鮑玉冬，李志鵬，郭艷玲，王海濱

(東北林業(yè)大學(xué)a.機(jī)電工程學(xué)院；b.交通學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

振動(dòng)式藍(lán)莓采摘機(jī)對(duì)果實(shí)收獲的影響試驗(yàn)

鮑玉冬a，李志鵬b*，郭艷玲a，王海濱a

(東北林業(yè)大學(xué)a.機(jī)電工程學(xué)院；b.交通學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

以‘藍(lán)豐’藍(lán)莓為研究對(duì)象，建立了藍(lán)莓果實(shí)振動(dòng)模型和果樹(shù)振動(dòng)系統(tǒng)模型。以藍(lán)莓與母枝的結(jié)合力作為采摘力對(duì)模型求解，確定果實(shí)適宜收獲的振動(dòng)頻率約為24 rad/s時(shí)，可提高采摘效率，降低青果脫落率。利用該振動(dòng)頻率，使用東北林業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的GYL062型牽引振動(dòng)式藍(lán)莓采摘機(jī)在藍(lán)莓集中成熟的季節(jié)進(jìn)行采摘試驗(yàn)，得到適宜振動(dòng)頻率下機(jī)械采摘的工作效率為7.17 kg/min，是人工采摘效率的10倍，青果脫落率約為5.6%，果實(shí)損傷率約為8.0%，樹(shù)枝總體損傷率約為30%。

藍(lán)莓；振動(dòng)；采摘力；采摘機(jī)

1 藍(lán)莓果樹(shù)振動(dòng)模型的建立

振動(dòng)式采果是將采摘機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)力傳遞給果樹(shù)，果樹(shù)樹(shù)枝在接受強(qiáng)迫振動(dòng)力后，以一定的頻率和振幅振動(dòng)，樹(shù)枝上的果實(shí)通過(guò)振動(dòng)加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)加速運(yùn)動(dòng)的果實(shí)受到的慣性力大于果實(shí)與樹(shù)枝之間的結(jié)合力時(shí)果實(shí)掉落[3,6]。通過(guò)果樹(shù)振動(dòng)模型分析果樹(shù)在振動(dòng)過(guò)程中的響應(yīng)特性[8–9]，可確定果實(shí)收獲的適宜的振動(dòng)頻率。

藍(lán)莓果樹(shù)形態(tài)大小及果實(shí)大小存在差異，以‘藍(lán)豐’品種為對(duì)象，對(duì)藍(lán)莓果實(shí)、果柄及樹(shù)枝系統(tǒng)、樹(shù)體與樹(shù)根系統(tǒng)建模及求解。

1.1 果實(shí)振動(dòng)力模型

藍(lán)莓果實(shí)生長(zhǎng)在樹(shù)枝的最末端，因此果實(shí)振動(dòng)力模型包括果實(shí)、果柄和與果柄相連的副枝。藍(lán)莓生長(zhǎng)的空間分布以及振動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行，不能使所有的藍(lán)莓果實(shí)全部受到相同的振動(dòng)力的作用，未受到振動(dòng)力直接作用的樹(shù)枝，會(huì)在其他樹(shù)枝所產(chǎn)生的振動(dòng)影響下，在同一果樹(shù)樹(shù)枝之間的相互約束條件下相應(yīng)地產(chǎn)生振動(dòng)[10]。由于振動(dòng)式采摘對(duì)果樹(shù)產(chǎn)生的振動(dòng)是接觸和持續(xù)的，所以近似認(rèn)為采摘過(guò)程中果樹(shù)的振動(dòng)頻率即為振動(dòng)器的振動(dòng)頻率。

設(shè)定振動(dòng)過(guò)程中，長(zhǎng)有果實(shí)的副枝不發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。果實(shí)懸掛點(diǎn)處的慣性力，分為垂直于果柄的切向分力和沿著果柄的法向分力。切向分力使得果柄發(fā)生彎曲變形，對(duì)果實(shí)的采摘不產(chǎn)生影響，所以只考慮使果柄產(chǎn)生軸向拉力的法向分力。

將強(qiáng)迫振動(dòng)、樹(shù)枝的振動(dòng)和果實(shí)的振動(dòng)簡(jiǎn)化在同一平面內(nèi)，這樣樹(shù)枝、果實(shí)和果柄的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)即可簡(jiǎn)化為1個(gè)運(yùn)動(dòng)的單擺系統(tǒng)[11]，建立如圖1所示的坐標(biāo)系，用拉格朗日法分析擺的運(yùn)動(dòng)微分方程。

由圖1幾何關(guān)系可知，果實(shí)在xoz坐標(biāo)系下的絕對(duì)坐標(biāo)為：

單擺系統(tǒng)的動(dòng)能方程為：

單擺系統(tǒng)的勢(shì)能方程為：

式中：V為勢(shì)能(J);g為重力加速度( N/m2)。導(dǎo)入拉格朗日方程，得：

(5)式表示按任意規(guī)律移動(dòng)的樹(shù)枝上的擺的位置。假設(shè)果實(shí)懸掛點(diǎn)處在水平面內(nèi)按簡(jiǎn)諧規(guī)律運(yùn)動(dòng)，則：

式中：ω為自由振動(dòng)圓周率(rad/s)；A為強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅(m)；ν為強(qiáng)迫振動(dòng)頻率(rad/s)；t為時(shí)間(s)。

圖1 懸掛點(diǎn)在移動(dòng)下的物理擺Fig.1 Physical pendulum with the suspension point moving

由(6)式可知，果實(shí)的振動(dòng)由自由振動(dòng)和強(qiáng)迫簡(jiǎn)諧振動(dòng)2部分組成。

小漿果在脫落時(shí)，其自振頻率遠(yuǎn)小于強(qiáng)迫振動(dòng)頻率[15]，因此令 0ω= ，則：

式中：nF為慣性力沿果柄方向的法向分力(N)通過(guò)分析可知，在振動(dòng)采摘過(guò)程中，果實(shí)、果柄和副枝系統(tǒng)相當(dāng)于1個(gè)運(yùn)動(dòng)的單擺系統(tǒng)，擺動(dòng)中的果實(shí)的果柄受到的軸向拉力達(dá)到果實(shí)和果柄之間的結(jié)合力時(shí)使果實(shí)脫落。由(7)式可知，軸向拉力的大小與果實(shí)質(zhì)量和外加強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率有關(guān)。

1.2 果樹(shù)振動(dòng)系統(tǒng)模型

藍(lán)莓采摘機(jī)為接觸式旋轉(zhuǎn)振動(dòng)收獲機(jī)，將旋轉(zhuǎn)振動(dòng)器深入植物冠層內(nèi)，擊打和梳刷果實(shí)，使果樹(shù)產(chǎn)生振動(dòng)[12–14]。假設(shè)由旋轉(zhuǎn)振動(dòng)器產(chǎn)生的慣性力為Msrv2sin vt，可以得到連續(xù)式收獲系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程：

式中： xM為果樹(shù)振動(dòng)水平方向的位移(m)；Mx˙為果樹(shù)振動(dòng)水平方向的速度(m/s)；Mx˙為果樹(shù)振動(dòng)水平方向的加速度(m/s2)；tM為等效質(zhì)量(kg)；M為果樹(shù)等效質(zhì)量(kg)；sM 為振動(dòng)器等效質(zhì)量(kg)；r為振動(dòng)器旋轉(zhuǎn)半徑(m)。

由(8)式，得：

式中：xA為樹(shù)枝在水平方向上的振幅(m)；c為樹(shù)枝的彈性系數(shù)(m/N)；k為黏性阻尼系數(shù)(Ns/m)。

果樹(shù)力學(xué)模型的建立過(guò)程中，常將果樹(shù)系統(tǒng)假設(shè)為單自由度系統(tǒng)，且具有一致的物理性。果樹(shù)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，為了便于分析，將果樹(shù)分為樹(shù)枝–果實(shí)、主根–土壤和樹(shù)冠3個(gè)部分[15]。果樹(shù)在振動(dòng)時(shí)，土壤中的主根也隨著整個(gè)系統(tǒng)振動(dòng)，并隨之消耗一部分輸入的振動(dòng)能量[16–17]。提出一種果樹(shù)模型[18–20]，該果樹(shù)振動(dòng)模型簡(jiǎn)化后包括葉、果實(shí)及樹(shù)干等效質(zhì)量(樹(shù)體等效質(zhì)量)和樹(shù)根等效質(zhì)量 2部分，如圖2所示。

[19]，經(jīng)過(guò)分析和計(jì)算得出的黏性阻尼系數(shù)，得：

式中：defk 為黏性阻尼系數(shù)理論值(Ns/m)；R為果樹(shù)旋轉(zhuǎn)半徑(m)；h為等效振動(dòng)力距地面的距離(m)；H為根部等效質(zhì)量中心距地面的距離(m)；a為根部等效質(zhì)量中心距旋轉(zhuǎn)中心的距離(m)。

根據(jù)彈性系數(shù)計(jì)算公式[19]，得：

式中：cdef為彈性阻尼系數(shù)理論值(m/N)。

根據(jù)果樹(shù)振動(dòng)旋轉(zhuǎn)半徑計(jì)算公式[19]，得：

圖2 果樹(shù)振動(dòng)模型Fig.2 Vibrating model of fruit tree

通過(guò)分析可知，果樹(shù)振動(dòng)系統(tǒng)包括樹(shù)體和樹(shù)根2部分。對(duì)振動(dòng)果樹(shù)系統(tǒng)，除了考慮樹(shù)體接受振動(dòng)以外，還要考慮樹(shù)根需要吸收一部分能量。參考公式(11)~(13)，樹(shù)體和樹(shù)根吸收的能量與樹(shù)體和樹(shù)根的質(zhì)量分布、樹(shù)根結(jié)構(gòu)分布和作用力位置有關(guān)。

2 振動(dòng)采摘力分析

2.1 振動(dòng)采摘力的產(chǎn)生

東北林業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的振動(dòng)式藍(lán)莓采摘機(jī)(型號(hào)為GYL062)為龍門(mén)式車(chē)體，車(chē)體內(nèi)部安裝振動(dòng)指排，依靠液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)雙側(cè)指排同時(shí)振動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率。由華苑牌350型拖拉機(jī)牽引作業(yè)。振動(dòng)采摘機(jī)構(gòu)作用于果樹(shù)，指排(即振動(dòng)棒)直接插入樹(shù)冠使其傳遞振動(dòng)，產(chǎn)生的采摘力使果實(shí)與樹(shù)枝分離[15]。

2.2 振動(dòng)頻率的確定

通過(guò)對(duì)‘藍(lán)豐’果樹(shù)的生物特性測(cè)量可知，藍(lán)莓果實(shí)平均質(zhì)量0.002 6~0.003 3 kg，果樹(shù)質(zhì)量平均為10 kg；H、h和a分別平均為0.15、0.85、0.25 m果柄平均長(zhǎng)為0.02 m；熟果、青果和葉與母枝的結(jié)合力平均分別為0.7、1.2、1.7 N。

采摘力大小可以設(shè)置為沿著果柄方向的慣性力大小，該慣性力大小即為熟果與母枝的結(jié)合力0.7N，該力小于青果和葉與母枝的結(jié)合力，在該采摘力作用下，熟果脫落，青果與葉不脫落，此時(shí)果樹(shù)的振動(dòng)頻率即為采摘振動(dòng)的適宜頻率。

參照文獻(xiàn)[18–20]，取 kdef=9 850 Ns/m，cdef= 6×10–6m/N，取振動(dòng)器質(zhì)量Ms=10.4 kg，振動(dòng)器旋轉(zhuǎn)半徑r=1 m。結(jié)合藍(lán)莓生物學(xué)特性數(shù)據(jù)，通過(guò)式(7)、(10)、(11)、(12)、(13)計(jì)算得到熟果掉落的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率v≈24 rad/s。

3 采摘試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)

為檢驗(yàn)振動(dòng)模型是否有效及采摘力的理論分析是否能達(dá)到預(yù)期效果，對(duì)比不同振動(dòng)頻率下的采摘效率和青果脫落率。由于果樹(shù)振動(dòng)模型的建立考慮了果樹(shù)的主根吸收了一部分振動(dòng)能量，因此適宜的振動(dòng)頻率較大，需考慮在該頻率工作下青果的脫落及果實(shí)和樹(shù)枝的損傷率。

采摘效率，定義為單位時(shí)間采摘成熟果實(shí)的質(zhì)量。青果脫落率，定義為收獲的果實(shí)中青果粒數(shù)所占果實(shí)總粒數(shù)的百分比，其中半成熟果按青果處理。果實(shí)損傷率，定義為收獲的果實(shí)中剔除青果后，破損果實(shí)粒數(shù)所占成熟果實(shí)粒數(shù)的百分比。樹(shù)枝損傷率，定義為機(jī)械采摘后，被標(biāo)記的損傷枝條數(shù)量占標(biāo)記枝條總數(shù)量的百分比。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

采摘試驗(yàn)在遼寧省丹東市五龍背藍(lán)莓種植基地進(jìn)行。選擇藍(lán)莓集中成熟期(成熟度在 85%以上)采摘。在藍(lán)莓田間選擇果實(shí)成熟程度相近的 16段試驗(yàn)區(qū)并標(biāo)號(hào)，每段長(zhǎng)50 m，其中12段由機(jī)械振動(dòng)采摘，分 3組，每組振動(dòng)頻率分別接近 18、24 和30 rad/s，余下4段由技術(shù)嫻熟的工人進(jìn)行手工采摘，分別記錄采摘時(shí)間和采摘量。

3.3 采摘效率與青果脫落率

以同期人工采果平均數(shù)為對(duì)照，對(duì)比單臺(tái)機(jī)械采摘與人工采摘量[20–23]，分別記錄每段作業(yè)區(qū)振動(dòng)采摘和人工采摘的耗時(shí)、凈采量，并計(jì)算采摘效率。凈采量為剔除葉片和樹(shù)枝后的質(zhì)量，以果實(shí)凈質(zhì)量計(jì)算采摘量。

在每個(gè)區(qū)域收集到的果實(shí)中，分別隨機(jī)選取果實(shí)裝滿1個(gè)400 mL的容器，計(jì)算果實(shí)總粒數(shù)、青果粒數(shù)，用青果百分含量評(píng)價(jià)青果脫落率。只考慮振動(dòng)采摘對(duì)青果脫落的影響，不考慮采摘機(jī)車(chē)體結(jié)構(gòu)、行進(jìn)速度等因素對(duì)青果脫落的影響。人工采摘效率為0.66 kg/min。振動(dòng)頻率分別為18、24、30 rad/s時(shí)，機(jī)械采摘效率分別為3.47、7.17、7.93 kg/min青果脫落率分別為3.6%、5.6%和10.4%，機(jī)械采摘的效率大約是人工采摘效率的 5~12倍。當(dāng)振動(dòng)頻率由18 rad/s增加至24 rad/s時(shí)，采摘效率由5倍增加至10倍，顯著提高；當(dāng)振動(dòng)頻率由24 rad/s增加至30 rad/s時(shí)，采摘效率由10倍增加至12倍，變化不大。

機(jī)械采摘青果脫落率平均約為4%~10%。當(dāng)振動(dòng)頻率由18 rad/s增加至24 rad/s時(shí)，青果脫落率變化不明顯；當(dāng)振動(dòng)頻率由24 rad/s增加至30 rad/s時(shí)，青果脫落率增加了1倍。由于在增加振動(dòng)頻率提高采摘效率的同時(shí)，還要考慮青果的脫落，結(jié)合采摘效率的分析，24 rad/s為比較適宜的振動(dòng)頻率青果脫落率為5.6%。

3.4 適宜振動(dòng)頻率下采摘對(duì)果實(shí)及樹(shù)枝損傷的影響

在振動(dòng)采摘的果實(shí)中分別隨機(jī)取4組等質(zhì)量的果實(shí)，得到振動(dòng)采摘果實(shí)的損傷率平均約為8.0%采摘的過(guò)程中，振動(dòng)棒的撞擊是果實(shí)破損的主要原因，其次，果實(shí)在采摘機(jī)行進(jìn)中的撞擊以及收集過(guò)程中的損壞等因素對(duì)果實(shí)破損也有影響。

在振動(dòng)采摘的果樹(shù)中隨機(jī)取4組果樹(shù)，每組中隨機(jī)選擇完整健壯的枝條 20枝并標(biāo)記。采摘機(jī)通過(guò)后，檢查果枝的破壞程度。規(guī)定枝條損傷1處為輕度損傷，損傷2～3處為中度損傷，損傷3處以上為重度損傷。損傷總枝數(shù)占標(biāo)記枝條總數(shù)的百分比為總體損傷率。

振動(dòng)采摘輕度損傷率、中度損傷率和重度損傷率平均分別為15%、10%和5%，總體損傷率約為30%?？傮w損傷率較高，在提高果實(shí)采摘效率的同時(shí)，也導(dǎo)致了果樹(shù)不同程度的損傷。損傷主要是輕度損傷，重度損傷率較低。對(duì)比采摘效率，總體損傷率可以接受。振動(dòng)棒的撞擊以及采摘機(jī)車(chē)體本身對(duì)果樹(shù)的刮蹭是樹(shù)枝損壞的影響因素。

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：羅 維

Analysis and experiment of the impact of vibrating based picking machine on blueberry fruit harvest

BAO Yu-donga, LI Zhi-pengb*, GUO Yan-linga, WANG Hai-bina
(a.College of Mechanic and Electronic Engineering; b.Traffic College, Northeast Forestry University, Harbin150040, China)

Blueberry cultivar Bluecrop was used to establish the vibrating system model for blueberry fruit and blueberry tree. Picking force between the fruit and the branch was used to solve the vibrating models. The calculated suitable vibration frequency for fruit harvesting is 24 rad/s, at which picking efficiency is improved and fallen rate of green fruit is reduced. The vibrating based blueberry picking machine GYL062, which is developed by Northeast Forestry University, was used to harvest blueberries in their mass mature period. Under the calculated suitable vibration frequency, the efficiency of picking was 7.17 kg/min, which was ten times as high as that by handpicking, with fallen rate of green fruit being 5.6%, damage rate of fruit 8.0% and total damage rate of branches 30%.

blueberry; vibrating; picking force; picking machine

10.13331/j.cnki.jhau.2014.01.020

時(shí)間：2014– – 00:00

網(wǎng)絡(luò)出版地址：

S225.93

A

1007?1032(2014)01?0098?05

美國(guó)作為藍(lán)莓[1–5]原產(chǎn)國(guó)，最早研制出振動(dòng)式藍(lán)莓采摘機(jī)。美國(guó)在植株振動(dòng)模型方面所作的大量研究，主要是針對(duì)喬木果樹(shù)進(jìn)行的。國(guó)內(nèi)藍(lán)莓的機(jī)械化采收尚處在起步階段[6–9]，現(xiàn)有的漿果采收機(jī)械并不適于藍(lán)莓采摘。

‘藍(lán)豐’系美國(guó)藍(lán)莓品種，果實(shí)顆粒大、肉質(zhì)硬, 中熟，樹(shù)體為灌木高叢，生長(zhǎng)健壯，開(kāi)張，適合振動(dòng)式藍(lán)莓采摘機(jī)作業(yè)，抗旱、連續(xù)豐產(chǎn)能力強(qiáng)中國(guó)已引進(jìn)廣泛種植。筆者在對(duì)‘藍(lán)豐’藍(lán)莓果樹(shù)的研究中，將果樹(shù)簡(jiǎn)化為果實(shí)、果柄和樹(shù)枝系統(tǒng)與樹(shù)體和樹(shù)根系統(tǒng)，建立果實(shí)振動(dòng)力模型和果樹(shù)振動(dòng)系統(tǒng)模型，通過(guò)采摘力的分析，對(duì)模型求解，得到采摘適宜的振動(dòng)頻率，并使用東北林業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的GYL062型牽引振動(dòng)式藍(lán)莓采摘機(jī)進(jìn)行采摘試驗(yàn)，以期提高采摘機(jī)的采摘效率，降低青果的脫落率，減少振動(dòng)采摘對(duì)枝條和果實(shí)的損傷，提高藍(lán)莓采摘機(jī)工作的適應(yīng)性。

2013–07–11

國(guó)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，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)和農(nóng)林采摘機(jī)及機(jī)器人研究，fhbaoyudong@ 163.com*通信作者，lizp386@sohu.com