高自成,趙凱杰,李立君,龐國(guó)友,王曉晨

（中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004）

0 引 言

油茶樹(shù)是中國(guó)特有的木本食用油料樹(shù)種 , 也是世界四大木本油料植物之一[1]。近年來(lái)，中國(guó)油茶產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，據(jù)國(guó)家林業(yè)局統(tǒng)計(jì)，中國(guó)的油茶產(chǎn)量已經(jīng)從2008 年的20 多萬(wàn)t 增加到了2012 年的45 萬(wàn)t，產(chǎn)值由110 億元增加到了390 億元[2]。油茶果采摘集中在每年的秋季農(nóng)歷寒露和霜降兩個(gè)節(jié)氣，10 月中旬，采摘期短，而目前油茶果的采摘主要還是依靠人工手動(dòng)采摘，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，往往錯(cuò)過(guò)最佳的采收時(shí)間，嚴(yán)重制約了油茶產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[3-4]。中國(guó)對(duì)林果機(jī)械化收獲的研究起步較晚，理論研究不完善，因此，對(duì)林果機(jī)械化收獲理論研究以及研制實(shí)用、高效的林果采收機(jī)具有重要意義。

國(guó)外對(duì)于采摘機(jī)械的研究開(kāi)展較早，研究表明通過(guò)對(duì)果樹(shù)施加振動(dòng)的采摘方式效果最好[5]。國(guó)外許多學(xué)者對(duì)果樹(shù)采摘振動(dòng)理論進(jìn)行了研究，Horvath 等建立了果樹(shù)樹(shù)干-側(cè)枝有限元模型，對(duì)果樹(shù)在底部受到激勵(lì)時(shí)進(jìn)行了響應(yīng)分析[6]，同時(shí)Láng 等對(duì)櫻桃等果樹(shù)進(jìn)行了采摘理論研究和試驗(yàn)[7-9]，國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步較晚，國(guó)內(nèi)進(jìn)行 采摘機(jī)械的研究起步較晚，采摘技術(shù)和手段比較落后[10]。王業(yè)成等設(shè)計(jì)了黑加侖采收機(jī)，并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化[11-12]。王長(zhǎng)勤等針對(duì)矮化密植性果樹(shù)研制了偏心式林果振動(dòng)采摘機(jī)，試驗(yàn)表明：采摘頻率為19～20Hz 時(shí)，采凈率約89.5%～92.6%，效果較好[13]；散鋆龍等研究了不同振動(dòng)方式和頻率對(duì)杏樹(shù)振動(dòng)采收的影響，得到杏樹(shù)在11.5 Hz 時(shí)，各檢測(cè)點(diǎn)的加速度最大[14]；杜小強(qiáng)等對(duì)櫻桃樹(shù)在不同激振力下的響應(yīng)進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)拽拉式采摘器進(jìn)行了研究[15-18]。

上述采摘機(jī)械，激振機(jī)構(gòu)和車(chē)體多是剛性連接，工作過(guò)程中，振動(dòng)對(duì)采摘車(chē)上的電控設(shè)備以及駕駛員造成一定程度的影響[19]。因此，本文在深入研究油茶果振動(dòng)采摘機(jī)工作方式的基礎(chǔ)上，提出了一種懸掛振動(dòng)式油茶果采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1 懸掛振動(dòng)式采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

懸掛振動(dòng)式油茶果采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)依附采摘機(jī)底盤(pán)組件進(jìn)行工作，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該機(jī)構(gòu)主要由振動(dòng)頭1 和立柱機(jī)構(gòu)3 組成。立柱機(jī)構(gòu)3 固定在采摘機(jī)底盤(pán)2 上，由豎桿和橫桿以及一些滑輪組成，通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。升降液壓缸固定在立柱機(jī)構(gòu)4 上，利用繩索5 以及滑輪和振動(dòng)頭1 連接，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)頭的上下運(yùn)動(dòng)。采摘機(jī)的主要作業(yè)參數(shù)如表1 所示。

圖1 懸掛振動(dòng)式油茶果采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Structure diagram of suspended and vibratory Camellia Oleifera fruit picking actuator

表1 采摘機(jī)主要作業(yè)參數(shù) Table1 Main operating parameters of picking machine

1.2 工作原理及過(guò)程

懸掛振動(dòng)式油茶果采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)是基于通過(guò)對(duì)果樹(shù)主干施加機(jī)械振動(dòng)，使果樹(shù)產(chǎn)生受迫振動(dòng)，果樹(shù)帶動(dòng)果實(shí)做加速運(yùn)動(dòng)，果實(shí)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力大于果實(shí)與樹(shù)枝的結(jié)合力時(shí)，果實(shí)從果樹(shù)上掉落。工作時(shí)，首先將立柱機(jī)構(gòu)4 旋轉(zhuǎn)合適的角度，通過(guò)升降液壓缸3 帶動(dòng)振動(dòng)頭1到適當(dāng)?shù)母叨?，然后通過(guò)振動(dòng)頭的夾持機(jī)構(gòu)夾緊樹(shù)干，啟動(dòng)振動(dòng)頭上面的液壓馬達(dá)帶動(dòng)偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生激振力，通過(guò)振動(dòng)頭將力傳遞給樹(shù)干，從而使果實(shí)產(chǎn)生一定頻率和振幅的受迫振動(dòng)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)頭設(shè)計(jì)

振動(dòng)頭是懸掛振動(dòng)式油茶果采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)的核心部件，其主要功能為產(chǎn)生激振力和夾緊樹(shù)干，主要由激振機(jī)構(gòu)、連接桿、夾緊液壓缸等組成。根據(jù)實(shí)地測(cè)量成熟油茶樹(shù)直徑范圍25～45 mm，此次設(shè)計(jì)液壓缸行程范圍為0～150 mm。振動(dòng)頭結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

激振機(jī)構(gòu)采用雙偏心塊式結(jié)構(gòu)，主要由液壓馬達(dá)、偏心塊、齒輪、傳遞軸、振動(dòng)箱體等組成。2 個(gè)偏心塊對(duì)稱裝配，轉(zhuǎn)向相反，這樣在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，只能產(chǎn)生一個(gè)方向的慣性力，另一個(gè)方向慣性力被抵消。為了使結(jié)構(gòu)緊湊，采用1 個(gè)液壓馬達(dá)帶動(dòng)1 對(duì)齒輪傳動(dòng)，使2 個(gè)偏心塊轉(zhuǎn)向相反，其主要結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 振動(dòng)頭結(jié)構(gòu)圖 Fig.2 Structure diagram of vibratory head

圖3 激振機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 Fig.3 Structure diagram of excitation mechanism

2.2 偏心矩計(jì)算

激振機(jī)構(gòu)使果樹(shù)產(chǎn)生振動(dòng)，由于振動(dòng)機(jī)械的阻尼力和彈性力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)體的慣性力和激振力，所以它對(duì)機(jī)體運(yùn)動(dòng)的影響可忽略不計(jì)，這時(shí)，振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的慣性力和偏心塊產(chǎn)生的慣性力相平衡，方向相反[20]，即2mω2r=Mω2B，其中m 為偏心塊質(zhì)量，kg；r 為偏心塊偏心距，mm； ω 為偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad/s；M 為果樹(shù)等效質(zhì)量，kg；B 為樹(shù)干振幅，mm。

為初步得到偏心塊的偏心距，需要測(cè)得不同高度下油茶果樹(shù)的等效質(zhì)量。Láng 等利用瑞利法估算果樹(shù)的等效質(zhì)量[21]，本項(xiàng)目組對(duì)油茶采摘進(jìn)行了很多的研究，其中包括對(duì)油茶樹(shù)的等效質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量地點(diǎn)為長(zhǎng)沙市中南林業(yè)科技大學(xué)雪峰山油茶基地，測(cè)量對(duì)象是7 a 生油茶樹(shù)，該地的油茶樹(shù)主干直徑范圍為25～45 mm，普遍集中在28～36 mm，根據(jù)當(dāng)?shù)赜筒韫麡?shù)的生長(zhǎng)特點(diǎn)，選取基地內(nèi)27 棵直徑在28～36 mm、處于結(jié)果期的油茶樹(shù)，取不同高度測(cè)量油茶樹(shù)的等效質(zhì)量[22]，求其平均值，結(jié)果如表2 所示。

表2 油茶樹(shù)等效質(zhì)量 Table 2 Equivalent mass parameter of Camellia Oleifera tree

根據(jù)油茶果樹(shù)的生長(zhǎng)情況可知，油茶果主要生長(zhǎng)在1 300 mm 高度以上的側(cè)枝上，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，在夾持高度為1 300 mm、樹(shù)干全振幅約為15 mm 時(shí)，采摘效果較好，因此果樹(shù)等效質(zhì)量按照約135 kg 計(jì)算，振動(dòng)頭連帶偏心塊質(zhì)量初步按照45 kg 設(shè)計(jì)。根據(jù)上式估算得到偏心塊的偏心矩為0.67 kg·m。

3 采收動(dòng)力學(xué)模型

在工作過(guò)程中，振動(dòng)頭和油茶果樹(shù)剛性連接，可將油茶果樹(shù)和振動(dòng)頭視為一個(gè)整體。由于繩索擺動(dòng)幅度很小，對(duì)整體影響很小，故在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模時(shí)將其忽略。油茶果樹(shù)力學(xué)特性用等效為彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)表示[23]，將模型簡(jiǎn)化為單自由度質(zhì)量-彈簧-阻尼振動(dòng)系統(tǒng)。在水平方向上，以油茶果樹(shù)夾持位置中心o 為原點(diǎn)坐標(biāo)系，以果樹(shù)水平運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤 坐標(biāo)，建立油茶果樹(shù)-振動(dòng)頭動(dòng)力學(xué)模型，如圖4 所示。采收過(guò)程中，瞬時(shí)合力為0。

圖4 油茶樹(shù)-振動(dòng)頭動(dòng)力學(xué)模型 Fig.4 Dynamic model of Camellia Oleifera tree-vibratory head

根據(jù)牛頓定律，建立系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程。此時(shí)作用在系統(tǒng)上的力有：

偏心塊的偏心力

因懸掛振動(dòng)式油茶果采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用雙偏心塊式結(jié)構(gòu)，2 個(gè)偏心塊對(duì)稱布置，轉(zhuǎn)向相反，故在工作過(guò)程中，x方向產(chǎn)生的偏心力大小相等方向相同，y 方向上產(chǎn)生的力大小相等，方向相反，相互抵消合力為0。故2 個(gè)偏心塊產(chǎn)生的慣性力只在x 方向上有。

振動(dòng)頭慣性力

式中fx為偏心塊在x 方向上產(chǎn)生的偏心力，N；f1x為振動(dòng)頭在x 方向產(chǎn)生的慣性力，N；f2x為果樹(shù)在x 方向的慣性力，N； x 為樹(shù)干在x 方向的位移，m。

果樹(shù)慣性力

彈性力

阻尼力

根據(jù)牛頓第二定律可得系統(tǒng)振動(dòng)方程為

整理后可得

式中M 為系統(tǒng)的總質(zhì)量，M=M1+M2，kg。

根據(jù)機(jī)械振動(dòng)理論，上式的穩(wěn)態(tài)解為：

式中B 為x 方向穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的振幅，ψ 為位移落后于激振力的相位角。將式（8）及其一階和二階導(dǎo)數(shù)帶入式（1），得到：

由以上計(jì)算過(guò)程和結(jié)果可看出，在果樹(shù)受到簡(jiǎn)諧激振力作用時(shí)，果樹(shù)的受迫振動(dòng)也是一個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)，且沿著x方向的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，其頻率和激振頻率ω 相同，振幅B、相位角ψ 取決于系統(tǒng)本身的性質(zhì)（質(zhì)量M2、彈性系數(shù)k、等效阻尼系數(shù)c）和激振力的性質(zhì)，與初始條件無(wú)關(guān)。

4 振動(dòng)采摘系統(tǒng)剛?cè)狁詈戏抡?/h2>

為進(jìn)一步分析果樹(shù)側(cè)枝的響應(yīng)特性，驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型的正確性以及采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可行性，本節(jié)基于ANSYS 和ADAMS 對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡妗?/p>

4.1 油茶果樹(shù)柔性體模型的建立

油茶果樹(shù)柔性體的建立過(guò)程：首先在SOLIDWORKS中建立油茶果樹(shù)的三維模型，之后將其導(dǎo)入ANSYS 中，利用蜘蛛網(wǎng)法進(jìn)行油茶果樹(shù)的柔性體生成，最后生成油茶果樹(shù)柔性體MNF 文件導(dǎo)入到ADAMS 軟件中。

對(duì)于果樹(shù)三維模型的構(gòu)建，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了深入研究。王劍等對(duì)果樹(shù)的模型建立提出了不同方法[24]。本文構(gòu)建油茶果樹(shù)三維模型，目的是對(duì)油茶果樹(shù)在振動(dòng)采摘過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，側(cè)重點(diǎn)在于枝干的位置、結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能等。本文在研究油茶果樹(shù)的生長(zhǎng)情況后，發(fā)現(xiàn)油茶樹(shù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：1）油茶樹(shù)整體大致對(duì)稱；2）側(cè)枝（一級(jí)枝條）沿主干生長(zhǎng)方向具有層次特征，側(cè)枝與主干夾角沿主干生長(zhǎng)方向逐漸減小，在25°～40°之間；3）下級(jí)側(cè)枝長(zhǎng)度和根直徑等尺寸明顯小于一級(jí)側(cè)枝。隨機(jī)選取上述27 棵中的6 棵油茶樹(shù)進(jìn)行尺寸測(cè)量，測(cè)量?jī)?nèi)容主要為主枝干的直徑以及高度，一級(jí)側(cè)枝的直徑、長(zhǎng)度和分布情況。利用遞歸算法[25]得到如表3 的測(cè)量結(jié)果。

根據(jù)已有研究[26]，油茶樹(shù)的樹(shù)形為自然圓頭形，分枝模式上屬于單軸分枝，可將其構(gòu)造為L(zhǎng)eeuwenberg 模型，故將油茶果樹(shù)模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化:

1)將主干簡(jiǎn)化為錐臺(tái)，高度為2 200 mm；

2)將側(cè)枝之后的結(jié)構(gòu)忽略，為補(bǔ)償忽略結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，將側(cè)枝視為圓柱。

綜上所述，可以看到深化設(shè)計(jì)在FUJAIRAN BUSINESS CENTRE PROJECT工程施工過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用，其與各施工要素之間有著緊密的聯(lián)系。筆者作為該項(xiàng)目的項(xiàng)目經(jīng)理，通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目深化設(shè)計(jì)的總結(jié)分析，不僅為公司后續(xù)海外幕墻工程提供了一定的參考價(jià)值，也為其他企業(yè)在的海外幕墻工程施工中提供了管理思路。

簡(jiǎn)化之后的果樹(shù)側(cè)枝數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 油茶樹(shù)枝干實(shí)測(cè)尺寸 Table 3 Actual measured size of Camellia Oleifera tree's trunk and branch

根據(jù)上述參數(shù)，在SolidWorks 中建立油茶果樹(shù)三維 模型,將建好的模型導(dǎo)入ANSYS 中，根據(jù)已有研究[27]，設(shè)定油茶樹(shù)的彈性模量3×109Pa，泊松比0.17，材料密度1345 kg/m3。選擇不規(guī)則三維實(shí)體網(wǎng)格劃Solid186 單元，設(shè)定網(wǎng)格長(zhǎng)度為6 mm，采用梁?jiǎn)卧猙eam188 單元實(shí)現(xiàn)交互界面的6 個(gè)自由度[28]。界面點(diǎn)數(shù)為4 個(gè)，其中一個(gè)為果樹(shù)與地面的交互點(diǎn)，3 個(gè)為樹(shù)干與夾持機(jī)構(gòu)的交互點(diǎn)，高度分為1300、1000 和700 mm。導(dǎo)出MNF 文件時(shí)，模態(tài)階數(shù)為30[29]。油茶樹(shù)柔性體模型如圖5 所示。

圖5 油茶樹(shù)柔性體模型 Fig.5 Flexible body model of Camellia Oleifera tree

生成柔性體中性MNF 文件后，導(dǎo)入ADAMS/View后，需要校驗(yàn)其傳輸是否正確。分別從ANSYS 和ADAMS 中抽取前10 階模態(tài)，進(jìn)行固有頻率對(duì)比，如表4 所示。對(duì)比可知，導(dǎo)入前和導(dǎo)入后差別較小，柔性體傳輸無(wú)誤。

表4 油茶樹(shù)側(cè)枝簡(jiǎn)化參數(shù) Table 4 Simplified parameters of Camellia Oleifera tree's branch

表5 油茶樹(shù)柔性體模態(tài)固有頻率 Table 5 Natural frequency of Camellia Oleifera tree flexible body mode Hz

4.2 模型構(gòu)建及仿真分析

將在SolidWorks 中建立好的振動(dòng)頭模型和果樹(shù)柔性 體模型導(dǎo)入到ADAMS 中，建立剛?cè)狁詈夏Ｐ?，如圖6所示，其中鋼絲繩用細(xì)桿代替。

圖6 振動(dòng)頭-油茶樹(shù)剛?cè)狁詈夏Ｐ?Fig.6 Rigid-flexible coupling model of vibratory head and Camellia Oleifera tree

1）布爾運(yùn)算。上述模型導(dǎo)入后，需要對(duì)振動(dòng)頭相關(guān)零部件進(jìn)行布爾運(yùn)算。本模型中振動(dòng)頭的箱體以及連接桿、液壓馬達(dá)和軸承座等合并成一個(gè)整體，偏心塊、軸、齒輪等合并成一個(gè)整體。

2）添加約束。根據(jù)振動(dòng)頭的工作原理，工作時(shí)只有偏心塊、軸轉(zhuǎn)動(dòng)。因此對(duì)2 個(gè)軸添加2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，鋼絲繩和上固定桿添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，和振動(dòng)頭的連接桿添加固定副。因ADAMS 不能直接向柔性體添加柔性約束，如Bushings、Beams 等。解決此類問(wèn)題的方法是建立一個(gè)油茶果樹(shù)的啞物體，將其質(zhì)量和慣量都設(shè)為零。將油茶果樹(shù)啞物體和柔性體放到一個(gè)位置，兩者用固定副連接，振動(dòng)頭夾持機(jī)構(gòu)和油茶果果樹(shù)剛性連接，為模擬油茶果樹(shù)和土壤接觸效果，用阻尼器來(lái)代替，參考相關(guān)文獻(xiàn)[30]，阻尼器參數(shù)分別設(shè)置為：100、1 000、2 480 和500。

3）施加驅(qū)動(dòng)。在2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加2 個(gè)轉(zhuǎn)向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)

圖7 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷膫?cè)枝夾持點(diǎn)加速度響應(yīng)仿真結(jié)果 Fig.7 Acceleration response simulation results of side branch clamping point for rigid-flexible coupling model

圖8 夾持點(diǎn)軌跡散點(diǎn)圖 Fig.8 Clamping point track scatter plot

本文建立的剛?cè)狁詈险駝?dòng)模型中，2 個(gè)偏心塊對(duì)稱布置，轉(zhuǎn)向相反，所以2 個(gè)偏心塊在y 方向上的力抵消，在x 方向的力疊加，振動(dòng)方向?yàn)閤 方向。由圖6 可知，相同采摘頻率下，隨著夾持高度的增加，側(cè)枝加速度逐漸增大；相同夾持高度下，隨著激振頻率的增加，側(cè)枝加速度逐漸增大。且側(cè)枝加速度周期和偏心塊振動(dòng)周期一致，在激振頻率18 Hz、夾持高度1 300 mm 時(shí)，側(cè)枝加速度最大達(dá)到2.84×105m/s2，預(yù)計(jì)采收效果最好。側(cè)枝在x 方向的加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在y 方向的加速度，夾持位置的加速度也成周期性變化且小于側(cè)枝加速度。由圖7 可知，夾持點(diǎn)位置集中在y 軸上下兩側(cè)附近區(qū)域，在x 方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，仿真軌跡與理論推導(dǎo)一致。

由以上分析可知，果樹(shù)受迫振動(dòng)為周期性振動(dòng)，其加速度響應(yīng)隨激振頻率和夾持高度的變化而變化。

5 油茶果振動(dòng)采收試驗(yàn)

為驗(yàn)證懸掛振動(dòng)式油茶果執(zhí)行機(jī)構(gòu)的采摘效果，進(jìn)行樣機(jī)實(shí)地采摘試驗(yàn)。 試驗(yàn)于2017 年10 月份在湖南省長(zhǎng)沙市中南林業(yè)科技大學(xué)雪峰山油茶基地進(jìn)行，試驗(yàn)樹(shù)種為國(guó)家油茶林示范基地培育7 a 生油茶樹(shù)，與前文測(cè)量的油茶樹(shù)相同。

5.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

5.1.1 試驗(yàn)指標(biāo)

油茶果為花果同期植物，在油茶果成熟季節(jié)，油茶花含苞待放。因此振動(dòng)采收試驗(yàn)的試驗(yàn)指標(biāo)有2 個(gè)：落果率和落花率。試驗(yàn)前，人工對(duì)每棵油茶樹(shù)上的油茶果和油茶花數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)后統(tǒng)計(jì)振落和未振落的油茶果和油茶花數(shù)量，計(jì)算落果率和落花率。設(shè)每次振動(dòng)試驗(yàn)掉落的果實(shí)數(shù)量為N1，未掉落果實(shí)數(shù)量為N2，落果率為y1，掉落的花朵數(shù)量為P1，未掉落花朵數(shù)量為P2，落花率為y2。則有：

5.1.2 試驗(yàn)因素確定

油茶果是否掉落取決于果實(shí)振動(dòng)過(guò)程中的慣性力能否滿足果實(shí)柄端的斷裂條件。根據(jù)前文分析可知，影響油茶果樹(shù)振動(dòng)加速度的因素有激振頻率（A）和夾持高度（B）。

5.1.3 因素水平確定

果樹(shù)振動(dòng)采摘頻率一般為10～20 Hz[30-33]，本次試驗(yàn)采取3 種采摘頻率進(jìn)行，分別為12，15 和18 Hz。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的流量來(lái)改變偏心塊轉(zhuǎn)速，用測(cè)速表測(cè)定偏心塊轉(zhuǎn)速并換算為頻率。

根據(jù)實(shí)地測(cè)量油茶果樹(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)前文所測(cè)量的27 棵油茶樹(shù)進(jìn)行采摘試驗(yàn)，取700～1 300 mm 高度為夾持范圍，試驗(yàn)時(shí)分別取700、1 000 和1 300 mm 夾持高度。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)為二因素三水平試驗(yàn)，共9 組，每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，振動(dòng)測(cè)量?jī)x器為背景時(shí)代山峰科技有限公司的研發(fā)的TV360 便攜式測(cè)振儀。圖9 為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

圖9 采摘試驗(yàn) Fig.9 Picking test

5.2.1 不同激振頻率和夾持高度下的樹(shù)干振幅

由表6 可知，在相同夾持高度下，隨著激振頻率的增加，樹(shù)干振幅逐漸增大；在相同夾持高度下，隨著激振頻率的增加，樹(shù)干振幅逐漸增大。試驗(yàn)得出樹(shù)干振幅在25～47 mm 之間。

表6 不同頻率和夾持高度下樹(shù)干振幅 Table 6 Trunk amplitude at different frequencies and clamping heights

5.2.2 落果率和落花率試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表7 可知，當(dāng)夾持高度（B）和樹(shù)干振幅一定時(shí)，落果率隨著采摘頻率(A)的增加而增大，落花率隨著采摘頻率的增加而減?。划?dāng)采摘頻率（A）一定時(shí)，隨著夾持高度(B)的增加，落果率增大，落花率減?。划?dāng)采摘頻率(A)和夾持高度（B）一定時(shí)，隨著振幅的增加，落果率增大，落花率減小。其中在激振頻率18 Hz、夾持高度1300 mm、樹(shù)干振幅47 mm 時(shí)，落果率最大為96.8%；在頻率12 Hz、加持高度1 300 mm、樹(shù)干振幅37 mm 時(shí)，落花率最小為3.4%。試驗(yàn)總體采摘效果效果良好，落果率在80%以上，落花率在12%以下。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)落果率和落花率進(jìn)行極差分析，如表8 所示。

表7 不同頻率和夾持高度下試驗(yàn)結(jié)果 Table 7 Test results at different frequencies and clamping heights

表8 落果率和落花率極差分析表 Table 8 Range analysis table of fruit drop rate and flower drop rate

由表7 可知，落果率的最優(yōu)組合為A3B3,，落花率的最優(yōu)組合為A1B3。分析表7 可知，隨著頻率（A）的增加，落果率逐漸增大，增加幅度逐漸減小。隨著夾持高度（B）的增加，落果率逐漸增大，夾持高度為1 300 mm 時(shí)落果率最大。隨著頻率（A）的增加，落花率逐漸增大，增加幅度逐漸減小。隨著夾持高度（B）的增加，落花率逐漸減小，夾持高度為1 300 mm 時(shí)落花率最小。

5.3 多指標(biāo)分析與最優(yōu)參數(shù)確定

由前面的分析可知，落果率和落花率2 指標(biāo)的最優(yōu)方案不同，為了兩者兼顧，采用綜合評(píng)分法進(jìn)行最優(yōu)方案確定，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下：

1)當(dāng)落果率1y 大于95%時(shí)，得分p1=100；當(dāng)落果率1y小于89%，p1=0 分；當(dāng)落果率位于兩個(gè)之間時(shí)，得分如下：

2)當(dāng)落果率2y 大于10%時(shí)，得分p2=0；當(dāng)落果率2y 小于6%，p2=100 分；當(dāng)落果率位于兩者之間時(shí)，得分如下：

3)通過(guò)調(diào)查湖南省各大油茶種植基地在油茶國(guó)采收時(shí)對(duì)落果率和落花率的重視程度，分配落花率得分在總得分中占60%，落果率得分占40%。

根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，得到綜合評(píng)分如表9 所示。

表9 綜合評(píng)分表 Table 9 Comprehensive score table

由綜合評(píng)分表可知，在采摘頻率15 Hz，夾持高度1300 mm 時(shí)，落果率為95.1%，落花率為4.8%，綜合評(píng)分最高為100 分。

6 結(jié) 論

1）針對(duì)油茶果等生長(zhǎng)環(huán)境的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了懸掛振動(dòng)式采摘機(jī)，介紹了采摘機(jī)懸掛振動(dòng)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)組成，主要由立柱機(jī)構(gòu)和振動(dòng)頭機(jī)構(gòu)組成。

2）建立了雙偏心式振動(dòng)采收動(dòng)力學(xué)模型，分析得出位移、速度、加速度成周期性變化，且響應(yīng)的振幅和相位角取決于系統(tǒng)本身，和初始條件無(wú)關(guān)。

3）通過(guò)ANSYS 和ADAMS 對(duì)懸掛振動(dòng)式采摘模型進(jìn)行剛?cè)狁詈戏抡妫治龅玫讲烧獔?zhí)行機(jī)構(gòu)在進(jìn)行采摘工作時(shí)，側(cè)枝加速度呈周期性變化，在相同采摘頻率條件下，側(cè)枝加速度隨著夾持高度的增加而增大且明顯大于夾持位置加速度。夾持高度相同時(shí)，采摘頻率越大側(cè)枝加速度越大，且采摘振動(dòng)主要表現(xiàn)為單自由度振動(dòng)。

4）試驗(yàn)表明，隨著激振頻率的增大，樹(shù)干振幅逐漸增大，落果率和落花率逐漸增大；落花率隨著夾持高度的增加而減小，隨著頻率的增大而增大。用綜合評(píng)分法進(jìn)行過(guò)指標(biāo)分析，得出在采摘頻率15 Hz 和夾持高度為1 300 mm 時(shí)，落果率落花率分別為95.1%和4.8%，采摘效果最好。