果树振动采收机理的研究

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林果的种植面积以及产量的逐年增加给林果的采收工作迎来了新的挑战。不可否认,机械化林果采收正在逐渐替代传统意义上的人工采收。近年来,随着研究的不断推进,核桃、大枣、橄榄、杏、樱桃、柑橘等农产品机械化采收方面的研究取得了较大的进展。然而,机器在采收过程中,对于激振参数(如,果树的激振位置,激振器工作频率,持续激振时间和激振振幅等)往往缺乏较为合理的选择。这使得果实采收效率不高,在采收过程中还会因为激振参数设置不当造成果树树枝折断、树皮和树叶脱落,这对果树的损伤是非常严重的,甚至还会造成果树死亡,严重影响来年果实产量。针对这一情况本文做了以下研究:本文首先对果树进行室内冲击试验。利用对数衰减法计算出果树枝干阻尼比范围为2.78%4.97%;通过频域分析法得出果树枝干在10Hz和25Hz左右产生共振,比较得出,枝干在25Hz左右产生的共振峰较大。由此可以得出,为了提高果实的采收效率,机械化采收过程中,激振器的激振频率应选择在25Hz左右。其次,对果树进行室内连续振动试验。对测得的加速度信号进行曲线拟合得出,果树在正弦激励载荷作用下,果树枝干上的加速度信号近似呈正弦函数变化,并且外界激振载荷的频率与树干上加速度信号几乎一致,也进一步说明了将果树枝干各测点处的加速度信号视为正弦函数是正确的。通过计算果树枝干不同测点相对动能比的值,可以比较出能量的传递效率与果树枝干直径大小有关,枝干直径越大能量传递效率越高,即能量在果树主干上的传递效率要高于在侧枝上的传递效率。还得出,在两侧枝的分叉角度值近似相等时,能量会更多的流向侧枝直径相对大的一侧。最后,到新疆轮台县进行果树室外高速摄像落果试验,通过在靠近杏果实位置的枝干上加装三向加速度传感器,利用数据采集系统对加速度信号进行同步采集,间接测量出果实在脱落前以及脱落瞬间的运动加速度。试验中,两台高速摄像机进行正交垂直摆放,同步记录杏果实振动脱落前后的全过程。将高速摄像技术运用到杏果实振动采收试验中,详细跟踪、记录了果实在脱落前后过程中的运动规律,ms级的时间分割图像保证了试验过程的精密性及获得数据的准确性。在图像的处理过程中,要将像素坐标系与地面实际三维坐标系进行转换,建立转换关系表达式。通过PCC软件读取并记录果实在脱落前后不同帧数下像素的坐标值,依据建立的坐标转换表达式,将记录的像素坐标值转换为地面实际坐标的值,计算得出杏果实脱落瞬间加速度为38.24m·s-2,脱落速度为2.072m·s-1,脱落惯性力为8.49×10-3N,脱落能量为4.01×10-2J。从果实振动采收的高速摄像视频中看出,果实在脱落之前不断扭转摆动,杏果实每摆动扭转一次,就会与果柄相连的外周围脱离一部分,最后杏果实从与果柄相连的中间位置处完全分离,从而完成果实的脱落采收。
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