發(fā)布時(shí)間：2020-11-13 19:21

　　 樹冠振動(dòng)是目前用于果實(shí)大規(guī)模連續(xù)采收的主要機(jī)械化收獲方法,該收獲方法因振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)果實(shí)產(chǎn)生損傷而主要應(yīng)用于釀酒葡萄或果汁加工的藤木類及漿果類水果的收獲。對(duì)于柑橘的機(jī)械化收獲而言,現(xiàn)有的樹冠振動(dòng)式收獲機(jī)械存在較嚴(yán)重的樹冠損傷問題,對(duì)果園下一年產(chǎn)量造成了較大影響,使得柑橘的機(jī)械化采收很難獲得大面積推廣與應(yīng)用。目前,柑橘收獲仍以人工采收為主,造成柑橘收獲的用工成本高,機(jī)械化程度仍然偏低。因此,急需從降低樹冠損傷的角度研發(fā)一種新型樹冠振動(dòng)系統(tǒng),對(duì)提升柑橘收獲的機(jī)械化程度具有重要意義。本文以美國(guó)佛羅里達(dá)州(柑橘生產(chǎn)第一大州)廣泛種植且用于橙汁加工的橙類品種‘Valencia’為研究對(duì)象。通過搭建振動(dòng)脫落試驗(yàn)裝置,對(duì)柑橘在豎直和水平兩個(gè)方向上的振動(dòng)脫落進(jìn)行了振動(dòng)頻率分析和運(yùn)動(dòng)軌跡分析,明確了有利于柑橘脫落的振動(dòng)方式;在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)急回特性的聯(lián)動(dòng)振動(dòng)機(jī)構(gòu),并結(jié)合樹冠形態(tài)特征,開發(fā)了一種上、下兩段式樹冠振動(dòng)系統(tǒng);利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)該系統(tǒng)中的振動(dòng)裝置進(jìn)行了虛擬樣機(jī)建模和仿真分析,確定了各構(gòu)件尺寸參數(shù)并試制了樹冠振動(dòng)系統(tǒng)的物理樣機(jī),通過實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試分析了振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率、振幅和振動(dòng)桿的選取等,再通過果園采收試驗(yàn)分析了振動(dòng)桿分布、振動(dòng)頻率與行駛速度、樹冠振動(dòng)響應(yīng)、最優(yōu)頻率組合等條件下的收獲性能,為樹冠振動(dòng)收獲系統(tǒng)的研究與應(yīng)用提供參考。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:(1)提出有利于柑橘振動(dòng)脫落的水平振動(dòng)方式。為了探究柑橘隨樹枝受到外部激勵(lì)作用時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和振動(dòng)脫落機(jī)理,本文對(duì)柑橘隨樹枝在豎直和水平方向上的振動(dòng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析,再通過搭建振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)模擬柑橘隨樹枝的運(yùn)動(dòng),采用加速度傳感器測(cè)試并分析柑橘在這兩個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)頻率,當(dāng)外部激勵(lì)頻率小于5 Hz時(shí),柑橘在水平方向上產(chǎn)生的振動(dòng)頻率高于豎直方向,且在較小外部激勵(lì)作用下就能產(chǎn)生較高振動(dòng)頻率。再利用高速攝影技術(shù)分析了柑橘在這兩個(gè)方向上受到外部激勵(lì)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡,也顯示柑橘在水平方向上受到外部激勵(lì)頻率為2.8 Hz時(shí)就能產(chǎn)生較大的振動(dòng),表明柑橘受到水平方向上的外部激勵(lì)時(shí)有利于果實(shí)的振動(dòng)脫落。(2)設(shè)計(jì)基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的上、下兩段式樹冠振動(dòng)系統(tǒng)。通過對(duì)中型柑橘樹冠的形態(tài)尺寸進(jìn)行手工測(cè)量,得出樹冠有效高度和果實(shí)分布厚度,分別為1.89 m和1.03 m。然后根據(jù)樹冠形態(tài)特點(diǎn)提出了一種上、下兩段式樹冠振動(dòng)系統(tǒng),該系統(tǒng)利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性使得振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)桿能夠強(qiáng)力擊打樹冠,以提高果實(shí)振動(dòng)的有效性。再利用Solidworks軟件和ADAMS軟件建立了振動(dòng)機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析,最后根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸試制振動(dòng)系統(tǒng)物理樣機(jī)。該振動(dòng)系統(tǒng)樣機(jī)高度和寬幅分別達(dá)到2.54 m和3 m,能夠滿足收獲機(jī)平臺(tái)的樹冠適應(yīng)性和通過性。(3)測(cè)試并分析振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)性能。利用加速度測(cè)試系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)在不同液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速作用下的振動(dòng)頻率和加速度變化進(jìn)行了測(cè)試,得出振動(dòng)系統(tǒng)可調(diào)節(jié)的振動(dòng)頻率范圍為2.5 Hz~6.8 Hz。另外,對(duì)三種不同材質(zhì)或形狀的振動(dòng)桿進(jìn)行了彎曲變形分析和振動(dòng)試驗(yàn)研究,結(jié)果表明弓形振動(dòng)桿在果實(shí)采收和樹冠損傷兩方面具有較好的綜合性能,在外部激勵(lì)頻率為4.7 Hz時(shí)的振動(dòng)范圍介于578 mm~630 mm之間。(4)研究樹冠與振動(dòng)系統(tǒng)間的響應(yīng)關(guān)系。利用梁的彎曲振動(dòng)理論建立了主枝在橫向激勵(lì)作用下的振動(dòng)模型,分析了主枝振動(dòng)的偏微分方程和頻率方程。再通過加速度測(cè)試系統(tǒng)對(duì)主枝在不同外部激勵(lì)作用時(shí)的加速度變化進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試,當(dāng)主枝在外部激勵(lì)頻率從2.5 Hz逐漸增加到4.7 Hz時(shí),主枝直徑較小段的振動(dòng)加速度更大;當(dāng)外部激勵(lì)頻率超過4.7 Hz時(shí),主枝在x、y、z三個(gè)方向上的加速度值明顯增加,此時(shí)的果實(shí)脫落率達(dá)86.5%;當(dāng)外部激勵(lì)頻率達(dá)到6.8 Hz時(shí),較大的外部激勵(lì)對(duì)樹冠的振動(dòng)強(qiáng)度更大,振動(dòng)頻率的增加則會(huì)增加樹冠的損傷,即該振動(dòng)系統(tǒng)在進(jìn)行果園采收時(shí)的振動(dòng)頻率最好不超過4.7 Hz。(5)提出振動(dòng)桿的兩種布局模式,分別為交錯(cuò)布局和平行布局。交錯(cuò)布局的振動(dòng)桿間距為330 mm,通過擴(kuò)大振動(dòng)桿的間距來提高樹冠在振動(dòng)過程中的通過性,獲得了82.6%的果實(shí)采收率和5.4%的樹冠損傷率。而平行布局的振動(dòng)桿間距為165 mm,其果實(shí)采收率和樹冠損傷率分別為83.5%和7.5%,說明振動(dòng)桿采用交錯(cuò)布局能夠有效減輕樹冠損傷,并保持較高采收率。(6)試驗(yàn)分析不同振動(dòng)頻率和行駛速度下的果實(shí)采收率和樹冠損傷率。采收試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)以較小的振動(dòng)頻率(3.3 Hz~3.6 Hz)振動(dòng)樹冠時(shí),均獲得較低的樹冠損傷率和果實(shí)采收率。當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)以6.8 Hz的高頻率和1 km/h的慢速行駛擊打樹冠時(shí),能夠獲得很高的果實(shí)采收率,達(dá)到89.3%,但同時(shí)也造成高達(dá)15.3%左右的樹冠損傷。綜合分析果實(shí)采收率和樹冠損傷率與振動(dòng)頻率及行駛速度的變化關(guān)系,該振動(dòng)系統(tǒng)以3 km/h的行駛速度和4.7 Hz的振動(dòng)頻率對(duì)柑橘樹冠進(jìn)行振動(dòng)采收時(shí),其收獲效率為360~500棵/小時(shí),果實(shí)采收率達(dá)到82.6%,而樹冠損傷率僅為5.4%,可獲得較好的系統(tǒng)收獲性能。(7)提出上、下振動(dòng)系統(tǒng)以不同頻率組合進(jìn)行樹冠振動(dòng)采收的方法。通過對(duì)7組振動(dòng)頻率組合進(jìn)行采收試驗(yàn),結(jié)果表明,當(dāng)上振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率比下振動(dòng)系統(tǒng)頻率大時(shí),振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)樹冠造成的損傷較小,這表明上、下振動(dòng)系統(tǒng)分別以較高和較低的組合頻率進(jìn)行柑橘振動(dòng)采收時(shí)能夠減輕振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)樹冠的損傷。該樹冠振動(dòng)系統(tǒng)的最優(yōu)振動(dòng)頻率組合為4.74.1 Hz,其相應(yīng)的果實(shí)采收率和樹冠損傷率分別為82.5%和3.9%。
【學(xué)位單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S225.93
【部分圖文】：

第 1 章 緒論究背景及意義橘是世界范圍內(nèi)廣泛種植的重要經(jīng)濟(jì)作物之一，是世界最大宗的水果，也貿(mào)易農(nóng)副產(chǎn)品。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食與農(nóng)業(yè)組織（FAO）2000 年至 2015 年統(tǒng)STAT 2016），世界柑橘種植面積和產(chǎn)量均穩(wěn)步增長(zhǎng)（如圖 1-1 所示）。目植主要集中于亞洲，其種植面積占世界柑橘種植總面積的 52.9%，美洲和別為 24.5%、16.6%，歐洲和大洋洲各占比為 6%(齊樂和祁春節(jié) 2016)。根（United States Department of Agriculture）報(bào)告，全球柑橘產(chǎn)量在 2016-2 320 萬噸達(dá)到 5020 萬噸，然而，美國(guó)由于柑橘黃龍病影響使得產(chǎn)量降低減少，其柑橘產(chǎn)量?jī)H為777萬噸，比上一年度下降了近100萬噸(USDA-FA，世界柑橘生產(chǎn)逐漸由美洲向亞洲和部分非洲國(guó)家轉(zhuǎn)移，亞洲在世界柑橘比已高達(dá) 44.9%，略高于美洲的 34.7%，亞洲柑橘種植面積是美洲的兩倍整體生產(chǎn)效率要優(yōu)于亞洲(祁春節(jié) 2001)。

的最終目的就是收獲柑橘以獲得經(jīng)濟(jì)效益，而柑橘采收季動(dòng)密集型作業(yè)，若采收不及時(shí)，將直接影響果實(shí)產(chǎn)量與質(zhì)柑橘生產(chǎn)過程中的重要部分與薄弱環(huán)節(jié)。隨著科學(xué)技術(shù)的人工采收之外，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)機(jī)械收獲系統(tǒng)代替人力，主要包括：（1）半自動(dòng)輔助采收平臺(tái)；（2）柑橘采摘機(jī)下文對(duì)上述幾種采收方式的研究進(jìn)展做進(jìn)一步概述。助采收平臺(tái)收獲仍然以人工采收為主，該傳統(tǒng)收獲方式是廣泛利用人運(yùn)，對(duì)于果樹高處的果實(shí)則利用梯子進(jìn)行輔助（如圖 1-2的提高，除了鮮果市場(chǎng)的需求，果汁行業(yè)對(duì)水果采收的需夠確保水果免于果實(shí)損傷并保證果品質(zhì)量，但其勞動(dòng)力需率低，并且隨著勞動(dòng)力成本的逐年增加而降低了經(jīng)濟(jì)收益其他水果產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。因此，人們對(duì)能夠減輕勞動(dòng)強(qiáng)采收平臺(tái)需求日益旺盛。

面向柑橘機(jī)械化收獲的樹冠振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)移動(dòng)平臺(tái)牽引，配套液壓驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)、橫向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，將行人工采摘，采摘后的果實(shí)放入收集袋或通過滑行管道或傳套半自動(dòng)化手柄夾持裝置，實(shí)現(xiàn)果園的半自動(dòng)機(jī)械化收獲，如果實(shí)收獲技術(shù)日益成熟，且農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝進(jìn)一步融合，摘果輔采摘、果實(shí)輸送與裝箱(楊貞等 2018，2017)、果樹剪枝、授的果實(shí)收獲作業(yè)半自動(dòng)操作平臺(tái)。目前，該類收獲作業(yè)機(jī)械如蘋果、梨、桃子等果皮易受損傷且樹體高度較高的鮮食果大為等 2013; 趙映等 2017)。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 解福祥;區(qū)穎剛;劉慶庭;馮加模;黃世醒;;整稈式甘蔗收獲機(jī)內(nèi)物流排雜高速攝影分析[J];農(nóng)機(jī)化研究;2015年03期

2 劉華寧;鄭宇;李文彬;張慶;姚文進(jìn);劉桂峰;;基于高速攝影技術(shù)的速度測(cè)量方法[J];兵工自動(dòng)化;2014年11期

3 劉大為;謝方平;李旭;王小龍;梅婷;;非精確條件下柑橘樹樹冠形狀與采摘平臺(tái)適應(yīng)性關(guān)系研究[J];江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2014年05期

4 常有宏;呂曉蘭;藺經(jīng);薛新宇;王中華;;我國(guó)果園機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展思路[J];中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào);2013年06期

5 高團(tuán)結(jié);坎雜;馬俊貴;謝凡;何榮;;果園核桃機(jī)械化采收裝置的設(shè)計(jì)[J];中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào);2013年05期

6 劉大為;謝方平;李旭;王小龍;;果園采摘平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J];農(nóng)機(jī)化研究;2013年02期

7 陳軍;王虎;蔣浩然;高浩;雷王利;黨革榮;;獼猴桃采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào);2012年10期

8 段潔利;陸華忠;王慰祖;王亮;趙磊;;水果采收機(jī)械的現(xiàn)狀與發(fā)展[J];廣東農(nóng)業(yè)科學(xué);2012年16期

9 陳度;杜小強(qiáng);王書茂;張勤;;振動(dòng)式果品收獲技術(shù)機(jī)理分析及研究進(jìn)展[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2011年08期

10 盧偉;宋愛國(guó);蔡健榮;孫海波;陳曉穎;;柑橘采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)算法[J];東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2011年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 祁春節(jié);中國(guó)柑橘產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)分析與政策研究[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2001年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 羅鋼;柑橘振動(dòng)采收的仿真與試驗(yàn)研究[D];華南農(nóng)業(yè)大學(xué);2016年

2 徐正岡;基于圖像信息的柑桔成熟度無損檢測(cè)方法的研究[D];浙江大學(xué);2001年

本文編號(hào)：2882537