劉 英, 范開欣, 馬晨偉

(1.甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 武威 733006;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

枸杞,隸屬于茄科枸杞屬,別名又為枸杞子、甜菜子、血杞子等,是一種具有高營養(yǎng)價值和經(jīng)濟價值的多年生多棘刺灌木植物[1-3],其化學(xué)成分主要包括苯酞內(nèi)酯類、有機酸類、多糖、氨基酸和核苷類等成分,具有抗氧化、延衰抗老、抗血小板聚集、抗腫瘤、保肝等多種保健功效[4-7]。

目前枸杞采摘方式仍為傳統(tǒng)的人工采摘,不僅費時費力,且效率低下,成本高昂,這嚴(yán)重影響著枸杞產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展[8]。因此,研發(fā)高效低損傷的枸杞采摘機械,已成為枸杞產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展亟待解決的問題。頂生小林果實現(xiàn)全程機械化式采收較為困難,國內(nèi)學(xué)者也對小林果機械化采收進行了大量研究。王克奇[9]等設(shè)計了一種擊打式松果采摘機器人,通過電機驅(qū)動采摘模塊并相互配合完成采摘作業(yè),采用Matlab軟件的仿真運動學(xué)模型求解出了機械臂的工作空間范圍,配合Ansys Workbench軟件對采摘機器人的各部件進行了優(yōu)化分析,避免了松果人工采摘過程中存在的安全問題。陳燕[10]等通過對荔枝果實植株的生長特性研究,設(shè)計了一種荔枝單果采摘機,該機器的動力源采用氣動的方式,將伸縮機構(gòu)設(shè)計到采摘機的剪切機構(gòu)和移障機構(gòu)中,實現(xiàn)了對不同高度荔枝果實的采摘作業(yè)。王毅[11]等根據(jù)柑橘果柄的生長狀態(tài),并與蛇嘴咬合機理相結(jié)合,提出了一種具有仿生特性的果實摘取終端執(zhí)行器,并對該執(zhí)行器進行了模擬分析,確保了該執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)合理,從而實現(xiàn)了戶外條件下對柑橘果實精確的摘取。郭艷玲[12]等通過探索藍(lán)莓收獲的振動特性研制出了一種藍(lán)莓收獲試驗臺,通過分析試驗臺結(jié)構(gòu)參數(shù)對藍(lán)莓植株振動響應(yīng)的影響,得出了藍(lán)莓植株的振動輸出響應(yīng)與指排振動裝置頻率、振幅、采摘平臺行進速率之間的關(guān)系,并通過對藍(lán)莓的收獲實驗得出能夠達(dá)到收獲要求的最優(yōu)振動頻率約為2 r/s,采摘機的最優(yōu)行駛速率約為1 m/s,指排振動裝置的最佳拍打角約為60°。

本研究通過對枸杞在采摘過程中的受力分析,確定影響振動機構(gòu)的主要因素。并對掛果枝條的模態(tài)進行仿真分析,以確定振動采摘頭振動機構(gòu)的最佳參數(shù)。

1 枸杞果實采摘力分析

本研究設(shè)計的振動采摘頭振動方式為在豎直方向上做往復(fù)式直線振動,枸杞果實發(fā)生受迫振動的形式可以簡化為定點擺動的振動形式,果實主要受力形式為抗拉力。建立枸杞果實受力模型如圖1所示。以正弦規(guī)律作為掛果枝條在振動過程中產(chǎn)生的位移輸出響應(yīng),如式(1)所示:

圖1 枸杞果實受力模型

f(t)=Asin(ωt+φ)·e-ζωt

(1)

式中:A-振幅,m;ω-振動角頻率,rad/s;φ-初始相位角,rad;ξ-阻尼比。

對式(1)進行二階導(dǎo)數(shù)求導(dǎo)運算可得:

f''(t)=A[ω2-(ζω)2]sin(ωt+φ)·e-ζωt

(2)

引入牛頓第二定律可得振動過程中作用在枸杞果實上的慣性力為:

F=mf''(t)=mA[ω2-(ζω)2]sin(ωt+φ)·e-ζωt

(3)

式中:F-振動產(chǎn)生的枸杞果實慣性力,N;m-枸杞果實質(zhì)量,kg。

分析枸杞果實受力模型可得,當(dāng)受迫振動產(chǎn)生的慣性力和果實自身重力在果柄方向的分力大于果柄連接力時,枸杞果實脫離掛果枝條,如式(4)所示:

Fn+G1>F拉

(4)

即:

Fcosα+Gcosα>F拉

(5)

式中:F拉-果柄連接力,N;α-重力與果柄連接力的夾角,rad。

聯(lián)立式(4)和(5)可得:

m{A[ω2-(ξω)2]sin(ωt+φ)·e-ζωt+g}cosα>F拉

(6)

枸杞植株在實際生長過程中,掛果枝條幾乎與地面保持垂直狀態(tài),重力與果柄連接力的夾角一般都比較小,因此可將cosα的值視為1,整理化簡式(6)可得:

m{A[ω2-(ξω)2]sin(ωt+φ)·e-ζωt+g}>F拉

(7)

由式(7)分析可知,影響枸杞受迫振動過程中慣性力大小的主要因素為枸杞果實質(zhì)量、振幅、振動角頻率、受振時間以及阻尼比。振幅和振動的頻率越大,產(chǎn)生的慣性力也就越大,但振幅和頻率過大,會對枸杞植株和枸杞果實產(chǎn)生損傷,同樣在振幅和頻率確定的情況下,受振時間越長,振動的效果也就越好,但同時也會增加采摘機的能量消耗。當(dāng)F慣性力>F拉力時,枸杞果實受振動作用脫落,在實際采收過程中應(yīng)保持F熟果結(jié)合力>F慣性力>F青果結(jié)合力,方能達(dá)到采摘熟果保留青果的目的,同時不對后期晚熟枸杞的采摘造成影響。

2 掛果枝條頻率的確定

2.1 有限元建模

根據(jù)枸杞植株生長形態(tài)可知,枸杞果樹主桿上分布有2～3個次級枝條,根據(jù)掛果程度的不同,可將枸杞樹枝條分為主干、一級枝條、二級枝條、三級枝條、下垂掛果枝條,一二三級枝條延樹干向上生長,掛果枝條較為柔軟,受枸杞果實重力整體呈下垂?fàn)顟B(tài),其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 枸杞植株結(jié)構(gòu)簡圖1.枸杞樹主干;2.一級枝條;3.二級枝條;4.三級枝條;5.下垂掛果枝條;6.地面

枸杞植株振動采摘原理圖如圖3所示,根據(jù)枸杞植株結(jié)構(gòu)簡圖,在SolidWorks軟件中建立掛果枝條的三維模型,將其保存為Parasolid(*.x—t)格式,并在Ansys workbench 軟件中建立模態(tài)分析項,將掛果枝條導(dǎo)入到workbench 模態(tài)分析選項中,進行掛果枝條模型材料的添加、網(wǎng)格劃分、添加約束并創(chuàng)建運算算例,完成有限元模型建立[13-14]。

圖3 振動采摘原理圖

2.2 求解及后處理

在模態(tài)分析過程中主要對掛果枝條前50階模態(tài)固有頻率進行有限元仿真求解,考慮到高頻振動對掛果枝條和枸杞果實均會造成損傷,因此選擇小于25 Hz的固有頻率進行分析求解,模態(tài)位移云圖如圖4所示,掛果枝條的固有頻率如表1所示。

表1 掛果枝條前20階固有頻率

圖4 掛果枝條模態(tài)云圖

根據(jù)掛果枝條前20階模態(tài)云圖分析可知,在不同階數(shù)振動頻率下掛果枝條整體表現(xiàn)為彎曲變形,果柄和枸杞果實主要表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)和搖擺晃動,枸杞果實在搖擺晃動的過程中還表現(xiàn)出相鄰果實之間的碰撞現(xiàn)象。掛果枝條與果柄-果實之間在前七階低頻模態(tài)下主要表現(xiàn)為擺動運動狀態(tài),果柄-果實與掛果枝條之間的運動狀態(tài)并不一致,且兩者之間保持有較高的獨立性,根據(jù)Spatz等[15]的相關(guān)研究也表明,果樹分支在振動擺動過程中的運動形式與果樹主干之間的運動形式并不是統(tǒng)一的,兩者之間具有較高的獨立性。在高頻模態(tài)下,振動的形式主要表現(xiàn)為枸杞果樹整體的振動,其中一二三級枝條在高頻振動下產(chǎn)生的振型與掛果枝條在高頻模態(tài)下產(chǎn)生的振型也各不相同,具有較大的差異性。結(jié)果表明掛果枝條固有頻率在達(dá)到8階10.094 Hz以上時,掛果枝條能產(chǎn)生有效振動,但當(dāng)掛果枝條的固有頻率超過11階固有頻率14.498 Hz時,模態(tài)振型顯示掛果枝條會產(chǎn)生大幅度振動形式,在此頻率下會對掛果枝條和枸杞果實產(chǎn)生振動損傷。

因此,能使掛果枝條產(chǎn)生有效振動的模態(tài)階數(shù)范圍為8～11階模態(tài),振動頻率選擇范圍為10.094 ～14.498 Hz之間時可使振動效果達(dá)到最佳。

3 小結(jié)

(1)通過對枸杞采收機振動形式和枸杞在采摘過程中的受力進行分析,得出了影響枸杞受迫振動過程中決定慣性力大小的主要因素為枸杞果實質(zhì)量、振幅、振動角頻率、受振時間以及阻尼比;在實際采收過程中應(yīng)保持F熟果結(jié)合力>F慣性力>F青果結(jié)合力,方能達(dá)到“采熟留青”的目的。

(2)通過對掛果枝條前二十階模態(tài)固有頻率仿真試驗,得出能使掛果枝條產(chǎn)生有效振動的模態(tài)階數(shù)范圍為8～11階模態(tài),振動頻率選擇范圍為10.094～14.498 Hz之間時可使振動效果達(dá)到最佳,且不會對枸杞果實和掛果枝條造成損傷。