鮑玉冬，郭艷玲，張 慧，郭 帥

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

基于ADAMS的藍(lán)莓果實(shí)收獲碰撞仿真與分析

鮑玉冬，郭艷玲，張 慧，郭 帥

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

振動(dòng)式藍(lán)莓采摘機(jī)采摘藍(lán)莓的過程中，果實(shí)發(fā)生跌落碰撞。果實(shí)收獲過程中的碰撞分析對(duì)預(yù)測和評(píng)價(jià)果實(shí)質(zhì)量具有重要的作用。本研究結(jié)合國內(nèi)研發(fā)的藍(lán)莓采摘機(jī)的結(jié)構(gòu)，分析了藍(lán)莓果實(shí)跌落的軌跡和碰撞過程，得到了碰撞接觸力公式。根據(jù)采摘機(jī)和藍(lán)莓果樹的參數(shù)，用ADAMS對(duì)采摘機(jī)和果實(shí)進(jìn)行了簡化建模，并進(jìn)行了碰撞仿真，得到了碰撞接觸力大小的范圍。根據(jù)已經(jīng)得到的接觸力計(jì)算公式，可以用接觸力大小來預(yù)測和評(píng)價(jià)收獲到的藍(lán)莓果實(shí)的質(zhì)量。

林業(yè)機(jī)械；振動(dòng)式藍(lán)莓采摘機(jī)；藍(lán)莓果實(shí)；果實(shí)收獲；果實(shí)碰撞；ADAMS；仿真

藍(lán)莓被農(nóng)業(yè)專家預(yù)測為最具潛力的果樹品種，其果實(shí)被國際糧農(nóng)組織列為五大健康食品之一，藍(lán)莓果的需求量一直處于供不應(yīng)求狀態(tài)[1-3]。國外，美國大量種植藍(lán)莓，也是最早研制出藍(lán)莓采摘機(jī)的國家，對(duì)藍(lán)莓采摘的關(guān)鍵技術(shù)做了大量研究[4-5]。國內(nèi)，東北林業(yè)大學(xué)研制出了振動(dòng)式藍(lán)莓采摘機(jī)，藍(lán)莓果實(shí)在采摘的過程中發(fā)生跌落及碰撞，不同程度上造成機(jī)械損傷，果實(shí)的損傷程度直接影響到果品的質(zhì)量，因此對(duì)藍(lán)莓果實(shí)收獲過程中碰撞的研究具有重要的意義。農(nóng)林機(jī)械的作業(yè)環(huán)境受果實(shí)成熟期、作業(yè)環(huán)境等外部因素影響較大，需要充分考慮機(jī)械本身所處的實(shí)際環(huán)境，基于ADAMS的虛擬仿真技術(shù)，可以大幅度的節(jié)省物理樣機(jī)制造和試驗(yàn)的費(fèi)用，也可以不受時(shí)間和環(huán)境等因素的限制進(jìn)行試驗(yàn)研究。

藍(lán)莓果實(shí)在采摘機(jī)工作的過程中不可避免的發(fā)生碰撞，本研究結(jié)合藍(lán)莓采摘機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)以及藍(lán)莓植株的生長特性，對(duì)果實(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡和碰撞過程做了分析，得到了接觸力計(jì)算公式，并使用ADAMS進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可以通過接觸力計(jì)算公式用來評(píng)價(jià)藍(lán)莓果實(shí)的碰撞損傷程度，同時(shí)為藍(lán)莓采摘機(jī)結(jié)構(gòu)和材料的改進(jìn)等提供理論依據(jù)。

1 果實(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡及接觸力分析

1.1 采摘機(jī)的工作原理及果實(shí)跌落軌跡

本研究以國內(nèi)振動(dòng)式藍(lán)莓采摘機(jī)為研究對(duì)象，如圖1所示，采摘機(jī)為龍門式結(jié)構(gòu)，工作時(shí)“騎”著果樹行進(jìn)，車體底部對(duì)稱安裝傾斜接果板，與樹干接觸后會(huì)旋轉(zhuǎn)避開樹干，經(jīng)過樹干后，在彈簧恢復(fù)力的狀態(tài)下恢復(fù)至原來位置[6]。車體內(nèi)安裝的振動(dòng)棒將機(jī)械振動(dòng)傳遞給果樹，成熟的果實(shí)在接受了外加的強(qiáng)迫振動(dòng)后與樹枝分離[7]。

圖1 振動(dòng)式藍(lán)莓采摘機(jī)Fig.1 Vibration-blueberry picking machine

做平拋運(yùn)動(dòng)或斜拋運(yùn)動(dòng)的果實(shí)都可以看成是自由落體運(yùn)動(dòng)和其他運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)，因此本研究研究中把果實(shí)的脫落都當(dāng)成是自由落體運(yùn)動(dòng)，一側(cè)果實(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡如圖2所示。

圖2 果實(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡Fig.2 Fruit movement trajectories after being cut and dropping to the collection bag

1.2 藍(lán)莓果實(shí)碰撞力計(jì)算

假設(shè)藍(lán)莓果實(shí)與接果板瞬時(shí)碰撞只發(fā)生法向變形，不發(fā)生切向變形。碰撞過程可以分為壓縮階段和回彈階段。壓縮階段即果實(shí)與接果板接觸到壓縮到產(chǎn)生最大彈塑性變形的過程，回彈階段即果實(shí)從彈性變形彈性恢復(fù)到殘余塑性變形的過程[8]。

由Hertz的彈性碰撞理論[9]，果實(shí)與接果板發(fā)生彈性碰撞時(shí)，接觸區(qū)的應(yīng)力分布函數(shù)p(r)和接觸區(qū)半徑r′分別為：

式（1）～（2）中，F(xiàn)為作用在接觸區(qū)中心的集中載荷，與藍(lán)莓凹陷深度有關(guān)；r為距接觸區(qū)中心的距離；E′和μ分別為藍(lán)莓果實(shí)的彈性模量和泊松比。

Johnson提出了接觸區(qū)中心凹陷深度l與載荷F的關(guān)系[10]：

使果實(shí)變形達(dá)到彈性極限的碰撞速度為VM；接觸中心的載荷為FM，此時(shí)果實(shí)的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為果實(shí)的彈性應(yīng)變能，即

式（7）中，m為果實(shí)的質(zhì)量，rM為臨界半徑。

由(1)、(2)式得：

“安劉1”與“安劉2”典源與典義均不同：“安劉1”的典義已不再是其字面的 “安定劉氏江山”之義，而是變異成“維護(hù)王朝”（維護(hù)的對(duì)象可以是任何一個(gè)朝代，不再僅限于劉氏江山）之義了。典源是一個(gè)語典，即漢劉邦（高祖）病危時(shí)對(duì)呂后說：“周勃重厚少文，然安劉氏者必勃也?！薄鞍矂?”的典義為字面義，即“安定劉氏江山”之義。典源是一個(gè)事典：指漢初商山四皓輔助太子，安定劉氏江山之事。后世用典者根據(jù)詩文創(chuàng)作語境與表情達(dá)意的需要從上述兩個(gè)不同的典源中創(chuàng)造出了相同的典面“安劉”，這種相同只是偶然的相同，沒有必然聯(lián)系，所以“安劉1”與“安劉2”是同形典故詞語。

式（8）中，σM為果實(shí)接觸面屈服應(yīng)力，可根據(jù)試驗(yàn)確定。

將(8)式代入(7)式，得

果實(shí)在回彈階段起點(diǎn)由于塑性變形其曲率半徑ρp大于彈性接觸時(shí)曲率半徑ρ，根據(jù)接觸區(qū)半徑都相等的原則，定義等效彈性集中力為Fe，由式(3)得

式（10）、（11）中，F(xiàn)M為達(dá)到最大凹陷深度時(shí)的集中力；lM為回彈前達(dá)到的最大凹陷深度。

由等效集中力得到回彈階段集中力的計(jì)算公式為：

式(12)中，lp為回彈后果實(shí)的凹陷深度。

由(12)式可知，若已知果實(shí)在采摘過程中的碰撞力以及果實(shí)的彈性模量，即可知果實(shí)的變形及損傷程度。

2 基于ADAMS的果實(shí)碰撞仿真及分析

2.1 采摘機(jī)簡化模型及果實(shí)模型的建立

由于藍(lán)莓采摘機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以利用簡化的模型進(jìn)行虛擬仿真，降低硬件的要求，加快仿真速度[11-12]。根據(jù)藍(lán)莓采摘機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)及尺寸，在ADAMS中建立藍(lán)莓采摘機(jī)的機(jī)構(gòu)模型，并根據(jù)采摘機(jī)的材料設(shè)置模型材料類型，如圖3所示。

圖3 簡化模型Fig.3 Simplif i ed model of picking machine

根據(jù)高叢藍(lán)莓果實(shí)的平均質(zhì)量和大小，把藍(lán)莓果實(shí)簡化為質(zhì)量為3 g，直徑為12 mm的剛性小球。ADAMS中的柔性體沒有質(zhì)量和慣性矩的概念[13-14]，考慮到只需要掌握藍(lán)莓果實(shí)的碰撞力大小，不考慮果實(shí)在碰撞過程中的變形，因此沒有把藍(lán)莓果實(shí)建立成柔性體。

結(jié)合高叢藍(lán)莓的生長狀況以及果樹在采摘機(jī)內(nèi)的空間位置，在采摘機(jī)模型內(nèi)部布置6個(gè)果實(shí)模型，如圖3所示，果實(shí)位置參數(shù)如表1所示。

表1 果實(shí)模型位置參數(shù)Table 1 Fruit location model parameter

2.2 定義碰撞接觸

當(dāng)果實(shí)與采摘機(jī)接觸時(shí)，會(huì)在接觸的位置產(chǎn)生接觸力。在ADAMS/View中有兩種計(jì)算接觸力的方法，一種是補(bǔ)償法，另一種是沖擊函數(shù)法。補(bǔ)償法需要確定兩個(gè)參數(shù)：懲罰系數(shù)和補(bǔ)償系數(shù)。懲罰系數(shù)確定兩個(gè)構(gòu)件之間的重合體積的剛度，接觸力是懲罰系數(shù)與插入深度的乘積，若懲罰系數(shù)過小，就不能模擬兩個(gè)構(gòu)件之間的真實(shí)情況，若過大，會(huì)使計(jì)算出現(xiàn)問題，以至于不能收斂，所以選用輔助的拉格朗日擴(kuò)張法，通過多步迭代來來解決這一問題[15]。

2.3 碰撞仿真及分析

設(shè)定仿真步長和時(shí)間，執(zhí)行果實(shí)與采摘機(jī)的碰撞試驗(yàn)，共計(jì)5次，統(tǒng)計(jì)并整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值，如表1～表6所示。

通過表1～表6試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，跌落的果實(shí)平均碰撞6次，接觸力在0.05～31.41 N之間，第一次碰撞接觸力最大，接觸力大小隨著碰撞次數(shù)的增加而減小。

表2 1號(hào)果實(shí)碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Practical collision test data of No.1 fruit

表3 2號(hào)果實(shí)碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Practical collision test data of No.2 fruit

表4 3號(hào)果實(shí)碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Practical collision test data of No.3 fruit

表5 4號(hào)果實(shí)碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Practical collision test data of No.4 fruit

表6 5號(hào)果實(shí)碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 Practical collision test data of No.5 fruit

表7 6號(hào)果實(shí)碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 7 Practical collision test data of No.6 fruit

3 結(jié) 論

本研究根據(jù)國內(nèi)振動(dòng)式藍(lán)莓采摘機(jī)的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析了采摘過程中果實(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，藍(lán)莓果實(shí)在跌落的過程中發(fā)生碰撞，假設(shè)果實(shí)與接果板瞬時(shí)碰撞只發(fā)生法向變形，不發(fā)生切向變形。碰撞過程可以分為壓縮階段和回彈階段。根據(jù)Hertz和Johnson的彈性碰撞理論分析，得到了果實(shí)碰撞的接觸力計(jì)算公式，該公式可以用來預(yù)測和評(píng)價(jià)果實(shí)的損傷程度。

根據(jù)采摘機(jī)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，使用ADAMS對(duì)采摘機(jī)和藍(lán)莓果實(shí)進(jìn)行簡化建模。根據(jù)高叢藍(lán)莓果樹平均株高以及在采摘機(jī)內(nèi)部的位置，選取6個(gè)位置布置藍(lán)莓果實(shí)模型。

在ADAMS中進(jìn)行碰撞仿真試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)平均值，得到接觸力在0.05～31.41 N之間，接觸力大小隨著碰撞次數(shù)的增加衰減。

由于對(duì)藍(lán)莓采摘相關(guān)技術(shù)的研究有限，還有許多待研究的工作，如本研究涉及的內(nèi)容。藍(lán)莓果實(shí)接觸碰撞力的分析中對(duì)果實(shí)變形的假設(shè)以及對(duì)仿真模型的簡化，與真實(shí)情況尚有差距等。

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Simulation and analysis of fruits collision during blueberry harvest based on ADAMS

BAO Yu-dong, GUO Yan-ling, ZHANG Hui, GUO Shuai
(College of Mechanical and Electric Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

Ιn the course of blueberry harvest with vibration-blueberry picking machine, the dropped and collided each other. The analysis on falling and collision of fruits occurred when the blueberries were harvested by vibrating blueberry picking machine play very important roles on predicting and evaluating the quality of the fruit harvested. Combining with the structure of domestic blueberry picking machine, the falling trajectory and collision process were analyzed, based on which the formula of the collision contact force was obtained. According to parameters of picking machine and blueberry trees, the simplif i ed correlative model of picking machine and fruit were established by adopting ADAMS, thus obtaining the values range of collision contact forces. With the obtained formula, the collision contact forces can be calculated to predict and evaluate quality of the harvesting fruit quality.

forestry machinery; vibration-blueberry picking machine; blueberry fruits; fruits harvest; fruits of collision during the harvest; ADAMS; simulation

S776.22+2；S225.93

A

1673-923X(2013)12-0157-04

2013-07-01

國家林業(yè)局948項(xiàng)目(2011-4-21)

鮑玉冬（1986-），男，遼寧撫順人，博士研究生，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)，農(nóng)林采摘機(jī)和農(nóng)業(yè)機(jī)械

郭艷玲（1962-），女，黑龍江雙鴨山人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)，特種加工技術(shù)，農(nóng)林采摘機(jī)和機(jī)器人

[本文編校：文鳳鳴]