茹煜,范高鳴,徐國鵬,許林云,周宏平,陳吉朋

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,南京 210037)

核桃(Juglansregia)是全球四大知名果品之一[1],因其富含多種營養(yǎng)物質(zhì)而備受人們的青睞[2]。核桃在我國有很長的栽培歷史,我國是世界上最早的核桃產(chǎn)地之一,近年來隨著核桃產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,我國核桃產(chǎn)量已居世界第1[3]。2021年我國核桃種植面積達(dá)813.3萬hm2,產(chǎn)量達(dá)到547.12萬t(圖1),較2020年增長12.34%;2022年我國核桃種植面積達(dá)840萬hm2,產(chǎn)量達(dá)到624.15萬t,較2021年增長13.21%[4]。

隨著我國核桃栽培面積的持續(xù)增加,核桃采收問題日漸嚴(yán)峻。我國傳統(tǒng)的核桃采收方式是人工采收,采收過程約占整個(gè)果品生產(chǎn)環(huán)節(jié)中用工量的50%。這種采收方式既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力,容易造成枝芽損傷,影響樹的長勢(shì),降低來年核桃的產(chǎn)量,因此,急需一些機(jī)械化、半機(jī)械化的采收方式來替代人工采收,從而提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本[5]。

圖1 中國核桃產(chǎn)量變化趨勢(shì)Fig. 1 Trend of changes of walnut yields in China

為了有針對(duì)性提高核桃的采收效率,研究人員針對(duì)我國矮化密植種植模式下的核桃、身處在山地丘陵下的山核桃以及傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)果園下核桃的采收方式進(jìn)行了大量研究發(fā)現(xiàn):對(duì)于矮化密植種植模式下的核桃采收適合運(yùn)用便攜式采收機(jī)械;對(duì)于山核桃采收則適合運(yùn)用高空拍打機(jī)械設(shè)備;對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)果園下的核桃采收適合運(yùn)用智能化車載采收裝備。

基于振動(dòng)機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn),振動(dòng)式采收是最常見的采收方式。振動(dòng)采收可分為3個(gè)方面:樹枝振動(dòng)、樹冠振動(dòng)和樹干振動(dòng)。國外的采收機(jī)械技術(shù)起步較早、技術(shù)發(fā)展迅速、自動(dòng)化水平高,其機(jī)械化采收技術(shù)已經(jīng)成熟;而國內(nèi)研究起步相對(duì)較晚,振動(dòng)采收技術(shù)的研發(fā)尚有較大的發(fā)展空間[6]。本研究將針對(duì)生長在不同環(huán)境下的核桃適用的采收機(jī)械設(shè)備依次進(jìn)行介紹和分析[7]。

1 核桃采收機(jī)械化設(shè)備

1.1 矮化密植種植模式下的核桃采收

我國核桃種植區(qū)以華中區(qū)、西南區(qū)、西北區(qū)為主,種植區(qū)域以山地、丘陵為主,經(jīng)過嫁接培育等手段,將核桃種植環(huán)境改為行距小、矮化密植的種植模式。國外的采收機(jī)主要用于蘋果(Maluspumila)、杏(Prunusarmeniaca)、藍(lán)莓(Vaccinium)和開心果(Pistaciavera)等作物,具有較高的采收率[8],但國外采收裝備造價(jià)昂貴,且多為大型車載設(shè)備,作業(yè)環(huán)境要求嚴(yán)格,不適合我國矮化密植種植模式的采收。國內(nèi)研究人員基于此,研制出多種適用于矮化密植種植模式下的機(jī)械設(shè)備[9]。

矮化后的胡桃樹一般高5 m,其主枝的平均直徑為20～40 mm,大部分的果實(shí)都集中在較高枝干的頂端。因此,杜小強(qiáng)等[10]針對(duì)矮化密植核桃的生長特點(diǎn)和收獲需求,設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)幅度可調(diào)節(jié)的核桃采收裝備,該裝置使用了一種輸出線性往復(fù)振動(dòng)激勵(lì)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(圖2),該結(jié)構(gòu)簡單、輕便,適用于矮化密植下的核桃果實(shí)采收。2013年在浙江臨安核桃基地進(jìn)行試驗(yàn),隨機(jī)選取5棵8 a樹齡的樣品樹,對(duì)其進(jìn)行了機(jī)器采收試驗(yàn),結(jié)果表明,采用可調(diào)振幅的單向牽引振動(dòng)裝置,在調(diào)整振動(dòng)速度為7 r/min、振動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)頻率為5～14 Hz的情況下,可以實(shí)現(xiàn)較好的核桃采收,其收獲率達(dá)到了63.9%。

1.箱體;2.鋼絲繩;3.手持柄;4.伸縮桿;5.夾頭。圖2 可調(diào)振幅單向拽振式林果采收機(jī)Fig. 2 Adjustable amplitude unidirectional pulling vibration type forest fruit harvester

為了進(jìn)一步提高采收效率,王長勤等[11]設(shè)計(jì)了偏心式林果振動(dòng)采收裝置,采收機(jī)的主要組成部分包括升降機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、激振機(jī)構(gòu)、行走裝置等,如圖3所示。而其行走裝置則運(yùn)用了履帶車,采用電液控制,履帶車同傳統(tǒng)行走裝置拖拉機(jī)相比,爬坡越溝能力具備顯著優(yōu)勢(shì)。振動(dòng)頭懸臂可調(diào)節(jié)范圍較長,可在行距為2～5 m的果園中靈活作業(yè),履帶車行駛速度可高達(dá)4～10 km/h。該履帶車外觀較為小巧,便于在密集種植的果園中行走作業(yè),其外觀尺寸為1.85 m×0.98 m×1.2 m。此設(shè)備于新疆阿克蘇地區(qū)的木本糧油林場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明,當(dāng)振動(dòng)頻率為20 Hz時(shí),采收率為92.6%,果實(shí)咬合處、脫落處均無破壞性損傷,但果實(shí)咬合處痕跡會(huì)隨激振頻率變大而變得明顯,因此,建議將激振頻率控制在19～20 Hz,該區(qū)間核桃平均采凈率為89.5%～92.6%。

1.操作觸摸屏;2.空壓機(jī)惇;3.履帶車瞭;4.電氣控制柜; 5.功能擴(kuò)展柜;6.發(fā)電機(jī);7.卷揚(yáng)機(jī);8.升降機(jī)構(gòu); 9.伸縮懸臂;10.激振機(jī)構(gòu);11.夾持。圖3 偏心林果振動(dòng)采收機(jī)Fig. 3 Eccentric forest fruit vibrating harvester

以上所述采收機(jī)均可用于核桃、枸杞等作物,矮化密植采收機(jī)未來將集中在多工位工作、機(jī)電一體化、無人駕駛等方向進(jìn)行研發(fā)。

1.2 山地丘陵下的山核桃采收

山地丘陵下的山核桃主要分布在云南、天目山等地,海拔50～1 200 m的中緩坡帶。山核桃樹高10 m,直徑粗大,而且生長在高山陡峭的山坡上,采收難度很大。

為了更好地采收山核桃,李贊松等[12]設(shè)計(jì)了一款手自一體式山核桃采收機(jī),主要由汽油機(jī)、絲桿機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)換向機(jī)構(gòu)、偏心輪機(jī)構(gòu)、采摘頭、Arduino控制器、頻率傳感器等組成,如圖4所示。實(shí)地試驗(yàn)得出的結(jié)論為振動(dòng)頻率越大,果實(shí)采收率越高,當(dāng)調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率達(dá)到22 Hz時(shí),采收率高達(dá)95.1%;為在提高采收率的同時(shí)盡力減小果樹的損傷,建議將振動(dòng)頻率控制在16～18 Hz,此時(shí)所對(duì)應(yīng)的核桃果實(shí)平均采收率為83.9%～88.0%,而剩余未采收的果實(shí)可以通過人工或進(jìn)行機(jī)械二次采收。

1.汽油機(jī);2.按壓式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器;3.組合開關(guān);4.手柄;5.絲桿機(jī)構(gòu); 6.伸縮桿;7.偏心輪機(jī)構(gòu);8.采摘頭;9.頻率傳感器;10.傳動(dòng)換向 機(jī)構(gòu);11.鋼絲拉線;12.快接接頭;13.直流減速電機(jī); 14.Arduino控制器;15.電源;16.舵機(jī)。圖4 手自一體式山核桃采收機(jī)Fig. 4 Hand and self integrated hickory picking machine

朱惠斌等[13]設(shè)計(jì)了一款新型山地核桃振動(dòng)采收機(jī),采收機(jī)主要由夾持爪、振動(dòng)部件、汽油機(jī)、傳動(dòng)硬軸和軟軸組成,如圖5所示。該采收機(jī)作業(yè)部件相比現(xiàn)有核桃采收機(jī)具有輕便、體積小、質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明,核桃采收機(jī)在汽油機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min(即振動(dòng)頻率為20 Hz)時(shí),對(duì)樹體的損傷最小。通過正交試驗(yàn)可知,汽油機(jī)轉(zhuǎn)速為2 480 r/min、夾持位置為1 038 mm、連桿長度為55 mm時(shí)性能最優(yōu)。田間試驗(yàn)表明,仿真試驗(yàn)結(jié)果正確,核桃采收機(jī)采收率為85.58%,滿足核桃采收需求。

1.汽油機(jī);2.聯(lián)軸器;3.軟軸;4.連軸套;5.開關(guān);6.提手把; 7.連接套;8.主桿;9.振動(dòng)部件;10.殼體;11.夾持爪。圖5 新型山地核桃振動(dòng)采收機(jī)Fig. 5 A new type of mountain walnut vibration picker

為了進(jìn)一步提高采收效率,曹成茂等[14]設(shè)計(jì)了一款輕便易攜的仿人工高空拍打山核桃采收裝備,這一裝置主要組成部分包括多節(jié)采摘桿、背負(fù)式汽油機(jī)、油門控制裝置、拍打機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)軸等。該裝置主要由拍打機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的拍打力作用于山核桃的枝條,使得樹枝上的果實(shí)進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng),在果實(shí)所受到的慣性力大于其與果樹之間的結(jié)合力時(shí),果實(shí)從樹枝脫落,完成采收。實(shí)地試驗(yàn)結(jié)果表明,拍打頻率越大,果實(shí)采凈率越高,當(dāng)拍打頻率達(dá)到13.33 Hz時(shí),果實(shí)采凈率也隨之到達(dá)最大值90.3%。而拍打頻率過大時(shí),會(huì)對(duì)枝芽造成嚴(yán)重的損傷,拍打頻率為10～13.33 Hz時(shí)最合理,此時(shí)平均采凈率可達(dá)85.1%～90.3%。

以上設(shè)備都適用于高空山核桃的采收,并且具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、采收效率較高等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)果園種植的核桃采收

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)果園,核桃生長有以下要求:果園覆蓋率65%～75%,樹高、冠徑變異系數(shù)小于20%,樹冠透光率25%以上,行間梢頭距100～150 cm,株間交接率15%以下。

美國的果園機(jī)械公司推出了V系列山核桃四輪自走式采收裝備。該縱向采收裝備基于四輪底盤自由轉(zhuǎn)向功能來調(diào)整振動(dòng)采收姿態(tài),采用液壓系統(tǒng)控制執(zhí)行部件升降,采用液壓夾持部件的變頻振動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同樹齡的核桃采收。該采收裝備通過夾持樹干、枝芽,并輔助配備核桃回收車,可實(shí)現(xiàn)對(duì)20年生山核桃樹的果實(shí)采收。

美國的Coe果園設(shè)備公司研制了S7型三輪自走式重型核桃采收裝備,如圖6所示。該橫向采收裝備采用三輪底盤驅(qū)動(dòng),在標(biāo)準(zhǔn)化果園內(nèi)不轉(zhuǎn)向條件下可實(shí)現(xiàn)行內(nèi)機(jī)具-樹干橫向距離保持功能;配備電液控制系統(tǒng),通過大型液壓懸臂的自動(dòng)伸縮、重型柔性執(zhí)行部件的適應(yīng)性夾持,實(shí)現(xiàn)核桃樹干的低頻大振幅振動(dòng),并輔助配備核桃自動(dòng)回收車,可實(shí)現(xiàn)對(duì)多年生核桃樹果實(shí)的采收一體化收獲。

圖6 三輪自走式重型核桃采收裝備Fig. 6 Three-wheeled self-propelled heavy walnut harvesting equipment

波蘭Jagoda JPS農(nóng)機(jī)公司研發(fā)了GACEK型堅(jiān)果振動(dòng)采收一體機(jī),集自動(dòng)行走、電液控制、振動(dòng)落果、果實(shí)收集、果實(shí)傳送等功能于一體,如圖7所示。

圖7 堅(jiān)果振動(dòng)采收一體機(jī)Fig. 7 Walnut vibrating harvesting machine

國內(nèi)發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化果園較晚,為了節(jié)省精力,劉威等[15]設(shè)計(jì)了一款全自動(dòng)核桃采收裝備,主要由伺服電機(jī)、RGB-D攝像頭、DGPS導(dǎo)航系統(tǒng)、采摘裝置和升降裝置組成,如圖8所示。首先,設(shè)備自檢完成后,利用RGB-D相機(jī)獲取核桃樹行間道路的影像,經(jīng)過圖像處理,確定行駛路徑,獲取動(dòng)態(tài)DGPS的姿態(tài)信號(hào),結(jié)合視覺與動(dòng)態(tài)DGPS的信息,實(shí)現(xiàn)自主行駛;之后,在設(shè)備移動(dòng)至目標(biāo)樹的時(shí)候,由單片機(jī)的主控制器發(fā)出指令,控制機(jī)械手臂完成采收工作。全自動(dòng)采收設(shè)備效率高、工藝生產(chǎn)流程穩(wěn)定,提高了經(jīng)濟(jì)效益,適用于標(biāo)準(zhǔn)果園。

1.收集軟管;2.收集漏斗;3.采摘抓手;4.腕關(guān)節(jié);5.肘關(guān)節(jié); 6.肩關(guān)節(jié);7.腰關(guān)節(jié);8.收集箱;9.光電傳感器;10.傳送帶; 11.履帶車;12.GPS導(dǎo)航儀。圖8 全自動(dòng)核桃采收裝置Fig. 8 Automatic walnut harvesting device

1.接觸反饋開關(guān);2.機(jī)械爪;3.振動(dòng)系統(tǒng);4.伸縮桿; 5.滑軌系統(tǒng);6.多功能攝像頭;7.自動(dòng)定位小車。圖9 牽引式林果振動(dòng)采收機(jī)Fig. 9 Traction forest fruit vibrating harvester

孫興凍等[16]設(shè)計(jì)了智能可調(diào)頻的振動(dòng)采收裝備,如圖9所示。該裝置能實(shí)現(xiàn)核桃的自動(dòng)化采收,減少機(jī)械設(shè)備對(duì)核桃樹體的摩擦,從而減少核桃樹體的損傷。多功能攝像頭會(huì)在小車工作啟動(dòng)后自行對(duì)核桃的樹干標(biāo)記部位進(jìn)行拍攝捕捉,攝像頭捕捉完成后,小車可以自動(dòng)定位并對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記部位,這時(shí)機(jī)械臂也開始工作,起初會(huì)以最佳頻率振動(dòng),多功能攝像頭能夠?qū)崟r(shí)捕捉、記錄掉落的核桃數(shù),如果沒有核桃掉落則適時(shí)增加振動(dòng)頻率,直至核桃開始掉落。該設(shè)備全程不需要操作人員的干預(yù),具有效率高、節(jié)省人力等優(yōu)點(diǎn),適用于標(biāo)準(zhǔn)化果園。

以上核桃采收設(shè)備主要是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)果園中的核桃所設(shè)定的,解決了我國以人工為主的采收方式所帶來的采收效率低、成本高等問題。

2 基于振動(dòng)機(jī)理的核桃采收研究現(xiàn)狀

目前,我國最常見的核桃采收方式是振動(dòng)采收,主要是對(duì)果樹施加強(qiáng)迫振動(dòng)。果樹在外加強(qiáng)迫振動(dòng)的作用下作加速運(yùn)動(dòng),由于果實(shí)作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到慣性力作用,當(dāng)慣性力大于果實(shí)與樹枝的結(jié)合力時(shí),果實(shí)即可脫落。按照激振力施加的位置不同,將振動(dòng)采收分為樹枝振動(dòng)、樹冠振動(dòng)和樹干振動(dòng)3種,以下依次進(jìn)行分析[17]。

2.1 樹枝振動(dòng)

樹枝振動(dòng)主要由激勵(lì)裝置、夾緊裝置和動(dòng)力源3個(gè)部分組成。當(dāng)被夾持裝置夾住樹干后,激振裝置把振動(dòng)傳到樹干上,這樣就會(huì)引起樹枝的振動(dòng),從而將果實(shí)振落。樹枝振動(dòng)采收技術(shù)能夠有選擇地進(jìn)行果實(shí)的采收,而且對(duì)振動(dòng)加載目標(biāo)以外的樹枝影響很小,適用于果蔬成熟度有很大差別的林果采收[18]。

根據(jù)樹枝振動(dòng)特點(diǎn),曹科高[19]設(shè)計(jì)了一種基于核桃樹枝振動(dòng)的設(shè)備,該設(shè)備的工作裝置由夾持裝置、振動(dòng)電機(jī)、伸縮桿等組成。利用伸縮桿來調(diào)整夾持位置,通過振動(dòng)電機(jī)的開啟對(duì)樹枝進(jìn)行夾持振動(dòng),最終將核桃果實(shí)振落。由試驗(yàn)可知,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為1 200～3 000 r/min時(shí),能夠避開樹體低階固有頻率,從而減少對(duì)樹體的傷害。

陳少鐘[20]設(shè)計(jì)了一款新型變頻變幅振動(dòng)式采收裝備,由于同一株核桃樹上每一分支上的果實(shí)形態(tài)也不一定相同,因此,如何找到每個(gè)分支的最佳激振參數(shù)顯得尤為重要。變頻變幅振動(dòng)采摘裝置需要調(diào)整對(duì)核桃振幅時(shí),調(diào)幅馬達(dá)工作,驅(qū)動(dòng)調(diào)幅曲軸旋轉(zhuǎn),使調(diào)幅滑塊沿?fù)u桿軸方向移動(dòng),以此來變更夾持頭的行程,從而改變了核桃樹枝的振幅。另外,通過更改調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)整采收裝置的工作頻率,以此來達(dá)到變更核桃樹枝振動(dòng)頻率的目的。核桃田間采收試驗(yàn)結(jié)果表明,樣機(jī)平均采收率為63.92%。

2.2 樹冠振動(dòng)

樹冠振動(dòng)一般適用于植株較矮、果實(shí)外形較小的果樹。樹冠振動(dòng)以梳齒式為主要形式,梳齒式是將多個(gè)梳齒排列在一起,利用梳齒的轉(zhuǎn)動(dòng)、往返實(shí)現(xiàn)采收,不同的梳齒密度可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大小水果的采收。樹冠采收機(jī)大多采用一系列的振動(dòng)桿,將其插入樹冠內(nèi),使樹冠中的枝條以特定的頻率振動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)果實(shí)和果枝的分離。

劉天湖[21]設(shè)計(jì)了一款樹冠振動(dòng)式核桃采收機(jī),如圖10所示。采收裝置的振動(dòng)桿延伸到樹冠內(nèi),當(dāng)振動(dòng)桿被啟動(dòng)時(shí),振動(dòng)桿在鼓輪傳動(dòng)的作用下開始轉(zhuǎn)動(dòng),螺旋式進(jìn)出樹冠,使果實(shí)從樹上掉落。一部分果實(shí)可以直接掉落在固定的接果盤上,并沿著這個(gè)固定接果盤的斜面滑動(dòng)到傳送帶上,最后通過傳送帶被輸送到拖斗上;另外一部分果實(shí)直接落在一個(gè)可移動(dòng)的接果盤上,通過漏孔和果實(shí)滑道被輸送到固定的接果盤上,最后通過傳送帶被輸送到拖斗上。

1.固定接果盤;2.活動(dòng)接果盤;3.采收裝置; 4.立柱;5.動(dòng)力機(jī);6.傳送裝置;7.拖斗。圖10 樹冠振動(dòng)式核桃采收機(jī)Fig. 10 Crown vibrating walnut harvester

為了計(jì)算出果實(shí)最大的激振力,王真真等[22]研發(fā)了樹冠振動(dòng)核桃采收裝備,利用撥動(dòng)圓盤使其作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生激振力,實(shí)現(xiàn)對(duì)核桃的采收。在對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡分析的基礎(chǔ)上,得出了曲柄滑塊速度和加速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式,利用該表達(dá)式得出了在振動(dòng)頻率為2 Hz時(shí),核桃所受最大激振力為134 N。通過對(duì)采收設(shè)備慣性力的分析,推導(dǎo)出不同數(shù)量的曲軸滑塊組件的合力公式,得出了該設(shè)備所承受的最大慣性力為8.69 N。

2.3 樹干振動(dòng)

樹干振動(dòng)采收法適合采收落葉水果和堅(jiān)果,但柑橘類水果則不適合這種方式的采收。

尹遜春[23]設(shè)計(jì)了一款核桃樹干振動(dòng)式采收機(jī)。該設(shè)備工作裝置主要由夾持裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、升降裝置、激振裝置組成,如圖11所示。由于振動(dòng)式采收機(jī)在選擇的頻率不恰當(dāng)時(shí)會(huì)對(duì)果實(shí)造成傷害,導(dǎo)致第二年核桃果實(shí)減產(chǎn),因此,在夾持設(shè)備的末端安裝橡膠墊,當(dāng)發(fā)生振動(dòng)時(shí),可以有效地緩解夾持機(jī)構(gòu)對(duì)樹體的傷害。結(jié)合核桃物理特性參數(shù)構(gòu)建核桃樹體和果實(shí)的三維模型,將其三維模型后綴改為.igs的格式導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析,從而確定振動(dòng)采收的最佳夾持高度和激振頻率大小,使得采收效率最大化。

1.驅(qū)動(dòng)裝置;2.升降裝置;3.激振裝置;4.夾持裝置。圖11 核桃樹干振動(dòng)式采收機(jī)Fig. 11 Walnut trunk vibrating harvester

為了進(jìn)一步提高采收效率,劉浩等[24]設(shè)計(jì)了一款基于樹干振動(dòng)原理的集振動(dòng)落果與自動(dòng)收集于一體的對(duì)稱偏心式振動(dòng)采收機(jī),其具有自平衡和自動(dòng)對(duì)心功能,且高度可調(diào)節(jié)。利用Adams仿真軟件驗(yàn)證采收效果,結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的采收機(jī)可達(dá)到采收效率≥25株/h、采凈率≥85%。

綜上所述,只需要很小的激振力就可使枝條振動(dòng),就能夠讓果實(shí)進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng),從而將果實(shí)振落,但是它需要對(duì)每級(jí)分支進(jìn)行振動(dòng)采收,造成了人力和物力的大量耗費(fèi);樹冠振動(dòng)固然能夠加快采收速度,但同時(shí)也會(huì)造成枝條折斷、葉子掉落等問題,嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致果樹來年的產(chǎn)量下降,甚至果樹死亡;樹干振動(dòng)需施加較大的力才可使核桃樹的樹干進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng),從而使果實(shí)振落,可以大大縮短采收時(shí)間[25]。

3 激振方式與激振參數(shù)

3.1 激振方式

在振動(dòng)收獲機(jī)中,激振器又稱為振動(dòng)裝置,按工作原理可以分為機(jī)械振動(dòng)式和氣力振動(dòng)式。氣力振動(dòng)式裝置利用壓縮的高強(qiáng)度空氣氣流,整個(gè)裝置不接觸樹枝,氣流流向樹枝使之振動(dòng);而機(jī)械振動(dòng)式裝置需要接觸樹枝, 通過自身產(chǎn)生外力,使樹枝上的果實(shí)因振動(dòng)產(chǎn)生加速度,從而在果柄處脫落。常見的機(jī)械振動(dòng)主要有慣性激振裝置、彈性連桿激振裝置,以及液壓激振裝置等,根據(jù)機(jī)械振動(dòng)裝置自身產(chǎn)生的振動(dòng)方式不同,可分為偏心振動(dòng)、軸向振動(dòng)及多邊形沖擊等[26]。

慣性激振裝置主要是由偏心塊來實(shí)現(xiàn)的,通過對(duì)偏心塊數(shù)量和位置的不同組合,就會(huì)形成形式不同的激振力[27]。常見的偏心塊體結(jié)構(gòu)有單偏心塊體和對(duì)稱雙偏心塊體2種,其中,單偏心塊體會(huì)呈特定角速度做圓周運(yùn)動(dòng),并在沿X、Y軸方向上產(chǎn)生一個(gè)恒定、等額的離心力,如圖12所示。

圖12 單偏心塊Fig. 12 Single axis vibrator

對(duì)稱的雙偏心塊體呈特定角速度做圓周運(yùn)動(dòng),沿X軸方向的分力大小相同,方向一致,相互疊加,而沿Y軸方向的分力大小也相同,方向卻相反,兩段分力相抵,如圖13所示[28]。

圖13 對(duì)稱雙偏心塊Fig. 13 Symmetrical vibrator

劉夢(mèng)飛等[29]對(duì)比分析了單、雙偏心激振器分別對(duì)核桃樹體的振動(dòng)特性,在激振力大小相等、與地面距離相同以及激振頻率一致的情況下,利用有限元分析軟件對(duì)單軸偏心塊體和雙軸偏心塊體所激發(fā)的不同形式激振力分別對(duì)核桃樹體振動(dòng)特性的影響進(jìn)行了對(duì)比分析,最終得出在低頻段、同頻率下,單軸單偏心塊體所產(chǎn)生的激勵(lì)作用比對(duì)稱雙偏心塊體所產(chǎn)生的激勵(lì)作用更大、更顯著。

別云波[30]針對(duì)核桃采收研制了一種偏心塊振動(dòng)式采收機(jī),該設(shè)備的工作裝置主要由夾持頭、振動(dòng)臂、偏心塊組成,可對(duì)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié),從而使得偏心塊振動(dòng)頻率發(fā)生改變,直到調(diào)節(jié)至最佳收獲頻率,達(dá)到最佳振動(dòng)效果。

高團(tuán)結(jié)[31]設(shè)計(jì)了一款曲柄連桿振動(dòng)式核桃采收機(jī)。該設(shè)備的工作裝置由曲柄連桿機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、彈簧機(jī)構(gòu)等組成,工作原理是利用曲柄做圓周運(yùn)動(dòng)以帶動(dòng)輸出桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng),通過調(diào)節(jié)曲柄長短使得振幅發(fā)生變化,通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)整振動(dòng)頻率。為了達(dá)到果園核桃采收設(shè)備各項(xiàng)性能指標(biāo),分析極差和關(guān)系曲線圖,從而確定各工作參數(shù):偏心距e=20 mm,曲柄長度a=17.5 mm,轉(zhuǎn)速n=750 r/min。

牛碩雅等[32]設(shè)計(jì)了一種由電液控制的核桃采收機(jī)。該設(shè)備的工作裝置主要包括振搖裝置、液壓控制系統(tǒng)、夾持裝置等,如圖14所示。試驗(yàn)結(jié)果得出,每株樹從準(zhǔn)備夾持到振落完果實(shí)的全過程用時(shí)為1.5～2.0 min,采凈率高達(dá)90%以上。

1.油箱;2.夾持頭;3.小車支架;4.振動(dòng)機(jī)構(gòu);5.懸掛繩索; 6.懸掛支架;7.液壓控制及電機(jī);8.車輪。圖14 液壓式核桃采收機(jī)Fig. 14 Hydraulic walnut picker

3.2 樹體模型與激振參數(shù)

樹體模型是對(duì)樹體特性的一種抽象化、簡單化的方法,它能反映出樹木的形態(tài)特點(diǎn)、力學(xué)特性,在所建模型中引入多種假定條件可對(duì)樹體的受力性能進(jìn)行分析。近幾年來,在多種假定和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,國內(nèi)外研究學(xué)者提出了5個(gè)可信力強(qiáng)的樹體力學(xué)模型[33]。

1)剛性模型。研究初期,學(xué)者們將樹木的主干大致化作一個(gè)剛性的模型,然而他們忽視了樹體的彈性等特征,樹木在受到外力作用時(shí)沒有發(fā)生任何變形,這與真實(shí)情況存在著較大區(qū)別,所以剛性模型在有關(guān)樹木力學(xué)特性的研究中并不適用。

2)簡支梁模型。Peltola[34]以蘇格蘭松樹作為簡支梁模型,對(duì)松樹樹體在受到風(fēng)力影響時(shí)的穩(wěn)定性情況進(jìn)行了研究,將其等價(jià)為“兩頭自由”“中間固定”的模型,該模型無法精確反映實(shí)際情況下樹體在風(fēng)力作用下的動(dòng)態(tài)變化,無法反映樹木的受力特征。

3)懸臂梁模型。Gardiner[35]為了研究云杉的力學(xué)性能,將云杉當(dāng)作是一端固定、另一端自由并且逐漸變細(xì)的懸臂梁,把帶質(zhì)量的質(zhì)量團(tuán)當(dāng)作樹冠,把固定端當(dāng)作樹根。

4)彈性桿模型。England等[36]將橡樹作為一端固定、另一端自由的彈性桿模型,還充分考慮了樹體內(nèi)在的生物特征,應(yīng)用該模型能夠分析得出樹體的振動(dòng)響應(yīng)特性。

5)圓錐模型。Chiba[37]在研究風(fēng)荷載下樹木的受力性能時(shí),采用一種一端固定、另一端自由的圓錐桿模型。該模型充分結(jié)合了樹木的物理屬性與生物特性,能夠更接近實(shí)際的樹木力學(xué)特征。

基于振動(dòng)機(jī)理的采收機(jī)進(jìn)行核桃果實(shí)采收的關(guān)鍵是要確定適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)參數(shù),振動(dòng)參數(shù)主要包括振頻、振幅及振時(shí)等,不同的參數(shù)會(huì)對(duì)林果的采凈率和果樹的損傷產(chǎn)生不同的影響,而且不同成熟程度的核桃及其最佳振動(dòng)參數(shù)也不盡相同。

國外對(duì)機(jī)械振動(dòng)采收技術(shù)方面的研究由來已久,并且在能量傳遞方程以及激振高度和振幅之間的關(guān)系研究方面更為先進(jìn)[38]。Castro等[39-41]對(duì)受迫振動(dòng)下果樹自身所具有的參數(shù)特性進(jìn)行了研究,并以此作為機(jī)械振動(dòng)采收機(jī)的設(shè)計(jì)依據(jù)。此外,研究表明,振動(dòng)能量的傳遞和果實(shí)采收效率與采收機(jī)的激振參數(shù)、機(jī)器功率和冠層大小等參數(shù)均相關(guān)。

吳道遠(yuǎn)等[42]對(duì)不同成熟度核桃振動(dòng)采收的最佳頻率和振幅進(jìn)行了研究,通過實(shí)地考察測(cè)量核桃樹相關(guān)參數(shù),在有限元分析軟件中導(dǎo)入帶有果實(shí)和果柄的樹體三維模型進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。由于同一棵樹的不同枝干上結(jié)出的果實(shí)成熟程度會(huì)有差異,所以在適當(dāng)?shù)臉潴w位置施加一個(gè)大小相同但不同頻率的激振力,在多個(gè)有代表性的果柄上進(jìn)行響應(yīng)分析,由此得出不同的果柄連接程度對(duì)應(yīng)的最佳采收頻率:果實(shí)最佳的采收頻率為28.6 Hz;八成熟時(shí)為26.3 Hz;九成熟時(shí)為24.0 Hz;完全成熟時(shí)為22.5 Hz。

劉子龍[33]對(duì)多棵果樹在不同激振振幅和頻率作用下,能量從果樹樹干的激振位置傳遞到果樹其他部位的大小變化進(jìn)行了研究,得出能量傳遞效率隨直徑變大而變高,即在能量傳遞效率上,果樹的主干優(yōu)于側(cè)枝;此外,在兩側(cè)枝的分叉角度近似相等時(shí),能量會(huì)更多地流向側(cè)枝直徑相對(duì)大的一側(cè)。

4 核桃振動(dòng)采收存在的問題

4.1 果樹的損傷率較大

從目前的振動(dòng)采收作業(yè)來看,在夾持機(jī)構(gòu)形成的夾持力以及振動(dòng)過程中形成的激振力作用下,林果會(huì)受到損傷,而且激振力的變化會(huì)影響核桃樹體振幅,過大的激振力會(huì)造成樹體受損,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致來年果實(shí)產(chǎn)量下降,甚至?xí)斐晒麡涞乃劳?振動(dòng)采收與果實(shí)催熟技術(shù)相結(jié)合,或者把振動(dòng)采收與氣力式采收的方式結(jié)合起來,能夠減輕對(duì)果枝的摩擦損傷和對(duì)果實(shí)的擊打損傷,從而提高采收效果[43]。

4.2 結(jié)構(gòu)復(fù)雜操作困難

目前,采收機(jī)面向的對(duì)象主要是農(nóng)民,然而基于振動(dòng)采收的裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,農(nóng)民難以正確地操縱機(jī)器,會(huì)造成核桃果樹和設(shè)備的損壞[44]。

4.3 最優(yōu)采收振動(dòng)頻率確定難度大

確定出最優(yōu)采收參數(shù),對(duì)后續(xù)的果實(shí)采收作業(yè)有重要指導(dǎo)意義。由于每棵核桃樹樹干粗細(xì)、樹冠高低、果實(shí)疏密、樹干形狀和樹齡都不盡相同,而且不同分支上的核桃果實(shí)成熟度也不盡相同,從而導(dǎo)致最優(yōu)采收頻率的確定難度大[45]。

4.4 工作參數(shù)(如頻率和振幅)單一

在每年9月核桃采收期,會(huì)有一部分核桃還未完全成熟,并且不同成熟程度的核桃與果柄之間的結(jié)合力也是不同的。對(duì)于沒有成熟的核桃來說,其與果柄之間的結(jié)合力更大,因此振動(dòng)幅度過大會(huì)誤把未成熟核桃和核桃樹葉一同振下,造成后期核桃脫皮工序困難并影響核桃的品質(zhì);若振動(dòng)幅度過小,則無法滿足不同大小的樹枝采收需求[46]。

5 核桃采收機(jī)械未來發(fā)展趨勢(shì)

5.1 采收裝備的研發(fā)

考慮我國核桃種植的情況,研發(fā)適合低矮密植、山地、標(biāo)準(zhǔn)化果園的不同類型振動(dòng)采收裝備,針對(duì)夾持頭、移動(dòng)平臺(tái)、振動(dòng)臂進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)是非常必要的。在未來研發(fā)移動(dòng)平臺(tái),需要具備自主導(dǎo)航和環(huán)境感知能力的移動(dòng)平臺(tái),能夠適應(yīng)不同的地形環(huán)境,可以采用四驅(qū)系統(tǒng)、氣動(dòng)懸掛等技術(shù),提高車輛的通過性和穩(wěn)定性,同時(shí)配備先進(jìn)的導(dǎo)航和遙控技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)車體的智能化控制和安全性管理。研發(fā)具有柔性結(jié)構(gòu)的采收工具能夠根據(jù)核桃枝條的彎曲程度自適應(yīng)變形,實(shí)現(xiàn)更加高效、安全地采收。針對(duì)振動(dòng)頭來說,研發(fā)具有多維振動(dòng)的振動(dòng)頭,可同時(shí)進(jìn)行水平、垂直和旋轉(zhuǎn)方向的振動(dòng),能夠更好地適應(yīng)果樹枝條的不規(guī)則形狀,提高采收效率和準(zhǔn)確性。

5.2 激振力的傳遞

振動(dòng)激振力在樹體進(jìn)行傳遞時(shí),不同分支之間存在能量損失,最后一級(jí)分支由于能量的損失可能達(dá)不到果實(shí)和果柄之間的結(jié)合力,從而導(dǎo)致果實(shí)未被振落。因此,在未來可以研發(fā)一些新型的激振技術(shù),如超聲波激振、激光激振等,利用不同的能量形式來傳遞激振力,能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)情況,精確地測(cè)量激振力的傳遞效率和方向,實(shí)現(xiàn)更高效的激振力傳遞;并且利用三維有限元模擬技術(shù),可以對(duì)結(jié)構(gòu)體受到的激振力傳遞過程進(jìn)行模擬和分析,探究不同頻率、振幅、載荷等條件下的激振力傳遞特性。同時(shí),也可以采用數(shù)值模擬方法,對(duì)激振過程中振動(dòng)體內(nèi)部的應(yīng)力分布進(jìn)行研究,優(yōu)化激振體的設(shè)計(jì),提高激振力的傳遞效率[46-47]。

5.3 樹體模型建立

傳統(tǒng)的樹體模型往往是通過實(shí)地測(cè)量考察,并且利用三維繪圖軟件建立的,該方法只能簡單地描述樹干和樹枝的幾何形態(tài),存在精度不高、還原度低等問題。在未來可以利用三維激光點(diǎn)云技術(shù)建立樹體模型,該技術(shù)具有非接觸、高精度等優(yōu)點(diǎn)。采用三維激光掃描儀等設(shè)備采集樹木的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),可以取代傳統(tǒng)的手工測(cè)量,大大提高了采集效率和精度。通過對(duì)采集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、濾波、分類等處理,提取出樹木的形態(tài)信息和結(jié)構(gòu)信息,建立高精度的樹體模型。結(jié)合人工智能、拍照提取等技術(shù),對(duì)大量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理和分析,進(jìn)一步提高了樹體模型建立的效率和精度[48-51]。

5.4 新型振動(dòng)采收方法

在振動(dòng)方法研究方面,在未來研發(fā)基于超聲波的振動(dòng)采收技術(shù)是一種新的突破,利用超聲波對(duì)果實(shí)進(jìn)行加速振動(dòng)以使其脫落,該技術(shù)具有不接觸果實(shí)、采收效率高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。而基于微波的振動(dòng)采收技術(shù)則是利用微波產(chǎn)生的熱量使果實(shí)內(nèi)部產(chǎn)生膨脹,從而達(dá)到脫落的效果。無人機(jī)輔助采收技術(shù)利用無人機(jī)配備的高清相機(jī)和機(jī)器視覺技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田的快速勘查和作物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),同時(shí)將采收機(jī)械控制在飛行高度上,保證作物采收過程中的安全和效率[52]。

5.5 精準(zhǔn)定位和控制技術(shù)

目前的振動(dòng)采收設(shè)備普遍采用機(jī)械振動(dòng)或液壓振動(dòng)來收獲農(nóng)作物,但這種方式存在誤傷和損壞作物的風(fēng)險(xiǎn)。未來的振動(dòng)采收方式可能會(huì)采用更精準(zhǔn)的定位和控制技術(shù),例如激光或光纖傳感器,以減少誤傷和損壞作物的情況。采用精準(zhǔn)振動(dòng)技術(shù),即根據(jù)核桃樹的實(shí)時(shí)生長狀態(tài)和形態(tài),對(duì)采收機(jī)器的振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),使振動(dòng)更加精準(zhǔn),能夠減少采收對(duì)樹體的損傷,并且可以提高采收效率和品質(zhì)。通過利用GPS和激光測(cè)距技術(shù),可以精確定位作物的位置和大小,從而實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)地采收[53-54]。

5.6 柔性采收技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合

隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展,在未來傳感器技術(shù)可以用于檢測(cè)作物的生長情況、果實(shí)的成熟度和產(chǎn)量等信息,從而確定采收時(shí)機(jī)和采收方案。此外,傳感器還可以用于監(jiān)測(cè)作物的生長狀況以及振動(dòng)參數(shù),優(yōu)化振動(dòng)方式和頻率,以降低對(duì)作物的損傷,提高采收的效率和可靠性,為采收提供參考。柔性振動(dòng)采收技術(shù)則可以利用傳感器提供的信息進(jìn)行更加精準(zhǔn)地采收。傳統(tǒng)的采收方式往往是人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷采收時(shí)機(jī)和方式,容易造成浪費(fèi)和損失;而結(jié)合傳感器技術(shù),柔性振動(dòng)采收技術(shù)可以更加準(zhǔn)確地確定采收時(shí)機(jī)和方式,避免了過早或過晚采收的問題,提高了采收效率和果實(shí)品質(zhì)[55]。

總體來看,國內(nèi)關(guān)于核桃采收裝置的研發(fā)多以原理性試驗(yàn)、執(zhí)行功能部件試制為主;成品樣機(jī)試制多局限在輕簡便攜式,在部分地區(qū)進(jìn)行了小范圍推廣。為有效緩解勞動(dòng)力急劇缺乏并顯著提高核桃的采收效率,未來應(yīng)該加快研制適應(yīng)我國各主要核桃產(chǎn)區(qū)地形的自動(dòng)化、智能化采收裝備,適應(yīng)核桃大面積快速采收需求。