振动式林果采收机的应用与试验分析

木合塔尔·米吉提，刘晓玲，玛依努尔·托乎提，王龙飞

（阿克苏职业技术学院 机电工程学院，新疆维吾尔自治区 阿克苏 843100）

传统果林秋收时，几乎全部以人工形式开展秋收作业，从而造成了果林秋收劳动强度高、实际用工数量大和人力资源成本高等诸多劣势，这不利于在激烈的市场竞争中对人力资源成本的高效控制，因此，果林收获机械化进程一直是农学专家考虑的重要内容。目前，随着自动化技术和机械化技术的不断发展完善，振动式林果采收机研制水平逐步提高，为有效推进林果机械化打下了坚实基础，因此，文章对振动式林果采收机的应用与试验进行分析研究也就具备重要理论意义和现实价值。

1 振动式林果采收机的设计

1.1 整体方案

根据采收机的不同结构类型，将其分为振动式和摇摆式等类型。振动式采收机主要包括动力源装置、液压控制装置、传递系统以及振动执行装置等[1]。在林果采摘过程中，主要依赖于设备的振动，通过设备激振赋予林果一定的作用力，从而在智能控制系统参数调节下完成林果采摘。通过对不同频率的设置，产生一定的共振效应，达到林果从树枝上脱落的目的。在此过程中，往往需要搭配图像识别技术和传感器技术等多种技术，多种技术综合使用以避免对林果造成较大的冲击损伤。一般而言，振动式林果采收机能借助其机械设备结构之间的内部设计和组合，根据林果的采收间隙和行距等实现对采收率的提升和果实损失率的控制，振动式林果采收机核心参数，见表1。

表1 振动式林果采收机核心参数Tab.1 The core parameters of vibratory tree fruit picker

1.2 动力学模型

在对振动式林果采收机采摘装置所产生的作用力大小进行计算时，主要根据其预先设置好的参数，依赖动力学模型中的动能参数和势能参数，最终计算作用力大小，由此建立起动力学模型，其公式如（1）～（2）所示[2]。

式中，T——振动式林果采收机在机身作用时产生的动力值大小，kN，；V——林果受到激振作用时产生的势能参数值大小，Ep；L——拉格朗日函数；m——采摘的林果的具体质量大小，kg；g——重力加速度，g/m2；v——待采摘的林果离地的高度，m，lc——待采摘的林果的实际转动惯量参数J，k——机械设备振动式的弹性系数。

2 主要系统设计

2.1 振动系统

振动式林果采收机的振动源，主要是其振动系统中的凸轮机构，其振动作用力主要来自凸轮机构和其从动构件之间产生力的碰撞而造成的振动，凸轮设计在振动式林果采收机中占据着极其重要的地位[3]。需从凸轮机构的从动构件平移物体总质量出发，探究凸轮机构对其从动构件的作用力参数大小，确定凸轮机构内部压力参数，避免压力角参数过大而造成的凸轮机构的自锁死行为产生。在确定主凸轮、结构压力等诸多参数后，根据其自动推杆类型和凸轮机构之间的回程路径，设置凸轮机构在运行过程中的中低速重载，根据凸轮机构的实际运动规律选择相应的加速度数值和形式，然后推导凸轮机构中从动构件运转过程中的力学效应，以此加强对凸轮机构的设计，凸轮机构的参数，见表2。

表2 凸轮机构的参数Tab.2 The parameters of cam mechanism

2.2 梳刷系统

梳刷系统主要依赖于齿轮之间的转动效应，通过其分度圆上压力角的设置，选取主轮结构设计中的分度圆上压力角参数取值，从而让从动构件的齿轮触发主动齿轮作用[4]。在此过程中，由于梳刷系统是振动式林果采收机末端执行其采摘行为的重要构件，将直接影响最终的林果采收效果，在对其主动齿轮和从动齿轮的传动系统参数进行设置时，应经过前期的振动试验，避免其试验不合规造成采收机采摘林果的效果不尽人意。

2.3 回位系统

回位系统是振动式林果采收机的重要组成系统之一，从动构件在其物体的平移运动过程中，往往会受到其材料的主力介质作用力影响，使得其实际运动方向和目标运动方向截然相反。当运动速度不大时，该类方向大小值与从动构件等平移物体运动的方向速度数值成正比例关系，因此需要在设置比例参数的基础上探究其具体作用力的大小，进而根据胡克定律设置从动构件平移物体在回转到平衡位置时所需要的弹性恢复力大小，由此得到具体的回位弹簧返回平衡位置所应具备的动力参数。

2.4 控制系统

分析振动式林果采收机的控制系统电路结构可知，在运行过程中，其以直流减速电机为动力源，在额定转速和额定容量的电池供电条件下，控制系统的调速器设备和直流电机的正反调速板运行状态相一致，电动机能够借助其直流为电动机提供电源，避免后续林果采收过程缺乏动力源而不能正常工作[5]。

3 采收机性能试验

为了进一步分析振动式林果采收机的实际采收性能，以某果园展开采收机的试验研究分析。为了尽可能提高试验研究的可信度和科学性，试验过程以长势相同且林果几乎完全成熟的果树为研究对象，在设置10、15、18 和20 等不同的激振频率情况下，重复试验3 次，试验后测试采收率大小，探究激振频率对采收过程的影响和对采净率的影响。表3为振动式林果采收机试验过程中不同激振频率对采净率的影响参数。根据表3 的数据信息，计算后可知激振频率在既定条件下将会对林果最终的采收率产生较大影响，决定系数高达99.4%。

表3 同激振频率对采净率的影响参数Tab.3 The influence parameters of coexcitation frequency on net recovery rate

根据表3 所示的激振频率和采净率关系的试验数据，进一步对振动式林果采收机的采收率参数值进行回归分析，探究其回归模型，回归方差分析见表4。根据表4 的均值参数和标准差差数，能够得到最终的回归方程，进而得知，激振频率参数值随着振动式林果采收机激振频率的增加不断增加，果树的实际损伤将被控制在激振频率为19～20，最终采净效果为90%～95%。

表4 回归方差分析表Tab.4 The analysis of variance regression

4 结语

加强对振动式林果采收机的整体方案设计和动力学模型研究，有助于振动式林果采收机研发功能的不断完善，优化振动式林果采收机的振动系统、梳刷系统、回位系统和控制系统的设计，从而不断提高振动式林果采收机的应用水平。并且实践应用和性能测试均表明，利用振动式林果采收机进行林果采收，有助于采收成本的大幅度降低和采收效率的明显提高，从而帮助果农获得较优良的经济效益，促进中国林果生产市场竞争力的逐步提升。