面向柑橘机械化收获的树冠振动系统设计与性能试验

发布时间：2020-11-13 19:21

　　 树冠振动是目前用于果实大规模连续采收的主要机械化收获方法,该收获方法因振动系统对果实产生损伤而主要应用于酿酒葡萄或果汁加工的藤木类及浆果类水果的收获。对于柑橘的机械化收获而言,现有的树冠振动式收获机械存在较严重的树冠损伤问题,对果园下一年产量造成了较大影响,使得柑橘的机械化采收很难获得大面积推广与应用。目前,柑橘收获仍以人工采收为主,造成柑橘收获的用工成本高,机械化程度仍然偏低。因此,急需从降低树冠损伤的角度研发一种新型树冠振动系统,对提升柑橘收获的机械化程度具有重要意义。本文以美国佛罗里达州(柑橘生产第一大州)广泛种植且用于橙汁加工的橙类品种‘Valencia’为研究对象。通过搭建振动脱落试验装置,对柑橘在竖直和水平两个方向上的振动脱落进行了振动频率分析和运动轨迹分析,明确了有利于柑橘脱落的振动方式;在此基础上设计了一种基于曲柄摇杆机构急回特性的联动振动机构,并结合树冠形态特征,开发了一种上、下两段式树冠振动系统;利用虚拟样机技术对该系统中的振动装置进行了虚拟样机建模和仿真分析,确定了各构件尺寸参数并试制了树冠振动系统的物理样机,通过实验室性能测试分析了振动系统的振动频率、振幅和振动杆的选取等,再通过果园采收试验分析了振动杆分布、振动频率与行驶速度、树冠振动响应、最优频率组合等条件下的收获性能,为树冠振动收获系统的研究与应用提供参考。本文的主要研究内容和结论如下:(1)提出有利于柑橘振动脱落的水平振动方式。为了探究柑橘随树枝受到外部激励作用时的运动规律和振动脱落机理,本文对柑橘随树枝在竖直和水平方向上的振动进行了动力学分析,再通过搭建振动试验台模拟柑橘随树枝的运动,采用加速度传感器测试并分析柑橘在这两个方向上运动的振动频率,当外部激励频率小于5 Hz时,柑橘在水平方向上产生的振动频率高于竖直方向,且在较小外部激励作用下就能产生较高振动频率。再利用高速摄影技术分析了柑橘在这两个方向上受到外部激励时的运动轨迹,也显示柑橘在水平方向上受到外部激励频率为2.8 Hz时就能产生较大的振动,表明柑橘受到水平方向上的外部激励时有利于果实的振动脱落。(2)设计基于曲柄摇杆机构的上、下两段式树冠振动系统。通过对中型柑橘树冠的形态尺寸进行手工测量,得出树冠有效高度和果实分布厚度,分别为1.89 m和1.03 m。然后根据树冠形态特点提出了一种上、下两段式树冠振动系统,该系统利用曲柄摇杆机构的急回特性使得振动系统的振动杆能够强力击打树冠,以提高果实振动的有效性。再利用Solidworks软件和ADAMS软件建立了振动机构的虚拟样机模型并进行了运动学仿真分析,最后根据设计尺寸试制振动系统物理样机。该振动系统样机高度和宽幅分别达到2.54 m和3 m,能够满足收获机平台的树冠适应性和通过性。(3)测试并分析振动系统的振动性能。利用加速度测试系统对振动系统在不同液压马达转速作用下的振动频率和加速度变化进行了测试,得出振动系统可调节的振动频率范围为2.5 Hz~6.8 Hz。另外,对三种不同材质或形状的振动杆进行了弯曲变形分析和振动试验研究,结果表明弓形振动杆在果实采收和树冠损伤两方面具有较好的综合性能,在外部激励频率为4.7 Hz时的振动范围介于578 mm~630 mm之间。(4)研究树冠与振动系统间的响应关系。利用梁的弯曲振动理论建立了主枝在横向激励作用下的振动模型,分析了主枝振动的偏微分方程和频率方程。再通过加速度测试系统对主枝在不同外部激励作用时的加速度变化进行振动测试,当主枝在外部激励频率从2.5 Hz逐渐增加到4.7 Hz时,主枝直径较小段的振动加速度更大;当外部激励频率超过4.7 Hz时,主枝在x、y、z三个方向上的加速度值明显增加,此时的果实脱落率达86.5%;当外部激励频率达到6.8 Hz时,较大的外部激励对树冠的振动强度更大,振动频率的增加则会增加树冠的损伤,即该振动系统在进行果园采收时的振动频率最好不超过4.7 Hz。(5)提出振动杆的两种布局模式,分别为交错布局和平行布局。交错布局的振动杆间距为330 mm,通过扩大振动杆的间距来提高树冠在振动过程中的通过性,获得了82.6%的果实采收率和5.4%的树冠损伤率。而平行布局的振动杆间距为165 mm,其果实采收率和树冠损伤率分别为83.5%和7.5%,说明振动杆采用交错布局能够有效减轻树冠损伤,并保持较高采收率。(6)试验分析不同振动频率和行驶速度下的果实采收率和树冠损伤率。采收试验结果表明,当振动系统以较小的振动频率(3.3 Hz~3.6 Hz)振动树冠时,均获得较低的树冠损伤率和果实采收率。当振动系统以6.8 Hz的高频率和1 km/h的慢速行驶击打树冠时,能够获得很高的果实采收率,达到89.3%,但同时也造成高达15.3%左右的树冠损伤。综合分析果实采收率和树冠损伤率与振动频率及行驶速度的变化关系,该振动系统以3 km/h的行驶速度和4.7 Hz的振动频率对柑橘树冠进行振动采收时,其收获效率为360~500棵/小时,果实采收率达到82.6%,而树冠损伤率仅为5.4%,可获得较好的系统收获性能。(7)提出上、下振动系统以不同频率组合进行树冠振动采收的方法。通过对7组振动频率组合进行采收试验,结果表明,当上振动系统的振动频率比下振动系统频率大时,振动系统对树冠造成的损伤较小,这表明上、下振动系统分别以较高和较低的组合频率进行柑橘振动采收时能够减轻振动系统对树冠的损伤。该树冠振动系统的最优振动频率组合为4.74.1 Hz,其相应的果实采收率和树冠损伤率分别为82.5%和3.9%。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S225.93
【部分图文】：

第 1 章 绪论究背景及意义橘是世界范围内广泛种植的重要经济作物之一，是世界最大宗的水果，也贸易农副产品。根据联合国粮食与农业组织（FAO）2000 年至 2015 年统STAT 2016），世界柑橘种植面积和产量均稳步增长（如图 1-1 所示）。目植主要集中于亚洲，其种植面积占世界柑橘种植总面积的 52.9%，美洲和别为 24.5%、16.6%，欧洲和大洋洲各占比为 6%(齐乐和祁春节 2016)。根（United States Department of Agriculture）报告，全球柑橘产量在 2016-2 320 万吨达到 5020 万吨，然而，美国由于柑橘黄龙病影响使得产量降低减少，其柑橘产量仅为777万吨，比上一年度下降了近100万吨(USDA-FA，世界柑橘生产逐渐由美洲向亚洲和部分非洲国家转移，亚洲在世界柑橘比已高达 44.9%，略高于美洲的 34.7%，亚洲柑橘种植面积是美洲的两倍整体生产效率要优于亚洲(祁春节 2001)。

的最终目的就是收获柑橘以获得经济效益，而柑橘采收季动密集型作业，若采收不及时，将直接影响果实产量与质柑橘生产过程中的重要部分与薄弱环节。随着科学技术的人工采收之外，国内外研究学者对机械收获系统代替人力，主要包括：（1）半自动辅助采收平台；（2）柑橘采摘机下文对上述几种采收方式的研究进展做进一步概述。助采收平台收获仍然以人工采收为主，该传统收获方式是广泛利用人运，对于果树高处的果实则利用梯子进行辅助（如图 1-2的提高，除了鲜果市场的需求，果汁行业对水果采收的需够确保水果免于果实损伤并保证果品质量，但其劳动力需率低，并且随着劳动力成本的逐年增加而降低了经济收益其他水果产业的快速发展。因此，人们对能够减轻劳动强采收平台需求日益旺盛。

面向柑橘机械化收获的树冠振动系统设计与性能试验移动平台牵引，配套液压驱动升降机构、横向调节机构，将行人工采摘，采摘后的果实放入收集袋或通过滑行管道或传套半自动化手柄夹持装置，实现果园的半自动机械化收获，如果实收获技术日益成熟，且农机与农艺进一步融合，摘果辅采摘、果实输送与装箱(杨贞等 2018，2017)、果树剪枝、授的果实收获作业半自动操作平台。目前，该类收获作业机械如苹果、梨、桃子等果皮易受损伤且树体高度较高的鲜食果大为等 2013; 赵映等 2017)。
【参考文献】

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本文编号：2882537