仇高賀

摘要 果實(shí)人工采摘成本較高，且對(duì)于生長(zhǎng)在陡峭山地的山核桃果實(shí)采摘而言，存在一定的危險(xiǎn)。因此研究果實(shí)振動(dòng)采摘原理，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的機(jī)械采摘有重要意義。分步建立果樹(shù)柔性梁、樹(shù)根與地面連接的數(shù)學(xué)模型，在理論基礎(chǔ)上分別建立果樹(shù)、樹(shù)根、激勵(lì)力錘的柔性模型，并在有限元軟件中進(jìn)行果樹(shù)振動(dòng)采摘和采摘機(jī)構(gòu)相關(guān)的動(dòng)力學(xué)分析。該方法與現(xiàn)場(chǎng)果樹(shù)振動(dòng)采摘激勵(lì)數(shù)值比較接近，可以作為研究和設(shè)計(jì)果樹(shù)振動(dòng)裝置的一種方法。

關(guān)鍵詞 果品；收獲；振動(dòng)；有限元

中圖分類號(hào) S225.93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2016）05-312-04

Abstract Artificial fruit picking cost is higher， and there is a certain risk for the walnut fruit picking which grow in steep mountain.Therefore， studying fruit vibration picking mechanism and realizing fruits mechanical harvesting are of great significance.The mathematical model of flexible beam， roots and ground connection was established step by step， on the theoretical basis， flexible models of fruit trees， roots and incentive hammer was built respectively.Dynamics analysis was conducted on vibration picking and related mechanism in FEA software.The result showed the flexible vibrate mode tree is close to the value of experiment， which can be utilized for researching and designing fruit tree vibration device.

Key words Fruit； Harvesting； Vibration； FEA

目前國(guó)內(nèi)果園收獲主要依靠人工采摘，其費(fèi)用占果實(shí)生產(chǎn)成本的50%左右[1]。隨著國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力成本不斷上漲，我國(guó)林果業(yè)必須向規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，而果實(shí)人工采收的方式已不能滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，因而對(duì)果品收獲機(jī)械的需求越來(lái)越迫切， 其中振動(dòng)采摘方法收獲效率高，可比人工采摘提高5～10倍，能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模采收，極具推廣應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)山核桃分布在浙皖一帶，在陡峭的山地上生長(zhǎng)，所以山核桃采摘難度很大，每年臨安地區(qū)都有因采摘山核桃而發(fā)生傷亡的事故，果實(shí)機(jī)械采摘替代人工采摘更具有維護(hù)社會(huì)和諧發(fā)展的巨大社會(huì)意義。為實(shí)現(xiàn)振動(dòng)采摘的機(jī)械化，筆者深入研究果樹(shù)采摘振動(dòng)機(jī)理，以便進(jìn)行果實(shí)采摘仿真進(jìn)而提高振動(dòng)采摘裝置的效率。

1 果樹(shù)振動(dòng)數(shù)學(xué)模型

1.1 樹(shù)干與果實(shí)振動(dòng)數(shù)學(xué)模型

振動(dòng)采摘果實(shí)的工作原理是通過(guò)一定形式的振動(dòng)機(jī)構(gòu)，將機(jī)械振動(dòng)傳遞給果樹(shù)，果樹(shù)在外力的強(qiáng)迫振動(dòng)下也以一定的頻率和振幅振動(dòng)，從而使果枝上的果實(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，由于果實(shí)受自身慣性力作用，如果果柄連接處的剪應(yīng)力小于受迫振動(dòng)產(chǎn)生的作用力，果實(shí)就會(huì)脫離果柄連接實(shí)現(xiàn)振動(dòng)采摘。在果樹(shù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果將主干與地面連接作用簡(jiǎn)化，將果樹(shù)主干和地面連接系統(tǒng)簡(jiǎn)化為懸臂梁，根據(jù)虛功原理有[3-4]：

2 果樹(shù)柔性模型及振動(dòng)仿真

2.1 果樹(shù)地面以上部分模型的建立

山核桃樹(shù)屬于落葉喬木，為采集樹(shù)木主干和側(cè)枝部分的三維數(shù)據(jù)，需要等待樹(shù)葉枯萎后進(jìn)行圖像采集，此時(shí)樹(shù)干呈灰色，采取基于動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)同時(shí)獲得枝干的2條輪廓，提取枝干區(qū)域的方法，即利用掃描線的動(dòng)態(tài)跟蹤技術(shù)獲取枝干的輪廓，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪獲得果樹(shù)主干和側(cè)枝的直徑尺寸，通過(guò)三維建模軟件建立果樹(shù)部分的數(shù)字化三維模型[9]，并導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行離散化，采用實(shí)體單元solid 186來(lái)模擬果樹(shù)主干和側(cè)枝部分。solid 186是3維20節(jié)點(diǎn)實(shí)體，具有二次位移，適用于模擬不規(guī)則網(wǎng)格，由20個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度，具有空間的任何方向，具有塑性、超彈性、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形、大應(yīng)變能力，可用來(lái)模擬幾乎不能壓縮的次彈性材料和完全不能壓縮的超彈性材料的變形。取山核桃樹(shù)枝干進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均值為：樹(shù)干密度為927.65 kg/m3，樹(shù)干含水率26.99%，徑向彈性模量為6 515.00 MPa，橫向彈性模量為8 055.50 MPa，阻尼比為0.43。將離散化的果樹(shù)模型通過(guò)ANSYS與Adams專用接口生成MNF文件導(dǎo)入Adams中，由于柔性體不能直接和其他剛體或柔性體建立約束關(guān)系，需要建立亞物體（質(zhì)量和慣性矩為零的Dummy體），并將柔性果樹(shù)與亞物體固定，從而完成果樹(shù)地面以上部分建模[10-11]。果樹(shù)柔性體建模流程如圖1所示。通過(guò)有限元方法可以求出山核桃樹(shù)各階模態(tài)，如圖2所示。通過(guò)力錘激勵(lì)方法可以得出山核桃樹(shù)模態(tài)，將兩者結(jié)果進(jìn)行比較，如表1所示。從對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)看，兩者得到的固有頻率大小很接近，振動(dòng)的形態(tài)也很相似，差別在于振動(dòng)時(shí)枝干的運(yùn)動(dòng)方向，由于樹(shù)木參數(shù)是落葉后采集測(cè)試，樹(shù)木枝干水分含量有所變化，導(dǎo)致彈性模量有所增加是存在差異的原因[12]。

2.2 果樹(shù)根部模型的建立

果樹(shù)地面以下部分可看作是由土體、根系以及土體與根系之間的接觸單元所聯(lián)系起來(lái)的有機(jī)體。按照根的形態(tài)特征將根型分為3 類[13]：垂直根型、散生根型（ 或斜生根型或心狀根型）和水平根系，該研究采用垂直根型， 其形態(tài)模型見(jiàn)圖3。垂直根型的垂直根和側(cè)根均按等徑處理，主根垂直于地表，其他3條側(cè)根平行于地表，且兩兩呈120°均勻分布在主根360°范圍內(nèi)。垂直根型的垂直根和3個(gè)側(cè)根在Adams中可以使用Bushing連接來(lái)模擬，根據(jù)山核桃樹(shù)土壤三軸壓縮實(shí)驗(yàn)、山核桃樹(shù)根系與土壤接觸面直剪摩擦實(shí)驗(yàn)以及山核桃樹(shù)根的拉伸實(shí)驗(yàn)， 得到土體計(jì)算參數(shù)、接觸面計(jì)算參數(shù)、根系計(jì)算參數(shù)：三軸壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)得土壤的含水率為23.5%， 土壤的干密度為1.36 g/cm3，摩擦系數(shù)為0.6，容重為1.3 g/cm3，黏聚力35 kPa，泊松比0.3，土壤的變形彈性模量39 MPa，內(nèi)摩擦角23.5°，破壞比為0.12，塑性指數(shù)為14，承載力0.55 MPa?？紤]到巖土材料通常是非線性的，存在塑性變形，具有與時(shí)間有關(guān)的變形特性流變性以及各向異性、非均質(zhì)、不連續(xù)等特性?？蛇x擇solid 95或類似高級(jí)實(shí)體單元，該類單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變等功能。

2.3 果樹(shù)受迫振動(dòng)分析

采用力錘對(duì)樹(shù)干進(jìn)行激勵(lì)從而使枝干產(chǎn)生振動(dòng)，果樹(shù)枝干進(jìn)行受迫振動(dòng)，力錘錘擊方向盡量垂直樹(shù)干部分，認(rèn)為枝干只產(chǎn)生徑向振動(dòng)，力錘振動(dòng)錘擊點(diǎn)的頻率響應(yīng)點(diǎn)通過(guò)固定在測(cè)試點(diǎn)的三軸加速度傳感器測(cè)量并通過(guò)采集與分析系統(tǒng)（型號(hào)：AVANTMI7008）獲得測(cè)試點(diǎn)的試驗(yàn)參數(shù)[14]。尼龍、橡膠錘頭需采用柔性體仿真，建模方法同樹(shù)體部分相同，將樹(shù)體、根系、力錘柔性單元導(dǎo)入Adams中，整個(gè)樹(shù)木振動(dòng)采摘系統(tǒng)在Adams動(dòng)力學(xué)模型如圖4所示，力錘的錘擊力取實(shí)驗(yàn)測(cè)的平均值，力錘使用單向力（Force）在模擬。在力錘激勵(lì)點(diǎn)上建立輸入通道，選取力錘作用方式為沿單一方向“Swept Sine”模式，大小為20 N，在頻率響應(yīng)點(diǎn)建立振動(dòng)輸出通道，建立位移輸出，并在后處理程序得到激勵(lì)點(diǎn)的頻率響應(yīng)數(shù)值。將樹(shù)木砍斷后在實(shí)驗(yàn)室當(dāng)作剛性懸臂梁進(jìn)行仿真的樹(shù)干頻響如圖5（A）所示，山核桃樹(shù)種植地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試樹(shù)干振動(dòng)頻響如圖5（B）所示，Adams中使用柔性體仿真的激勵(lì)點(diǎn)頻率響應(yīng)如圖5（C）所示。從圖5中可以看出，把樹(shù)木當(dāng)作柔性體并考慮根系的錨固作用進(jìn)行仿真比當(dāng)成剛性懸臂梁進(jìn)行仿真更加接近實(shí)際樹(shù)木振動(dòng)工況。

2.4 山核桃振動(dòng)采摘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用

基于山核桃樹(shù)的振動(dòng)原理分析，采用變頻變幅振動(dòng)式采摘裝置進(jìn)行振動(dòng)采摘，其機(jī)構(gòu)原理圖如圖6所示。

該裝置通過(guò)調(diào)整調(diào)幅曲柄長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)整，通過(guò)改變調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整山核桃樹(shù)枝的振動(dòng)頻率。通過(guò)Adams中參數(shù)化建模，將曲柄和連桿長(zhǎng)度設(shè)定為參數(shù)化設(shè)計(jì)變量，經(jīng)過(guò)Adams仿真可以得出曲柄旋轉(zhuǎn)角度為164°和322°，取到了最大行程和最小行程，分別為4.00 cm和2.23 cm，則調(diào)幅范圍為1.77 cm，采摘機(jī)構(gòu)動(dòng)力矩變化如圖7所示。在Adams中基于柔性體的山核桃振動(dòng)采摘機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，顯示該機(jī)構(gòu)可以輸出組合頻率周期激勵(lì)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)采摘機(jī)構(gòu)扭力測(cè)試，與仿真結(jié)果誤差小于20%?；跇?shù)根錨固作用Adams動(dòng)力學(xué)模型可以驗(yàn)證振動(dòng)夾持位置過(guò)低，果樹(shù)振動(dòng)幅值小，不利于采摘，但如果振動(dòng)夾持位置過(guò)高，樹(shù)枝失去根部支持，加上上部樹(shù)枝較細(xì)，振幅也很小。山核桃采摘現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

3 結(jié)論

研究可知，通過(guò)建立果樹(shù)及根部柔性體與巖土相關(guān)作用，能夠較準(zhǔn)確模擬出樹(shù)木根部的錨固作用，比單純采用懸臂梁獲取樹(shù)木頻響更接近現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工況。

有限元方法測(cè)得樹(shù)木模態(tài)與實(shí)際測(cè)試值很接近，說(shuō)明山核桃樹(shù)枝干和地面系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為黏性、彈性系統(tǒng)，進(jìn)行模態(tài)分析的結(jié)果和實(shí)測(cè)值比較接近。

通過(guò)有限元離散后的柔性模型導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)進(jìn)行柔性化后的動(dòng)力學(xué)分析方法可以用來(lái)設(shè)計(jì)采摘機(jī)構(gòu)，提高果實(shí)采摘裝置設(shè)計(jì)效率。

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