木合塔爾·米吉提，劉曉玲，瑪依努爾·托乎提，王龍飛

（阿克蘇職業(yè)技術學院 機電工程學院，新疆維吾爾自治區(qū) 阿克蘇 843100）

傳統(tǒng)果林秋收時，幾乎全部以人工形式開展秋收作業(yè)，從而造成了果林秋收勞動強度高、實際用工數(shù)量大和人力資源成本高等諸多劣勢，這不利于在激烈的市場競爭中對人力資源成本的高效控制，因此，果林收獲機械化進程一直是農學專家考慮的重要內容。目前，隨著自動化技術和機械化技術的不斷發(fā)展完善，振動式林果采收機研制水平逐步提高，為有效推進林果機械化打下了堅實基礎，因此，文章對振動式林果采收機的應用與試驗進行分析研究也就具備重要理論意義和現(xiàn)實價值。

1 振動式林果采收機的設計

1.1 整體方案

根據(jù)采收機的不同結構類型，將其分為振動式和搖擺式等類型。振動式采收機主要包括動力源裝置、液壓控制裝置、傳遞系統(tǒng)以及振動執(zhí)行裝置等[1]。在林果采摘過程中，主要依賴于設備的振動，通過設備激振賦予林果一定的作用力，從而在智能控制系統(tǒng)參數(shù)調節(jié)下完成林果采摘。通過對不同頻率的設置，產(chǎn)生一定的共振效應，達到林果從樹枝上脫落的目的。在此過程中，往往需要搭配圖像識別技術和傳感器技術等多種技術，多種技術綜合使用以避免對林果造成較大的沖擊損傷。一般而言，振動式林果采收機能借助其機械設備結構之間的內部設計和組合，根據(jù)林果的采收間隙和行距等實現(xiàn)對采收率的提升和果實損失率的控制，振動式林果采收機核心參數(shù)，見表1。

表1 振動式林果采收機核心參數(shù)Tab.1 The core parameters of vibratory tree fruit picker

1.2 動力學模型

在對振動式林果采收機采摘裝置所產(chǎn)生的作用力大小進行計算時，主要根據(jù)其預先設置好的參數(shù)，依賴動力學模型中的動能參數(shù)和勢能參數(shù)，最終計算作用力大小，由此建立起動力學模型，其公式如（1）～（2）所示[2]。

式中，T——振動式林果采收機在機身作用時產(chǎn)生的動力值大小，kN，；V——林果受到激振作用時產(chǎn)生的勢能參數(shù)值大小，Ep；L——拉格朗日函數(shù)；m——采摘的林果的具體質量大小，kg；g——重力加速度，g/m2；v——待采摘的林果離地的高度，m，lc——待采摘的林果的實際轉動慣量參數(shù)J，k——機械設備振動式的彈性系數(shù)。

2 主要系統(tǒng)設計

2.1 振動系統(tǒng)

振動式林果采收機的振動源，主要是其振動系統(tǒng)中的凸輪機構，其振動作用力主要來自凸輪機構和其從動構件之間產(chǎn)生力的碰撞而造成的振動，凸輪設計在振動式林果采收機中占據(jù)著極其重要的地位[3]。需從凸輪機構的從動構件平移物體總質量出發(fā)，探究凸輪機構對其從動構件的作用力參數(shù)大小，確定凸輪機構內部壓力參數(shù)，避免壓力角參數(shù)過大而造成的凸輪機構的自鎖死行為產(chǎn)生。在確定主凸輪、結構壓力等諸多參數(shù)后，根據(jù)其自動推桿類型和凸輪機構之間的回程路徑，設置凸輪機構在運行過程中的中低速重載，根據(jù)凸輪機構的實際運動規(guī)律選擇相應的加速度數(shù)值和形式，然后推導凸輪機構中從動構件運轉過程中的力學效應，以此加強對凸輪機構的設計，凸輪機構的參數(shù)，見表2。

表2 凸輪機構的參數(shù)Tab.2 The parameters of cam mechanism

2.2 梳刷系統(tǒng)

梳刷系統(tǒng)主要依賴于齒輪之間的轉動效應，通過其分度圓上壓力角的設置，選取主輪結構設計中的分度圓上壓力角參數(shù)取值，從而讓從動構件的齒輪觸發(fā)主動齒輪作用[4]。在此過程中，由于梳刷系統(tǒng)是振動式林果采收機末端執(zhí)行其采摘行為的重要構件，將直接影響最終的林果采收效果，在對其主動齒輪和從動齒輪的傳動系統(tǒng)參數(shù)進行設置時，應經(jīng)過前期的振動試驗，避免其試驗不合規(guī)造成采收機采摘林果的效果不盡人意。

2.3 回位系統(tǒng)

回位系統(tǒng)是振動式林果采收機的重要組成系統(tǒng)之一，從動構件在其物體的平移運動過程中，往往會受到其材料的主力介質作用力影響，使得其實際運動方向和目標運動方向截然相反。當運動速度不大時，該類方向大小值與從動構件等平移物體運動的方向速度數(shù)值成正比例關系，因此需要在設置比例參數(shù)的基礎上探究其具體作用力的大小，進而根據(jù)胡克定律設置從動構件平移物體在回轉到平衡位置時所需要的彈性恢復力大小，由此得到具體的回位彈簧返回平衡位置所應具備的動力參數(shù)。

2.4 控制系統(tǒng)

分析振動式林果采收機的控制系統(tǒng)電路結構可知，在運行過程中，其以直流減速電機為動力源，在額定轉速和額定容量的電池供電條件下，控制系統(tǒng)的調速器設備和直流電機的正反調速板運行狀態(tài)相一致，電動機能夠借助其直流為電動機提供電源，避免后續(xù)林果采收過程缺乏動力源而不能正常工作[5]。

3 采收機性能試驗

為了進一步分析振動式林果采收機的實際采收性能，以某果園展開采收機的試驗研究分析。為了盡可能提高試驗研究的可信度和科學性，試驗過程以長勢相同且林果幾乎完全成熟的果樹為研究對象，在設置10、15、18 和20 等不同的激振頻率情況下，重復試驗3 次，試驗后測試采收率大小，探究激振頻率對采收過程的影響和對采凈率的影響。表3為振動式林果采收機試驗過程中不同激振頻率對采凈率的影響參數(shù)。根據(jù)表3 的數(shù)據(jù)信息，計算后可知激振頻率在既定條件下將會對林果最終的采收率產(chǎn)生較大影響，決定系數(shù)高達99.4%。

表3 同激振頻率對采凈率的影響參數(shù)Tab.3 The influence parameters of coexcitation frequency on net recovery rate

根據(jù)表3 所示的激振頻率和采凈率關系的試驗數(shù)據(jù)，進一步對振動式林果采收機的采收率參數(shù)值進行回歸分析，探究其回歸模型，回歸方差分析見表4。根據(jù)表4 的均值參數(shù)和標準差差數(shù)，能夠得到最終的回歸方程，進而得知，激振頻率參數(shù)值隨著振動式林果采收機激振頻率的增加不斷增加，果樹的實際損傷將被控制在激振頻率為19～20，最終采凈效果為90%～95%。

表4 回歸方差分析表Tab.4 The analysis of variance regression

4 結語

加強對振動式林果采收機的整體方案設計和動力學模型研究，有助于振動式林果采收機研發(fā)功能的不斷完善，優(yōu)化振動式林果采收機的振動系統(tǒng)、梳刷系統(tǒng)、回位系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設計，從而不斷提高振動式林果采收機的應用水平。并且實踐應用和性能測試均表明，利用振動式林果采收機進行林果采收，有助于采收成本的大幅度降低和采收效率的明顯提高，從而幫助果農獲得較優(yōu)良的經(jīng)濟效益，促進中國林果生產(chǎn)市場競爭力的逐步提升。