振動(dòng)式枸杞采摘機(jī)理仿真分析與樣機(jī)試驗(yàn)

　　摘要：為了實(shí)現(xiàn)枸杞機(jī)械化采摘，該文研究了枸杞振動(dòng)采摘機(jī)理，并建立振動(dòng)采摘力學(xué)模型，分析求解得到枸杞掛果枝條受迫振動(dòng)時(shí)各節(jié)點(diǎn)處枸杞和花朵所受慣性力的通解。運(yùn)用MATLAB對(duì)振動(dòng)式枸杞采摘機(jī)工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和仿真試驗(yàn)，優(yōu)化得到合理的迫振載荷和驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速組合，仿真試驗(yàn)得到受迫振動(dòng)枸杞掛果枝條各節(jié)點(diǎn)處枸杞與花朵所受采摘慣性力隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律仿真曲線，對(duì)轉(zhuǎn)速取值進(jìn)行調(diào)整。最后進(jìn)行了枸杞采摘試驗(yàn)，試驗(yàn)得到合理的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為2870r/min，該轉(zhuǎn)速水平在仿真得到的合理的轉(zhuǎn)速區(qū)間為2868.84～2871.21r/min。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為2870r/min時(shí)，成熟枸杞采摘效率為815顆/min，成熟枸杞采凈率為86.70%，未成熟枸杞采摘率為7.36%，花朵采摘率為7.43%，成熟枸杞損傷率為8.62%，機(jī)采人采效率比為5.43，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)論一致。研究結(jié)果可為枸杞振動(dòng)采摘機(jī)的研制提供參考。

　　關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；振動(dòng)；采摘；枸杞；驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速

　　0引言

　　近年來(lái)，隨著科學(xué)研究的不斷深入，枸杞在抗氧化、抗衰老、抗疲勞、保護(hù)肝臟、提高肌體免疫力、保護(hù)眼睛等方面所具有的特效功能被進(jìn)一步證實(shí)[1-3]，其獨(dú)特而豐富的營(yíng)養(yǎng)保健功效在西方國(guó)家逐漸得到認(rèn)可[4]，枸杞的市場(chǎng)需求逐年擴(kuò)大。枸杞在中國(guó)西北地區(qū)，寧夏、內(nèi)蒙、甘肅、青海、陜西、山西、河北、西藏等均有分布，其中枸杞的主要產(chǎn)區(qū)為寧夏回族自治區(qū)、甘肅省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、青海省、新疆維吾爾族自治區(qū)，2013年全國(guó)枸杞種植面積1220km2，2012年干果年產(chǎn)量25.22萬(wàn)t[5]。枸杞從5月中旬開(kāi)始，生長(zhǎng)期內(nèi)連續(xù)開(kāi)花結(jié)果。枸杞根據(jù)年內(nèi)果實(shí)采摘時(shí)間的不同，可分為春果、夏果和秋果[6]。為了使枸杞干制后具有較好的商品性狀，在枸杞八成熟左右時(shí)進(jìn)行采收[7]，每年7～9月份是枸杞盛果期，也是枸杞采摘高峰期，每隔7d左右就要采摘一次[8-9]。數(shù)百年來(lái)，枸杞的機(jī)械化采摘一直是個(gè)難題，枸杞鮮果采摘一直依靠人工，采摘效率低，采摘成本高[10]。隨著枸杞種植面積的不斷擴(kuò)大，采果工將會(huì)更加緊缺，隨之而來(lái)的采摘費(fèi)用也在不斷攀升，采摘問(wèn)題成了制約枸杞產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的瓶頸[11-12]。研究表明：枸杞主要分布在中國(guó)，國(guó)外對(duì)枸杞采摘機(jī)械的研究尚屬空白，國(guó)內(nèi)對(duì)枸杞采摘機(jī)械的研究做了較多研究，涉及到的采摘方式有振動(dòng)式、梳刷式、剪切式、氣動(dòng)式等。在振動(dòng)采摘方式研究方面：何軍、曹有龍研發(fā)了4ZGB－30型便攜式枸杞采摘機(jī)[13]，劉文海研發(fā)了自走式大型枸杞采摘機(jī)[14]。在梳刷采摘方式研究方面：周兵、何晶研發(fā)了模擬手枸杞采摘機(jī)[7]，武兵強(qiáng)、周鳳廷等研發(fā)了一種枸杞采摘器[15]。在剪切采摘方式研究方面：曾小虎設(shè)計(jì)了一種新型枸杞采摘器[16]，趙偉康等設(shè)計(jì)了滾刀式枸杞可選擇采摘機(jī)[17]。在氣動(dòng)采摘方式研究方面：張換高、徐博豪設(shè)計(jì)了一種氣吸式枸杞采摘機(jī)[18]。這些采摘機(jī)大部分為小型手持式，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、便于攜帶，缺點(diǎn)是工作效率較低，人工依賴程度大，采摘時(shí)需要人工手持機(jī)具手柄，捕捉、固定掛果枝條并振動(dòng)采摘，每小時(shí)采摘鮮果8kg左右。大型自走式枸杞采摘機(jī)研究仍處于試驗(yàn)階段，技術(shù)還不成熟。因此，本文研究枸杞振動(dòng)采摘機(jī)理，通過(guò)分析獲取合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，研制開(kāi)發(fā)大型自走式枸杞采摘機(jī)，以期為枸杞采摘機(jī)械化發(fā)展提供參考。

　　1枸杞鮮果振動(dòng)采摘模型

　　枸杞振動(dòng)采摘原理如圖1所示，采摘機(jī)振動(dòng)桿支架上的振動(dòng)桿以正弦規(guī)律拍打枸杞掛果枝條使其受迫振動(dòng)，分布在掛果枝條上的成熟枸杞、未成熟枸杞和花朵獲得振動(dòng)位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)。分析枸杞鮮果生長(zhǎng)特征及其在枝條上的分布情況，枸杞掛果枝條從枸杞樹(shù)主枝干分支出來(lái)，相對(duì)于主枝干，掛果枝條纖細(xì)且下垂，掛果枝條上較均勻地分布著節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可能分布著成熟枸杞、未成熟枸杞及花朵。鑒于掛果枝條在枸杞枝干均勻分布且相鄰掛果枝條的間距近似相等，為了仿真計(jì)算方便，假設(shè)掛果枝條的分布是均勻的且間距相等。同時(shí)，枸杞采摘機(jī)裝配有扶禾裝置，在對(duì)掛果枝條施加迫振載荷時(shí)扶禾裝置相對(duì)固定著枸杞樹(shù)主干，掛果枝條頂端固定在枸杞樹(shù)主干上，可近似認(rèn)為枝條頂端為全約束，其余部分自由下垂，可簡(jiǎn)化為懸臂梁模型。如圖2所示，該懸臂梁上等距分布著k個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處集中質(zhì)量mi（i=1，2，...，k），g，構(gòu)成一個(gè)自由度為k的阻尼系統(tǒng)，設(shè)M、C、K分別是對(duì)稱的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣，pi為節(jié)點(diǎn)i處施加的作用力，N。掛果枝條所受到的迫振荷載可以表示為力的空間分布向量P={p1,p2,...,pk}T和時(shí)間函數(shù)sin(ωt)的乘積，該阻尼系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)微分方程可表示為[19-21]：

　　2振動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)分析與求解

　　下文以掛果枝條為研究對(duì)象，根據(jù)上文建立的枸杞振動(dòng)采摘力學(xué)模型，求解掛果枝條各個(gè)節(jié)點(diǎn)上分布的成熟枸杞、未成熟枸杞及花朵分別受到的慣性力。

　　3枸杞振動(dòng)采摘參數(shù)優(yōu)化與仿真試驗(yàn)

　　為了對(duì)振動(dòng)枸杞采摘進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化與仿真試驗(yàn)[28]，需要測(cè)量枸杞植株生長(zhǎng)特性參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，測(cè)量的品種為寧杞一號(hào)，樹(shù)齡為10a，測(cè)量的方法如下：對(duì)枸杞植株的生長(zhǎng)特性參數(shù)用常規(guī)方法測(cè)量，采用游標(biāo)卡尺、卷尺、高精度電子稱等工具測(cè)量枝條直徑、節(jié)點(diǎn)距離、掛果枝條長(zhǎng)度、枸杞及花朵質(zhì)量。用千分表（哈爾濱量具刃具集團(tuán)責(zé)任有限公司，型號(hào)：Links0-1×0.001mm，量程：0～1mm，精度：0.001μm）測(cè)量掛果枝條受力狀態(tài)下的位移并計(jì)算其彈性模量[29]，用數(shù)顯式推拉力計(jì)（樂(lè)清市寶特儀器廠，型號(hào)：HP-5，量程：0～5N，精度：0.001N）測(cè)量枸杞與果柄的結(jié)合力及花朵與花柄的結(jié)合力[30]。采摘時(shí)間為2014年5月10日上午，枸杞成熟度為八成熟，測(cè)量前用抽樣的方法取10株枸杞植株作為測(cè)量對(duì)象，每株枸杞樹(shù)作為一個(gè)樣本，利用上述方法和試驗(yàn)儀器得到10組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到10組數(shù)據(jù)的平均值和對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差，如表1和表2所示。

　　[參考文獻(xiàn)]

　　[1]郭敏，烏蘭托雅，李剛.枸杞多糖藥理作用的研究進(jìn)展[J].華西藥學(xué)雜志，2013，28(6)：633－635.

　　[2]ChuPatrickHW,LiHongying,ChinManpan,etal.EffectofLyciumBarbarum(L.barbarum)polysaccharidesonpreservingretinalfunctionafterpartialopticnervetransection[J].PLoSONE,2013,12(8):1－12.

　　[3]HeNianwu,YangXingbin,JiaoYadong,etal.CharacterisationofantioxidantandantiproliferativeacidicpolysaccharidesfromLyciumbarbarumfruits[J].Foodchemistry,2012,3(133):978－989.

　　張最，肖宏儒※，丁文芹，梅松

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