高丛蓝莓振动采摘机理分析与仿真-农业工程学报.docVIP

高丛蓝莓振动过程中机理分析与仿真 王海滨郭艳玲鲍玉冬东北林业大学哈尔滨 150040东北林业大学哈尔滨 150040黑龙江科技学院机械工程学院哈尔滨 1500A 文章编号： 王海滨，郭艳玲，鲍玉冬. Wang Haibin,Guo Yanling, Bao Yudong. Analysis and Simulation of mechanism of high-bush blueberry vibration picking[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), ××，×(×): －. (in Chinese with English abstract0 引 ? 言 (近年来蓝莓的保健作用和经济、药用价值越来越得到人们的重视，被称为“世界水果之王”，蓝莓种植已成为农林经济新的增长点，国际市场供不应求，需求量高速增长50%～70%，严重制约了蓝莓大面积的推广与种植[11-16]。研究资料表明：在国外，美国的蓝莓种植面积最大，对蓝莓采摘机理的研究较早，自1959年H.McKibben发表第1篇关于蓝莓采摘技术的专利开始，至今蓝莓采摘机的研制已较为成熟，已有成形的采摘机出现在市场上，但因价格较高而未在国内推广[17-19]。国内对蓝莓采摘机及蓝莓采摘机理的研究还处于起步阶段，东北林业大学郭艳玲等最早对蓝莓采摘机器人进行了相关研究，并研制出矮丛蓝莓采摘机[20]，对于高丛蓝莓的采摘机理研究及样机研制，国内尚属空白。因此，研究高丛蓝莓采摘机理，研制开发适于中国种植国情的高丛蓝莓采摘机，对国内高丛蓝莓采摘机械化的发展具有重要意义。 1 高丛蓝莓振动采摘机理研究 1.1 高丛蓝莓振动采摘条件的建立 如图1所示是高丛蓝莓采摘机采摘原理，采摘机指排以一定的频率拍打蓝莓树枝时，结有果实的蓝莓树枝做受迫振动[21]，振动输出响应为 （1） 式中，为蓝莓树枝受迫振动输出瞬态解，m；为蓝莓树枝受迫振动输出稳态解，m。 结合式（1），得到蓝莓果实上所受的采摘惯性力为 （2） 式中：为蓝莓果实质量，kg。 1.采摘机指排 Picking machine finger row 2.蓝莓树枝 blueberry branches 图1 高丛蓝莓振动采摘原理 Figure1 Vibration picking principle of High-bush blueberry 由于蓝莓枝叶相互叠连存在着阻尼，蓝莓树枝受迫振动输出瞬态解将随着振动时间的延续而逐渐减小趋于0[22]，故忽略的影响，主要研究蓝莓树枝受迫振动输出稳态解所形成的采摘惯性力（，N）。 若熟果实与树枝结合力为，生果与树枝结合力为，忽略瞬态振动的影响，考虑到采摘过程中要保留生果，采摘熟果。得到实现高丛蓝莓振动采摘的条件是：。 下面以结有果实的树枝作为研究对象，建立蓝莓植株采摘力学模型，求解采摘过程蓝莓果实稳态受迫振动采摘惯性力。 1.2 蓝莓树枝振动采摘几何模型的建立 根据蓝莓植株的实际生长情况，由于蓝莓果实多结于树枝末梢，蓝莓树枝根部茎粗，端部径细，故将树枝末梢结有蓝莓果实的部分简化为一质量元件（，kg）；其余部分简化为自根部至末梢截面半径逐渐减小、质量连续分布的弹性体。为系统建模方便，将蓝莓树枝纵向截面的枝干延长线交点作为坐标原点，蓝莓树枝各点位置坐标用轴表示，轴坐标方向设置为向下，得到图2-a所示结有果实的蓝莓树枝采摘力学模型。图2-a中的蓝莓树枝被分解为无限个质量连续分布的微元段，假定每个微元段的刚度为(（=1～n），N/m)；阻尼系数为（，N·s /m）；在采摘力的作用下输出振动响应为（，m）；则树枝整体的振动输出响应为（，m）。 a 蓝莓树枝采摘力学建模 b Z处微元受力分析 Mechanics modeling of Force analysis of blueberry branch picking element at Z point 图2 蓝莓树枝几何建模 Fig.2 Blueberry branches model 注：为坐标原点，m；为树枝各点位置坐标，m；为树枝末梢蓝莓果实质量，Kg；（=1～n）为树枝各点微元段的刚度，N/m；（=1～n）为树枝各点微元段的阻尼系数，N·s /m；为树枝位置坐标为的微元段在采摘力的作用下所受弯矩，N·m；为树枝位置坐标为的微元段在采摘力的作用下所受剪力，N；为树枝位置坐标为的微元段在采摘力的作用下所受弯矩，N·m；为树枝位置坐标为的微元段在采摘力的作用下所受剪力，N；为蓝莓树枝在采摘力作