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摘 要： 摘要:為了研究藍莓植株采摘振動特性、研制出參數(shù)合理的藍莓采摘機，設(shè)計了一種藍莓采摘實驗臺，采摘裝置、行走裝置、龍門框架、導(dǎo)軌和基架組成。同時，研究了實驗臺設(shè)計參數(shù)對藍莓植株振動響應(yīng)的影響，對比分析可知:藍莓植株的振動輸出響應(yīng)與指排拍打頻率、
摘要:為了研究藍莓植株采摘振動特性、研制出參數(shù)合理的藍莓采摘機，設(shè)計了一種藍莓采摘實驗臺，采摘裝置、行走裝置、龍門框架、導(dǎo)軌和基架組成。同時，研究了實驗臺設(shè)計參數(shù)對藍莓植株振動響應(yīng)的影響，對比分析可知:藍莓植株的振動輸出響應(yīng)與指排拍打頻率、指排拍打幅度成正比，與采摘機行走速度成反比。進行了藍莓采摘試驗研究，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。該研究可為藍莓采摘機的設(shè)計及藍莓的振動特性研究提供參考。
關(guān)鍵詞:藍莓;采摘機;實驗臺;曲柄連桿
0引言
近年來，隨著農(nóng)林業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，藍莓種植和生產(chǎn)已成為農(nóng)民增收致富的新途徑。藍莓的營養(yǎng)價值很高，在國內(nèi)外的銷量一直很可觀。目前，藍莓果園的規(guī)模化發(fā)展要求越來越高，藍莓采摘機械化的重要性日益顯著[1]。
藍莓采摘作業(yè)具有勞動強度大、季節(jié)性較強的特點，目前很多國家采摘技術(shù)還停留在人工采摘、撿拾作業(yè)水平[2]。國內(nèi)的藍莓采摘機主要是靠仿照國外現(xiàn)有采摘機制作的，一方面國外的技術(shù)直接引進國內(nèi)，制作使用的效果不是很理想;另一方面國外的采摘機一般都不適合用于現(xiàn)在國內(nèi)的種植果園。為了能制作出高效合理的采摘機，需要反復(fù)進行大量的采摘試驗，確定合適的采摘機理和采摘參數(shù)，同時要對采摘效率、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)，進行實物采摘機試驗前，需在實驗室環(huán)境下搭建采摘實驗平臺進行模擬采摘試驗。因此，設(shè)計了藍莓采摘實驗臺，旨在為藍莓采摘機的設(shè)計及藍莓的振動特性研究提供參考。
1實驗臺設(shè)計方案與工作原理
1.1采摘作業(yè)工作原理
藍莓采收作業(yè)時，采摘機跨過藍莓樹叢向前行駛，藍莓植株進入龍門框架內(nèi)，發(fā)動機帶動采摘系統(tǒng);采摘系統(tǒng)末端執(zhí)行裝置指排往復(fù)擺動，拍打采摘機內(nèi)經(jīng)過的藍莓植株，通過樹枝振動震落藍莓果實，再由傳送帶進行收集，實現(xiàn)藍莓果實機械采摘。其工作原理如圖1所示。
1.2采摘振動機理
采摘系統(tǒng)帶動指排往復(fù)拍擊形成多激勵振動采摘力作用于藍莓植株，使藍莓植株振動形成振動輸出響應(yīng)，對生長在樹枝上的藍莓果實形成果、枝分離作用力，振落藍莓果實[3]。因此，為達到藍莓采摘過程中盡可能地采收熟果、留下生果且不傷害樹枝的目的，需控制指排作用下的果、枝分離作用力，使藍莓果實采摘力大于熟果結(jié)合力而小于生果結(jié)合力，保證采摘果實質(zhì)量。
1.3采摘實驗臺設(shè)計要求
依據(jù)藍莓采摘作業(yè)形式，得到采摘實驗臺設(shè)計要求如下:
1)實驗平臺要能夠模擬實際藍莓采摘情況，采摘對象保持靜止不動，由實驗臺靠近采摘對象進行采摘;
2)實驗平臺應(yīng)該能夠進行一定方向的、速度可控的移動;
3)用于采摘的機構(gòu)，在完成采摘功能的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量簡單，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)進行大量實驗需要;
4)采摘末端執(zhí)行元件的擺動頻率應(yīng)保證植株振動，振落藍莓果實;
5)采摘機構(gòu)的運動要能平滑調(diào)速，振動的頻率、振幅都應(yīng)該是可以調(diào)節(jié)的;
6)機架負責(zé)連接采摘機構(gòu)和實驗臺移動裝置，支撐整個實驗臺。
1.4采摘實驗臺設(shè)計方案
采摘機構(gòu)能夠?qū)麡涫┘涌烧{(diào)節(jié)的作用力，達到果實和果樹分離的目的。常用的振動方式分為沖擊式、振搖式和機械振動式:沖擊式通過瞬間沖擊樹干，產(chǎn)生慣性力，利用慣性力將果實分離;振搖式通過振動機，使樹干進行受迫振動，搖晃樹枝，使果樹獲得慣性力，果實在慣性力的作用下和果樹分離;機械振動式利用機構(gòu)將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成簡單可控的往復(fù)運動，從而產(chǎn)生慣性力施加到樹枝上，果樹做受迫振動，當(dāng)振動特性達到一定值時使果實分離，達到采摘的目的。
采摘機構(gòu)是實驗臺中的主要執(zhí)行機構(gòu)。采摘機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠直接影響到實驗臺的采摘效果，進而對實驗效果產(chǎn)生影響[4]。采摘機構(gòu)需要能夠進行平滑的調(diào)速控制，且實驗室環(huán)境不能使用功率過大的動力源。綜合考慮實驗室實驗條件和采摘實驗臺的功能要求，使用機械振動式作為藍莓采摘振動實驗平臺的采摘原理最為合適。
機械振動式采摘機構(gòu)產(chǎn)生往復(fù)運動，根據(jù)運動的種類還可以分為旋轉(zhuǎn)式和擺動式。相比于旋轉(zhuǎn)式采摘機，擺動式采摘機在工作過程中振動更平穩(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實驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計
通過對藍莓果樹的測量得知，植株高度約為0.6～1m，寬度約為0.5～0.8m。綜合設(shè)計要求，得到采摘實驗臺龍門框架尺寸:長×寬×高=1.5m×1m×1.2m。
2.1實驗臺移動裝置
為了模擬實際采摘機在藍莓果園的采摘情況，試驗過程中實驗對象藍莓果樹應(yīng)該保持靜止不動，由采摘機構(gòu)靠近果樹進行采摘工作。實驗臺接近果樹的速度應(yīng)該平穩(wěn)，且可以在一定范圍內(nèi)進行調(diào)速。考慮到實驗室條件和制作難度，采用交流調(diào)速電機作為實驗臺移動的驅(qū)動元件。該電機具有噪聲小、振動輕及可正反轉(zhuǎn)調(diào)速等特點，完全滿足實驗需求。
為了減小實驗臺移動時的阻力，將采摘裝置放置在導(dǎo)軌上，并利用電機帶動同步帶，拉動采摘裝置在導(dǎo)軌上進行滑動。圖2為傳送裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。通過連接塊固定基架、導(dǎo)軌滑塊與同步帶，同步帶由調(diào)速電機通過帶輪帶動，能夠為實驗臺移動有效地提供動力，成功模擬實際采摘情況。
2.2曲柄連桿傳動裝置
為使采摘傳動裝置各元件按預(yù)定軌跡運動，采用曲柄連桿傳動裝置作為采摘系統(tǒng)傳動裝置，原理如圖3所示。
圖3中，a為曲柄AB長度(mm);b為連桿BC長度(mm);c為搖桿CD長度(mm);d為機架AD的長度(mm);θ為極位夾角(°);ψ為搖桿擺角(°);γmin為最小許用傳動角(°)。
曲柄搖桿設(shè)計步驟如下[5-6]:
1)根據(jù)采摘對象尺寸，初步確定機架長度。藍莓植株花盆直徑300mm、高240mm，藍莓果樹離地面高約0.7～0.9m，樹冠最大直徑約400mm。考慮到實驗臺的整體大小，確定曲柄搖桿機構(gòu)機架長度為400mm。
2.2.1曲柄搖桿動力學(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軟件對其進行動力學(xué)仿真。曲柄a作為主動件，轉(zhuǎn)速為60r/min。忽略重力影響，進行動力學(xué)仿真，搖桿的速度與加速度曲線如圖4所示。搖桿是采摘機構(gòu)的工作部件，搖桿的運動情況就是采摘機構(gòu)的運動狀況。由圖4可看出:搖桿速度、加速度曲線呈周期變化，在運行過程中能夠按照預(yù)定設(shè)計規(guī)律運轉(zhuǎn)，符合采摘設(shè)計要求。
2.2.2曲柄搖桿動力學(xué)分析
曲柄連桿傳動裝置如圖5所示。裝置由固定在橫梁上的交流調(diào)速電機驅(qū)動，帶動曲柄搖桿末端執(zhí)行機構(gòu)指排往復(fù)擺動，且各桿長度可調(diào)，以便更改指排的擺動幅度。表2為該裝置關(guān)鍵尺寸及運動參數(shù)范圍。
3藍莓采摘實驗研究
3.1條件與方法
試驗采用自行搭建的藍莓采摘實驗臺搭配傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以自行種植的藍莓樹為實驗對象，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。試驗過程中，改變實驗臺的各種參數(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試驗數(shù)據(jù)分析
3.2.1振動響應(yīng)分析
保持其他參數(shù)不變，將曲柄搖桿機構(gòu)末端執(zhí)行機構(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。對比分析可知:隨著電機轉(zhuǎn)速的提高，指排擺動頻率增大，單位時間內(nèi)藍莓植株受到的拍擊次數(shù)增多，藍莓植株的振動輸出響應(yīng)也逐漸增大。
保持其他參數(shù)不變，改變控制實驗臺采摘裝置移動的同步帶電機轉(zhuǎn)速，通過計算將采摘裝置移動速度分別調(diào)至0.5、1.5m/s，加速度反饋曲線如圖10與圖11所示。對比分析可知:隨著電機轉(zhuǎn)速的提高，采摘裝置移動加快，單位時間內(nèi)藍莓植株受到的拍擊次數(shù)減少，藍莓植株的振動輸出響應(yīng)逐漸減小。
保持其他參數(shù)不變，改變曲柄搖桿機構(gòu)的尺寸參數(shù)，將指排擺動幅度分別調(diào)至45°、60°，加速度反饋曲線如圖12與圖13所示。對比分析可知:隨著指排拍打幅度的提高，指排與樹枝的接觸范圍變大，藍莓植株的振動輸出響應(yīng)也逐漸增大。
3.2.2采摘力響應(yīng)分析
選擇長勢良好的藍莓樹進行三水平三因素交叉實驗，改變實驗臺框架行走速度、指排拍打速度及指排拍打幅度，得到不同的加速度反饋值，反饋值通過分別位于兩個試驗點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，藍莓的單個質(zhì)量約為2g左右，因此藍莓植株受到的最佳采摘加速度約為150～200m/s2左右。分析正交試驗表表3中的極差數(shù)值Ri(i=1～3)得到:拍打頻率對于振動輸出響應(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，通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用該組參數(shù)進行采摘時，成熟果實采摘率達到95%以上且枝葉基本沒有損傷。
4結(jié)論
1)設(shè)計了一種藍莓采摘實驗臺，主要由曲柄連桿傳動裝置、移動裝置、龍門框架、導(dǎo)軌及機架等組成。
2)試驗分析表明:①當(dāng)指排作用于藍莓樹枝的不同位置時，得到的振動輸出響應(yīng)不同，從根部至末梢輸出響應(yīng)逐漸增大。②隨著采摘裝置電機轉(zhuǎn)速的提高，帶動指排擺動頻率增大，藍莓植株的振動輸出響應(yīng)也逐漸增大。③隨著指排擺動幅度的增大，指排的作用面積也增大，藍莓植株的振動輸出響應(yīng)也逐漸增大;但擺動幅度如果過大，會出現(xiàn)指排插入樹枝內(nèi)部的現(xiàn)象，強行拉出指排會損傷樹枝，因此擺動幅度控制在60°以內(nèi)比較合理。④隨著實驗臺采摘裝置行走速度的提高，指排拍打藍莓植株的時間變少，從而藍莓植株的振動輸出響應(yīng)也逐漸減小。
3)利用所設(shè)計的藍莓采摘實驗臺進行試驗，結(jié)果表明:當(dāng)采摘機指排拍打頻率為2r/s、拍打幅度為60°、行走速度為1m/s時，藍莓果實采摘力大于熟果與樹枝的結(jié)合力而小于生果與樹枝的結(jié)合力，滿足采摘條件，為最佳設(shè)計參數(shù)。