振動(dòng)式林果采收機(jī)的應(yīng)用與試驗(yàn)分析

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(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū) 阿克蘇 843100）

傳統(tǒng)果林秋收時(shí)，幾乎全部以人工形式開(kāi)展秋收作業(yè)，從而造成了果林秋收勞動(dòng)強(qiáng)度高、實(shí)際用工數(shù)量大和人力資源成本高等諸多劣勢(shì)，這不利于在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中對(duì)人力資源成本的高效控制，因此，果林收獲機(jī)械化進(jìn)程一直是農(nóng)學(xué)專家考慮的重要內(nèi)容。目前，隨著自動(dòng)化技術(shù)和機(jī)械化技術(shù)的不斷發(fā)展完善，振動(dòng)式林果采收機(jī)研制水平逐步提高，為有效推進(jìn)林果機(jī)械化打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，因此，文章對(duì)振動(dòng)式林果采收機(jī)的應(yīng)用與試驗(yàn)進(jìn)行分析研究也就具備重要理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 振動(dòng)式林果采收機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 整體方案

根據(jù)采收機(jī)的不同結(jié)構(gòu)類型，將其分為振動(dòng)式和搖擺式等類型。振動(dòng)式采收機(jī)主要包括動(dòng)力源裝置、液壓控制裝置、傳遞系統(tǒng)以及振動(dòng)執(zhí)行裝置等[1]。在林果采摘過(guò)程中，主要依賴于設(shè)備的振動(dòng)，通過(guò)設(shè)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(diào)節(jié)下完成林果采摘。通過(guò)對(duì)不同頻率的設(shè)置，產(chǎn)生一定的共振效應(yīng)，達(dá)到林果從樹(shù)枝上脫落的目的。在此過(guò)程中，往往需要搭配圖像識(shí)別技術(shù)和傳感器技術(shù)等多種技術(shù)，多種技術(shù)綜合使用以避免對(duì)林果造成較大的沖擊損傷。一般而言，振動(dòng)式林果采收機(jī)能借助其機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)部設(shè)計(jì)和組合，根據(jù)林果的采收間隙和行距等實(shí)現(xiàn)對(duì)采收率的提升和果實(shí)損失率的控制，振動(dòng)式林果采收機(jī)核心參數(shù)，見(jiàn)表1。

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

1.2 動(dòng)力學(xué)模型

在對(duì)振動(dòng)式林果采收機(jī)采摘裝置所產(chǎn)生的作用力大小進(jìn)行計(jì)算時(shí)，主要根據(jù)其預(yù)先設(shè)置好的參數(shù)，依賴動(dòng)力學(xué)模型中的動(dòng)能參數(shù)和勢(shì)能參數(shù)，最終計(jì)算作用力大小，由此建立起動(dòng)力學(xué)模型，其公式如（1）～（2）所示[2]。

式中，T——振動(dòng)式林果采收機(jī)在機(jī)身作用時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力值大小，kN，；V——林果受到激振作用時(shí)產(chǎn)生的勢(shì)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(zhì)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(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)J，k——機(jī)械設(shè)備振動(dòng)式的彈性系數(shù)。

2 主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)系統(tǒng)

振動(dòng)式林果采收機(jī)的振動(dòng)源，主要是其振動(dòng)系統(tǒng)中的凸輪機(jī)構(gòu)，其振動(dòng)作用力主要來(lái)自凸輪機(jī)構(gòu)和其從動(dòng)構(gòu)件之間產(chǎn)生力的碰撞而造成的振動(dòng)，凸輪設(shè)計(jì)在振動(dòng)式林果采收機(jī)中占據(jù)著極其重要的地位[3]。需從凸輪機(jī)構(gòu)的從動(dòng)構(gòu)件平移物體總質(zhì)量出發(fā)，探究凸輪機(jī)構(gòu)對(duì)其從動(dòng)構(gòu)件的作用力參數(shù)大小，確定凸輪機(jī)構(gòu)內(nèi)部壓力參數(shù)，避免壓力角參數(shù)過(guò)大而造成的凸輪機(jī)構(gòu)的自鎖死行為產(chǎn)生。在確定主凸輪、結(jié)構(gòu)壓力等諸多參數(shù)后，根據(jù)其自動(dòng)推桿類型和凸輪機(jī)構(gòu)之間的回程路徑，設(shè)置凸輪機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中的中低速重載，根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律選擇相應(yīng)的加速度數(shù)值和形式，然后推導(dǎo)凸輪機(jī)構(gòu)中從動(dòng)構(gòu)件運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的力學(xué)效應(yīng)，以此加強(qiáng)對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，凸輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 凸輪機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)，通過(guò)其分度圓上壓力角的設(shè)置，選取主輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的分度圓上壓力角參數(shù)取值，從而讓從動(dòng)構(gòu)件的齒輪觸發(fā)主動(dòng)齒輪作用[4]。在此過(guò)程中，由于梳刷系統(tǒng)是振動(dòng)式林果采收機(jī)末端執(zhí)行其采摘行為的重要構(gòu)件，將直接影響最終的林果采收效果，在對(duì)其主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪的傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，應(yīng)經(jīng)過(guò)前期的振動(dòng)試驗(yàn)，避免其試驗(yàn)不合規(guī)造成采收機(jī)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(dòng)式林果采收機(jī)的重要組成系統(tǒng)之一，從動(dòng)構(gòu)件在其物體的平移運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，往往會(huì)受到其材料的主力介質(zhì)作用力影響，使得其實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向截然相反。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度不大時(shí)，該類方向大小值與從動(dòng)構(gòu)件等平移物體運(yùn)動(dòng)的方向速度數(shù)值成正比例關(guān)系，因此需要在設(shè)置比例參數(shù)的基礎(chǔ)上探究其具體作用力的大小，進(jìn)而根據(jù)胡克定律設(shè)置從動(dòng)構(gòu)件平移物體在回轉(zhuǎn)到平衡位置時(shí)所需要的彈性恢復(fù)力大小，由此得到具體的回位彈簧返回平衡位置所應(yīng)具備的動(dòng)力參數(shù)。

2.4 控制系統(tǒng)

分析振動(dòng)式林果采收機(jī)的控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)可知，在運(yùn)行過(guò)程中，其以直流減速電機(jī)為動(dòng)力源，在額定轉(zhuǎn)速和額定容量的電池供電條件下，控制系統(tǒng)的調(diào)速器設(shè)備和直流電機(jī)的正反調(diào)速板運(yùn)行狀態(tài)相一致，電動(dòng)機(jī)能夠借助其直流為電動(dòng)機(jī)提供電源，避免后續(xù)林果采收過(guò)程缺乏動(dòng)力源而不能正常工作[5]。

3 采收機(jī)性能試驗(yàn)

為了進(jìn)一步分析振動(dòng)式林果采收機(jī)的實(shí)際采收性能，以某果園展開(kāi)采收機(jī)的試驗(yàn)研究分析。為了盡可能提高試驗(yàn)研究的可信度和科學(xué)性，試驗(yàn)過(guò)程以長(zhǎng)勢(shì)相同且林果幾乎完全成熟的果樹(shù)為研究對(duì)象，在設(shè)置10、15、18 和20 等不同的激振頻率情況下，重復(fù)試驗(yàn)3 次，試驗(yàn)后測(cè)試采收率大小，探究激振頻率對(duì)采收過(guò)程的影響和對(duì)采凈率的影響。表3為振動(dòng)式林果采收機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中不同激振頻率對(duì)采凈率的影響參數(shù)。根據(jù)表3 的數(shù)據(jù)信息，計(jì)算后可知激振頻率在既定條件下將會(huì)對(duì)林果最終的采收率產(chǎn)生較大影響，決定系數(shù)高達(dá)99.4%。

表3 同激振頻率對(duì)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(guān)系的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對(duì)振動(dòng)式林果采收機(jī)的采收率參數(shù)值進(jìn)行回歸分析，探究其回歸模型，回歸方差分析見(jiàn)表4。根據(jù)表4 的均值參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差差數(shù)，能夠得到最終的回歸方程，進(jìn)而得知，激振頻率參數(shù)值隨著振動(dòng)式林果采收機(jī)激振頻率的增加不斷增加，果樹(shù)的實(shí)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(jié)語(yǔ)

加強(qiáng)對(duì)振動(dòng)式林果采收機(jī)的整體方案設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)模型研究，有助于振動(dòng)式林果采收機(jī)研發(fā)功能的不斷完善，優(yōu)化振動(dòng)式林果采收機(jī)的振動(dòng)系統(tǒng)、梳刷系統(tǒng)、回位系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而不斷提高振動(dòng)式林果采收機(jī)的應(yīng)用水平。并且實(shí)踐應(yīng)用和性能測(cè)試均表明，利用振動(dòng)式林果采收機(jī)進(jìn)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(nóng)獲得較優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)中國(guó)林果生產(chǎn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的逐步提升。