植株，通過(guò)樹(shù)枝振動(dòng)震落藍(lán)莓果實(shí)，再由傳送帶進(jìn)行收集，實(shí)現(xiàn)藍(lán)莓果實(shí)機(jī)械采摘。其工作原理如圖1所示。
1.2采摘振動(dòng)機(jī)理
采摘系統(tǒng)帶動(dòng)指排往復(fù)拍擊形成多激勵(lì)振動(dòng)采摘力作用于藍(lán)莓植株，使藍(lán)莓植株振動(dòng)形成振動(dòng)輸出響應(yīng)，對(duì)生長(zhǎng)在樹(shù)枝上的藍(lán)莓果實(shí)形成果、枝分離作用力，振落藍(lán)莓果實(shí)[3]。因此，為達(dá)到藍(lán)莓采摘過(guò)程中盡可能地采收熟果、留下生果且不傷害樹(shù)枝的目的，需控制指排作用下的果、枝分離作用力，使藍(lán)莓果實(shí)采摘力大于熟果結(jié)合力而小于生果結(jié)合力，保證采摘果實(shí)質(zhì)量。
1.3采摘實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求
依據(jù)藍(lán)莓采摘作業(yè)形式，得到采摘實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求如下:
1)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要能夠模擬實(shí)際藍(lán)莓采摘情況，采摘對(duì)象保持靜止不動(dòng)，由實(shí)驗(yàn)臺(tái)靠近采摘對(duì)象進(jìn)行采摘;
2)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)該能夠進(jìn)行一定方向的、速度可控的移動(dòng);
3)用于采摘的機(jī)構(gòu)，在完成采摘功能的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單，方便制作加工，并且在一定程度上可以低成本的更換，從而滿足反復(fù)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)需要;
4)采摘末端執(zhí)行元件的擺動(dòng)頻率應(yīng)保證植株振動(dòng)，振落藍(lán)莓果實(shí);
5)采摘機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要能平滑調(diào)速，振動(dòng)的頻率、振幅都應(yīng)該是可以調(diào)節(jié)的;
6)機(jī)架負(fù)責(zé)連接采摘機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)移動(dòng)裝置，支撐整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。
1.4采摘實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案
采摘機(jī)構(gòu)能夠?qū)麡?shù)施加可調(diào)節(jié)的作用力，達(dá)到果實(shí)和果樹(shù)分離的目的。常用的振動(dòng)方式分為沖擊式、振搖式和機(jī)械振動(dòng)式:沖擊式通過(guò)瞬間沖擊樹(shù)干，產(chǎn)生慣性力，利用慣性力將果實(shí)分離;振搖式通過(guò)振動(dòng)機(jī)，使樹(shù)干進(jìn)行受迫振動(dòng)，搖晃樹(shù)枝，使果樹(shù)獲得慣性力，果實(shí)在慣性力的作用下和果樹(shù)分離;機(jī)械振動(dòng)式利用機(jī)構(gòu)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成簡(jiǎn)單可控的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生慣性力施加到樹(shù)枝上，果樹(shù)做受迫振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)特性達(dá)到一定值時(shí)使果實(shí)分離，達(dá)到采摘的目的。
采摘機(jī)構(gòu)是實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。采摘機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠直接影響到實(shí)驗(yàn)臺(tái)的采摘效果，進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)效果產(chǎn)生影響[4]。采摘機(jī)構(gòu)需要能夠進(jìn)行平滑的調(diào)速控制，且實(shí)驗(yàn)室環(huán)境不能使用功率過(guò)大的動(dòng)力源。綜合考慮實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)條件和采摘實(shí)驗(yàn)臺(tái)的功能要求，使用機(jī)械振動(dòng)式作為藍(lán)莓采摘振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的采摘原理最為合適。
機(jī)械振動(dòng)式采摘機(jī)構(gòu)產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的種類還可以分為旋轉(zhuǎn)式和擺動(dòng)式。相比于旋轉(zhuǎn)式采摘機(jī)，擺動(dòng)式采摘機(jī)在工作過(guò)程中振動(dòng)更平穩(wěn)，也更容易停止，在一定程度上能夠避免事故的發(fā)生。
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2實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過(guò)對(duì)藍(lán)莓果樹(shù)的測(cè)量得知，植株高度約為0.6～1m，寬度約為0.5～0.8m。綜合設(shè)計(jì)要求，得到采摘實(shí)驗(yàn)臺(tái)龍門(mén)框架尺寸:長(zhǎng)×寬×高=1.5m×1m×1.2m。
2.1實(shí)驗(yàn)臺(tái)移動(dòng)裝置
為了模擬實(shí)際采摘機(jī)在藍(lán)莓果園的采摘情況，試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)對(duì)象藍(lán)莓果樹(shù)應(yīng)該保持靜止不動(dòng)，由采摘機(jī)構(gòu)靠近果樹(shù)進(jìn)行采摘工作。實(shí)驗(yàn)臺(tái)接近果樹(shù)的速度應(yīng)該平穩(wěn)，且可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速。考慮到實(shí)驗(yàn)室條件和制作難度，采用交流調(diào)速電機(jī)作為實(shí)驗(yàn)臺(tái)移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)元件。該電機(jī)具有噪聲小、振動(dòng)輕及可正反轉(zhuǎn)調(diào)速等特點(diǎn)，完全滿足實(shí)驗(yàn)需求。
為了減小實(shí)驗(yàn)臺(tái)移動(dòng)時(shí)的阻力，將采摘裝置放置在導(dǎo)軌上，并利用電機(jī)帶動(dòng)同步帶，拉動(dòng)采摘裝置在導(dǎo)軌上進(jìn)行滑動(dòng)。圖2為傳送裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。通過(guò)連接塊固定基架、導(dǎo)軌滑塊與同步帶，同步帶由調(diào)速電機(jī)通過(guò)帶輪帶動(dòng)，能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)臺(tái)移動(dòng)有效地提供動(dòng)力，成功模擬實(shí)際采摘情況。
2.2曲柄連桿傳動(dòng)裝置
為使采摘傳動(dòng)裝置各元件按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，采用曲柄連桿傳動(dòng)裝置作為采摘系統(tǒng)傳動(dòng)裝置，原理如圖3所示。
圖3中，a為曲柄AB長(zhǎng)度(mm);b為連桿BC長(zhǎng)度(mm);c為搖桿CD長(zhǎng)度(mm);d為機(jī)架AD的長(zhǎng)度(mm);θ為極位夾角(°);ψ為搖桿擺角(°);γmin為最小許用傳動(dòng)角(°)。
曲柄搖桿設(shè)計(jì)步驟如下[5-6]:
1)根據(jù)采摘對(duì)象尺寸，初步確定機(jī)架長(zhǎng)度。藍(lán)莓植株花盆直徑300mm、高240mm，藍(lán)莓果樹(shù)離地面高約0.7～0.9m，樹(shù)冠最大直徑約400mm。考慮到實(shí)驗(yàn)臺(tái)的整體大小，確定曲柄搖桿機(jī)構(gòu)機(jī)架長(zhǎng)度為400mm。
2.2.1曲柄搖桿動(dòng)力學(xué)分析
按照a=70mm、b=406.3mm、c=100mm、d=400mm，建立曲柄搖桿模型，利用UG軟件對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。曲柄a作為主動(dòng)件，轉(zhuǎn)速為60r/min。忽略重力影響，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，搖桿的速度與加速度曲線如圖4所示。搖桿是采摘機(jī)構(gòu)的工作部件，搖桿的運(yùn)動(dòng)情況就是采摘機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況。由圖4可看出:搖桿速度、加速度曲線呈周期變化，在運(yùn)行過(guò)程中能夠按照預(yù)定設(shè)計(jì)規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn)，符合采摘設(shè)計(jì)要求。
2.2.2曲柄搖桿動(dòng)力學(xué)分析
曲柄連桿傳動(dòng)裝置如圖5所示。裝置由固定在橫梁上的交流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)曲柄搖桿末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)指排往復(fù)擺動(dòng)，且各桿長(zhǎng)度可調(diào)，以便更改指排的擺動(dòng)幅度。表2為該裝置關(guān)鍵尺寸及運(yùn)動(dòng)參數(shù)范圍。
3藍(lán)莓采摘實(shí)驗(yàn)研究
3.1條件與方法
試驗(yàn)采用自行搭建的藍(lán)莓采摘實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭配傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以自行種植的藍(lán)莓樹(shù)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，傳感器位置為與指排直接接觸的外部分枝距根部50mm處，如圖6、圖7所示。試驗(yàn)過(guò)程中，改變實(shí)驗(yàn)臺(tái)的各種參數(shù)，得到加速度數(shù)值反饋，找到滿足落果條件最適宜的參數(shù)。
3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
3.2.1振動(dòng)響應(yīng)分析
保持其他參數(shù)不變，將曲柄搖桿機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)拍打頻率分別調(diào)至1、2r/s，加速度反饋曲線如圖8與圖9所示。對(duì)比分析可知:隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，指排擺動(dòng)頻率增大，單位時(shí)間內(nèi)藍(lán)莓植株受到的拍擊次數(shù)增多，藍(lán)莓植株的振動(dòng)輸出響應(yīng)也逐漸增大。
保持其他參數(shù)不變，改變控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)采摘裝置移動(dòng)的同步帶電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)計(jì)算將采摘裝置移動(dòng)速度分別調(diào)至0.5、1.5m/s，加速度反饋曲線如圖10與圖11所示。對(duì)比分析可知:隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，采摘裝置移動(dòng)加快，單位時(shí)間內(nèi)藍(lán)莓植株受到的拍擊次數(shù)減少，藍(lán)莓植株的振動(dòng)輸出響應(yīng)逐漸減小。
保持其他參數(shù)不變，改變曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)，將指排擺動(dòng)幅度分別調(diào)至45°、60°，加速度反饋曲線如圖12與圖13所示。對(duì)比分析可知:隨著指排拍打幅度的提高，指排與樹(shù)枝的接觸范圍變大，藍(lán)莓植株的振動(dòng)輸出響應(yīng)也逐漸增大。
3.2.2采摘力響應(yīng)分析
選擇長(zhǎng)勢(shì)良好的藍(lán)莓樹(shù)進(jìn)行三水平三因素交叉實(shí)驗(yàn)，改變實(shí)驗(yàn)臺(tái)框架行走速度、指排拍打速度及指排拍打幅度，得到不同的加速度反饋值，反饋值通過(guò)分別位于兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)上的加速度傳感器采集，結(jié)果如表3所示。
查閱相關(guān)資料[7-8]，得到藍(lán)莓的熟果、青果及葉與母枝的平均結(jié)合力分別為0.3、0.9、1.6N，藍(lán)莓的單個(gè)質(zhì)量約為2g左右，因此藍(lán)莓植株受到的最佳采摘加速度約為150～200m/s2左右。分析正交試驗(yàn)表表3中的極差數(shù)值Ri(i=1～3)得到:拍打頻率對(duì)于振動(dòng)輸出響應(yīng)的影響最大，行走速度次之，拍打幅度影響最小。由Kij(i、j=1～3)得到符合采摘需求的最適宜參數(shù)組合為:最佳拍打頻率為2r/s左右，采摘機(jī)的最佳行走速度為1m/s左右，指排的最佳拍打角度為60°左右。另外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用該組參數(shù)進(jìn)行采摘時(shí)，成熟果實(shí)采摘率達(dá)到95%以上且枝葉基本沒(méi)有損傷。
4結(jié)論
1)設(shè)計(jì)了一種藍(lán)莓采摘實(shí)驗(yàn)臺(tái)，主要由曲柄連桿傳動(dòng)裝置、移動(dòng)裝置、龍門(mén)框架、導(dǎo)軌及機(jī)架等組成。
2)試驗(yàn)分析表明:①當(dāng)指排作用于藍(lán)莓樹(shù)枝的不同位置時(shí)，得到的振動(dòng)輸出響應(yīng)不同，從根部至末梢輸出響應(yīng)逐漸增大。②隨著采摘裝置電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，帶動(dòng)指排擺動(dòng)頻率增大，藍(lán)莓植株的振動(dòng)輸出響應(yīng)也逐漸增大。③隨著指排擺動(dòng)幅度的增大，指排的作用面積也增大，藍(lán)莓植株的振動(dòng)輸出響應(yīng)也逐漸增大;但擺動(dòng)幅度如果過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)指排插入樹(shù)枝內(nèi)部的現(xiàn)象，強(qiáng)行拉出指排會(huì)損傷樹(shù)枝，因此擺動(dòng)幅度控制在60°以內(nèi)比較合理。④隨著實(shí)驗(yàn)臺(tái)采摘裝置行走速度的提高，指排拍打藍(lán)莓植株的時(shí)間變少，從而藍(lán)莓植株的振動(dòng)輸出響應(yīng)也逐漸減小。
3)利用所設(shè)計(jì)的藍(lán)莓采摘實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明:當(dāng)采摘機(jī)指排拍打頻率為2r/s、拍打幅度為60°、行走速度為1m/s時(shí)，藍(lán)莓果實(shí)采摘力大于熟果與樹(shù)枝的結(jié)合力而小于生果與樹(shù)枝的結(jié)合力，滿足采摘條件，為最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。
