振动式枸杞采摘机理仿真分析与样机试验

　　摘要：为了实现枸杞机械化采摘，该文研究了枸杞振动采摘机理，并建立振动采摘力学模型，分析求解得到枸杞挂果枝条受迫振动时各节点处枸杞和花朵所受惯性力的通解。运用MATLAB对振动式枸杞采摘机工作参数进行优化和仿真试验，优化得到合理的迫振载荷和驱动轮转速组合，仿真试验得到受迫振动枸杞挂果枝条各节点处枸杞与花朵所受采摘惯性力随转速变化规律仿真曲线，对转速取值进行调整。最后进行了枸杞采摘试验，试验得到合理的驱动轮转速为2870r/min，该转速水平在仿真得到的合理的转速区间为2868.84～2871.21r/min。试验转速为2870r/min时，成熟枸杞采摘效率为815颗/min，成熟枸杞采净率为86.70%，未成熟枸杞采摘率为7.36%，花朵采摘率为7.43%，成熟枸杞损伤率为8.62%，机采人采效率比为5.43，试验结果与仿真结论一致。研究结果可为枸杞振动采摘机的研制提供参考。

　　关键词：农业机械；振动；采摘；枸杞；驱动轮转速

　　0引言

　　近年来，随着科学研究的不断深入，枸杞在抗氧化、抗衰老、抗疲劳、保护肝脏、提高肌体免疫力、保护眼睛等方面所具有的特效功能被进一步证实[1-3]，其独特而丰富的营养保健功效在西方国家逐渐得到认可[4]，枸杞的市场需求逐年扩大。枸杞在中国西北地区，宁夏、内蒙、甘肃、青海、陕西、山西、河北、西藏等均有分布，其中枸杞的主要产区为宁夏回族自治区、甘肃省、内蒙古自治区、青海省、新疆维吾尔族自治区，2013年全国枸杞种植面积1220km2，2012年干果年产量25.22万t[5]。枸杞从5月中旬开始，生长期内连续开花结果。枸杞根据年内果实采摘时间的不同，可分为春果、夏果和秋果[6]。为了使枸杞干制后具有较好的商品性状，在枸杞八成熟左右时进行采收[7]，每年7～9月份是枸杞盛果期，也是枸杞采摘高峰期，每隔7d左右就要采摘一次[8-9]。数百年来，枸杞的机械化采摘一直是个难题，枸杞鲜果采摘一直依靠人工，采摘效率低，采摘成本高[10]。随着枸杞种植面积的不断扩大，采果工将会更加紧缺，随之而来的采摘费用也在不断攀升，采摘问题成了制约枸杞产业持续发展的瓶颈[11-12]。研究表明：枸杞主要分布在中国，国外对枸杞采摘机械的研究尚属空白，国内对枸杞采摘机械的研究做了较多研究，涉及到的采摘方式有振动式、梳刷式、剪切式、气动式等。在振动采摘方式研究方面：何军、曹有龙研发了4ZGB－30型便携式枸杞采摘机[13]，刘文海研发了自走式大型枸杞采摘机[14]。在梳刷采摘方式研究方面：周兵、何晶研发了模拟手枸杞采摘机[7]，武兵强、周凤廷等研发了一种枸杞采摘器[15]。在剪切采摘方式研究方面：曾小虎设计了一种新型枸杞采摘器[16]，赵伟康等设计了滚刀式枸杞可选择采摘机[17]。在气动采摘方式研究方面：张换高、徐博豪设计了一种气吸式枸杞采摘机[18]。这些采摘机大部分为小型手持式，优点是结构简单、体积小、质量轻、便于携带，缺点是工作效率较低，人工依赖程度大，采摘时需要人工手持机具手柄，捕捉、固定挂果枝条并振动采摘，每小时采摘鲜果8kg左右。大型自走式枸杞采摘机研究仍处于试验阶段，技术还不成熟。因此，本文研究枸杞振动采摘机理，通过分析获取合理的结构参数和工作参数，研制开发大型自走式枸杞采摘机，以期为枸杞采摘机械化发展提供参考。

　　1枸杞鲜果振动采摘模型

　　枸杞振动采摘原理如图1所示，采摘机振动杆支架上的振动杆以正弦规律拍打枸杞挂果枝条使其受迫振动，分布在挂果枝条上的成熟枸杞、未成熟枸杞和花朵获得振动位移响应和加速度响应。分析枸杞鲜果生长特征及其在枝条上的分布情况，枸杞挂果枝条从枸杞树主枝干分支出来，相对于主枝干，挂果枝条纤细且下垂，挂果枝条上较均匀地分布着节点，每个节点都可能分布着成熟枸杞、未成熟枸杞及花朵。鉴于挂果枝条在枸杞枝干均匀分布且相邻挂果枝条的间距近似相等，为了仿真计算方便，假设挂果枝条的分布是均匀的且间距相等。同时，枸杞采摘机装配有扶禾装置，在对挂果枝条施加迫振载荷时扶禾装置相对固定着枸杞树主干，挂果枝条顶端固定在枸杞树主干上，可近似认为枝条顶端为全约束，其余部分自由下垂，可简化为悬臂梁模型。如图2所示，该悬臂梁上等距分布着k个节点，每个节点处集中质量mi（i=1，2，...，k），g，构成一个自由度为k的阻尼系统，设M、C、K分别是对称的质量、阻尼和刚度矩阵，pi为节点i处施加的作用力，N。挂果枝条所受到的迫振荷载可以表示为力的空间分布向量P={p1,p2,...,pk}T和时间函数sin(ωt)的乘积，该阻尼系统的强迫振动微分方程可表示为[19-21]：

　　2振动系统响应分析与求解

　　下文以挂果枝条为研究对象，根据上文建立的枸杞振动采摘力学模型，求解挂果枝条各个节点上分布的成熟枸杞、未成熟枸杞及花朵分别受到的惯性力。

　　3枸杞振动采摘参数优化与仿真试验

　　为了对振动枸杞采摘进行参数优化与仿真试验[28]，需要测量枸杞植株生长特性参数和力学参数，测量的品种为宁杞一号，树龄为10a，测量的方法如下：对枸杞植株的生长特性参数用常规方法测量，采用游标卡尺、卷尺、高精度电子称等工具测量枝条直径、节点距离、挂果枝条长度、枸杞及花朵质量。用千分表（哈尔滨量具刃具集团责任有限公司，型号：Links0-1×0.001mm，量程：0～1mm，精度：0.001μm）测量挂果枝条受力状态下的位移并计算其弹性模量[29]，用数显式推拉力计（乐清市宝特仪器厂，型号：HP-5，量程：0～5N，精度：0.001N）测量枸杞与果柄的结合力及花朵与花柄的结合力[30]。采摘时间为2014年5月10日上午，枸杞成熟度为八成熟，测量前用抽样的方法取10株枸杞植株作为测量对象，每株枸杞树作为一个样本，利用上述方法和试验仪器得到10组试验数据，计算得到10组数据的平均值和对应的标准差，如表1和表2所示。

　　[参考文献]

　　[1]郭敏，乌兰托雅，李刚.枸杞多糖药理作用的研究进展[J].华西药学杂志，2013，28(6)：633－635.

　　[2]ChuPatrickHW,LiHongying,ChinManpan,etal.EffectofLyciumBarbarum(L.barbarum)polysaccharidesonpreservingretinalfunctionafterpartialopticnervetransection[J].PLoSONE,2013,12(8):1－12.

　　[3]HeNianwu,YangXingbin,JiaoYadong,etal.CharacterisationofantioxidantandantiproliferativeacidicpolysaccharidesfromLyciumbarbarumfruits[J].Foodchemistry,2012,3(133):978－989.

　　张最，肖宏儒※，丁文芹，梅松

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