振動式藍莓采摘機對果實收獲的影響試驗

鮑玉冬，李志鵬，郭艷玲，王海濱

(東北林業(yè)大學(xué)a.機電工程學(xué)院；b.交通學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

振動式藍莓采摘機對果實收獲的影響試驗

鮑玉冬a，李志鵬b*，郭艷玲a，王海濱a

(東北林業(yè)大學(xué)a.機電工程學(xué)院；b.交通學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

以‘藍豐’藍莓為研究對象，建立了藍莓果實振動模型和果樹振動系統(tǒng)模型。以藍莓與母枝的結(jié)合力作為采摘力對模型求解，確定果實適宜收獲的振動頻率約為24 rad/s時，可提高采摘效率，降低青果脫落率。利用該振動頻率，使用東北林業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的GYL062型牽引振動式藍莓采摘機在藍莓集中成熟的季節(jié)進行采摘試驗，得到適宜振動頻率下機械采摘的工作效率為7.17 kg/min，是人工采摘效率的10倍，青果脫落率約為5.6%，果實損傷率約為8.0%，樹枝總體損傷率約為30%。

藍莓；振動；采摘力；采摘機

1 藍莓果樹振動模型的建立

振動式采果是將采摘機產(chǎn)生的機械振動力傳遞給果樹，果樹樹枝在接受強迫振動力后，以一定的頻率和振幅振動，樹枝上的果實通過振動加速運動。當加速運動的果實受到的慣性力大于果實與樹枝之間的結(jié)合力時果實掉落[3,6]。通過果樹振動模型分析果樹在振動過程中的響應(yīng)特性[8–9]，可確定果實收獲的適宜的振動頻率。

藍莓果樹形態(tài)大小及果實大小存在差異，以‘藍豐’品種為對象，對藍莓果實、果柄及樹枝系統(tǒng)、樹體與樹根系統(tǒng)建模及求解。

1.1 果實振動力模型

藍莓果實生長在樹枝的最末端，因此果實振動力模型包括果實、果柄和與果柄相連的副枝。藍莓生長的空間分布以及振動機構(gòu)的執(zhí)行，不能使所有的藍莓果實全部受到相同的振動力的作用，未受到振動力直接作用的樹枝，會在其他樹枝所產(chǎn)生的振動影響下，在同一果樹樹枝之間的相互約束條件下相應(yīng)地產(chǎn)生振動[10]。由于振動式采摘對果樹產(chǎn)生的振動是接觸和持續(xù)的，所以近似認為采摘過程中果樹的振動頻率即為振動器的振動頻率。

設(shè)定振動過程中，長有果實的副枝不發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。果實懸掛點處的慣性力，分為垂直于果柄的切向分力和沿著果柄的法向分力。切向分力使得果柄發(fā)生彎曲變形，對果實的采摘不產(chǎn)生影響，所以只考慮使果柄產(chǎn)生軸向拉力的法向分力。

將強迫振動、樹枝的振動和果實的振動簡化在同一平面內(nèi)，這樣樹枝、果實和果柄的運動系統(tǒng)即可簡化為1個運動的單擺系統(tǒng)[11]，建立如圖1所示的坐標系，用拉格朗日法分析擺的運動微分方程。

由圖1幾何關(guān)系可知，果實在xoz坐標系下的絕對坐標為：

單擺系統(tǒng)的動能方程為：

單擺系統(tǒng)的勢能方程為：

式中：V為勢能(J);g為重力加速度( N/m2)。導(dǎo)入拉格朗日方程，得：

(5)式表示按任意規(guī)律移動的樹枝上的擺的位置。假設(shè)果實懸掛點處在水平面內(nèi)按簡諧規(guī)律運動，則：

式中：ω為自由振動圓周率(rad/s)；A為強迫振動的振幅(m)；ν為強迫振動頻率(rad/s)；t為時間(s)。

圖1 懸掛點在移動下的物理擺Fig.1 Physical pendulum with the suspension point moving

由(6)式可知，果實的振動由自由振動和強迫簡諧振動2部分組成。

小漿果在脫落時，其自振頻率遠小于強迫振動頻率[15]，因此令 0ω= ，則：

式中：nF為慣性力沿果柄方向的法向分力(N)通過分析可知，在振動采摘過程中，果實、果柄和副枝系統(tǒng)相當于1個運動的單擺系統(tǒng)，擺動中的果實的果柄受到的軸向拉力達到果實和果柄之間的結(jié)合力時使果實脫落。由(7)式可知，軸向拉力的大小與果實質(zhì)量和外加強迫振動的頻率有關(guān)。

1.2 果樹振動系統(tǒng)模型

藍莓采摘機為接觸式旋轉(zhuǎn)振動收獲機，將旋轉(zhuǎn)振動器深入植物冠層內(nèi)，擊打和梳刷果實，使果樹產(chǎn)生振動[12–14]。假設(shè)由旋轉(zhuǎn)振動器產(chǎn)生的慣性力為Msrv2sin vt，可以得到連續(xù)式收獲系統(tǒng)的動力學(xué)方程：

式中： xM為果樹振動水平方向的位移(m)；Mx˙為果樹振動水平方向的速度(m/s)；Mx˙為果樹振動水平方向的加速度(m/s2)；tM為等效質(zhì)量(kg)；M為果樹等效質(zhì)量(kg)；sM 為振動器等效質(zhì)量(kg)；r為振動器旋轉(zhuǎn)半徑(m)。

由(8)式，得：

式中：xA為樹枝在水平方向上的振幅(m)；c為樹枝的彈性系數(shù)(m/N)；k為黏性阻尼系數(shù)(Ns/m)。

果樹力學(xué)模型的建立過程中，常將果樹系統(tǒng)假設(shè)為單自由度系統(tǒng)，且具有一致的物理性。果樹系統(tǒng)相對復(fù)雜，為了便于分析，將果樹分為樹枝–果實、主根–土壤和樹冠3個部分[15]。果樹在振動時，土壤中的主根也隨著整個系統(tǒng)振動，并隨之消耗一部分輸入的振動能量[16–17]。提出一種果樹模型[18–20]，該果樹振動模型簡化后包括葉、果實及樹干等效質(zhì)量(樹體等效質(zhì)量)和樹根等效質(zhì)量 2部分，如圖2所示。

[19]，經(jīng)過分析和計算得出的黏性阻尼系數(shù)，得：

式中：defk 為黏性阻尼系數(shù)理論值(Ns/m)；R為果樹旋轉(zhuǎn)半徑(m)；h為等效振動力距地面的距離(m)；H為根部等效質(zhì)量中心距地面的距離(m)；a為根部等效質(zhì)量中心距旋轉(zhuǎn)中心的距離(m)。

根據(jù)彈性系數(shù)計算公式[19]，得：

式中：cdef為彈性阻尼系數(shù)理論值(m/N)。

根據(jù)果樹振動旋轉(zhuǎn)半徑計算公式[19]，得：

圖2 果樹振動模型Fig.2 Vibrating model of fruit tree

通過分析可知，果樹振動系統(tǒng)包括樹體和樹根2部分。對振動果樹系統(tǒng)，除了考慮樹體接受振動以外，還要考慮樹根需要吸收一部分能量。參考公式(11)~(13)，樹體和樹根吸收的能量與樹體和樹根的質(zhì)量分布、樹根結(jié)構(gòu)分布和作用力位置有關(guān)。

2 振動采摘力分析

2.1 振動采摘力的產(chǎn)生

東北林業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的振動式藍莓采摘機(型號為GYL062)為龍門式車體，車體內(nèi)部安裝振動指排，依靠液壓馬達驅(qū)動曲柄搖桿機構(gòu)，帶動雙側(cè)指排同時振動，通過調(diào)節(jié)液壓馬達轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)振動頻率。由華苑牌350型拖拉機牽引作業(yè)。振動采摘機構(gòu)作用于果樹，指排(即振動棒)直接插入樹冠使其傳遞振動，產(chǎn)生的采摘力使果實與樹枝分離[15]。

2.2 振動頻率的確定

通過對‘藍豐’果樹的生物特性測量可知，藍莓果實平均質(zhì)量0.002 6~0.003 3 kg，果樹質(zhì)量平均為10 kg；H、h和a分別平均為0.15、0.85、0.25 m果柄平均長為0.02 m；熟果、青果和葉與母枝的結(jié)合力平均分別為0.7、1.2、1.7 N。

采摘力大小可以設(shè)置為沿著果柄方向的慣性力大小，該慣性力大小即為熟果與母枝的結(jié)合力0.7N，該力小于青果和葉與母枝的結(jié)合力，在該采摘力作用下，熟果脫落，青果與葉不脫落，此時果樹的振動頻率即為采摘振動的適宜頻率。

參照文獻[18–20]，取 kdef=9 850 Ns/m，cdef= 6×10–6m/N，取振動器質(zhì)量Ms=10.4 kg，振動器旋轉(zhuǎn)半徑r=1 m。結(jié)合藍莓生物學(xué)特性數(shù)據(jù)，通過式(7)、(10)、(11)、(12)、(13)計算得到熟果掉落的強迫振動頻率v≈24 rad/s。

3 采摘試驗

3.1 試驗指標

為檢驗振動模型是否有效及采摘力的理論分析是否能達到預(yù)期效果，對比不同振動頻率下的采摘效率和青果脫落率。由于果樹振動模型的建立考慮了果樹的主根吸收了一部分振動能量，因此適宜的振動頻率較大，需考慮在該頻率工作下青果的脫落及果實和樹枝的損傷率。

采摘效率，定義為單位時間采摘成熟果實的質(zhì)量。青果脫落率，定義為收獲的果實中青果粒數(shù)所占果實總粒數(shù)的百分比，其中半成熟果按青果處理。果實損傷率，定義為收獲的果實中剔除青果后，破損果實粒數(shù)所占成熟果實粒數(shù)的百分比。樹枝損傷率，定義為機械采摘后，被標記的損傷枝條數(shù)量占標記枝條總數(shù)量的百分比。

3.2 試驗過程

采摘試驗在遼寧省丹東市五龍背藍莓種植基地進行。選擇藍莓集中成熟期(成熟度在 85%以上)采摘。在藍莓田間選擇果實成熟程度相近的 16段試驗區(qū)并標號，每段長50 m，其中12段由機械振動采摘，分 3組，每組振動頻率分別接近 18、24 和30 rad/s，余下4段由技術(shù)嫻熟的工人進行手工采摘，分別記錄采摘時間和采摘量。

3.3 采摘效率與青果脫落率

以同期人工采果平均數(shù)為對照，對比單臺機械采摘與人工采摘量[20–23]，分別記錄每段作業(yè)區(qū)振動采摘和人工采摘的耗時、凈采量，并計算采摘效率。凈采量為剔除葉片和樹枝后的質(zhì)量，以果實凈質(zhì)量計算采摘量。

在每個區(qū)域收集到的果實中，分別隨機選取果實裝滿1個400 mL的容器，計算果實總粒數(shù)、青果粒數(shù)，用青果百分含量評價青果脫落率。只考慮振動采摘對青果脫落的影響，不考慮采摘機車體結(jié)構(gòu)、行進速度等因素對青果脫落的影響。人工采摘效率為0.66 kg/min。振動頻率分別為18、24、30 rad/s時，機械采摘效率分別為3.47、7.17、7.93 kg/min青果脫落率分別為3.6%、5.6%和10.4%，機械采摘的效率大約是人工采摘效率的 5~12倍。當振動頻率由18 rad/s增加至24 rad/s時，采摘效率由5倍增加至10倍，顯著提高；當振動頻率由24 rad/s增加至30 rad/s時，采摘效率由10倍增加至12倍，變化不大。

機械采摘青果脫落率平均約為4%~10%。當振動頻率由18 rad/s增加至24 rad/s時，青果脫落率變化不明顯；當振動頻率由24 rad/s增加至30 rad/s時，青果脫落率增加了1倍。由于在增加振動頻率提高采摘效率的同時，還要考慮青果的脫落，結(jié)合采摘效率的分析，24 rad/s為比較適宜的振動頻率青果脫落率為5.6%。

3.4 適宜振動頻率下采摘對果實及樹枝損傷的影響

在振動采摘的果實中分別隨機取4組等質(zhì)量的果實，得到振動采摘果實的損傷率平均約為8.0%采摘的過程中，振動棒的撞擊是果實破損的主要原因，其次，果實在采摘機行進中的撞擊以及收集過程中的損壞等因素對果實破損也有影響。

在振動采摘的果樹中隨機取4組果樹，每組中隨機選擇完整健壯的枝條 20枝并標記。采摘機通過后，檢查果枝的破壞程度。規(guī)定枝條損傷1處為輕度損傷，損傷2～3處為中度損傷，損傷3處以上為重度損傷。損傷總枝數(shù)占標記枝條總數(shù)的百分比為總體損傷率。

振動采摘輕度損傷率、中度損傷率和重度損傷率平均分別為15%、10%和5%，總體損傷率約為30%?？傮w損傷率較高，在提高果實采摘效率的同時，也導(dǎo)致了果樹不同程度的損傷。損傷主要是輕度損傷，重度損傷率較低。對比采摘效率，總體損傷率可以接受。振動棒的撞擊以及采摘機車體本身對果樹的刮蹭是樹枝損壞的影響因素。

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：羅 維

Analysis and experiment of the impact of vibrating based picking machine on blueberry fruit harvest

BAO Yu-donga, LI Zhi-pengb*, GUO Yan-linga, WANG Hai-bina
(a.College of Mechanic and Electronic Engineering; b.Traffic College, Northeast Forestry University, Harbin150040, China)

Blueberry cultivar Bluecrop was used to establish the vibrating system model for blueberry fruit and blueberry tree. Picking force between the fruit and the branch was used to solve the vibrating models. The calculated suitable vibration frequency for fruit harvesting is 24 rad/s, at which picking efficiency is improved and fallen rate of green fruit is reduced. The vibrating based blueberry picking machine GYL062, which is developed by Northeast Forestry University, was used to harvest blueberries in their mass mature period. Under the calculated suitable vibration frequency, the efficiency of picking was 7.17 kg/min, which was ten times as high as that by handpicking, with fallen rate of green fruit being 5.6%, damage rate of fruit 8.0% and total damage rate of branches 30%.

blueberry; vibrating; picking force; picking machine

10.13331/j.cnki.jhau.2014.01.020

時間：2014– – 00:00

網(wǎng)絡(luò)出版地址：

S225.93

A

1007?1032(2014)01?0098?05

美國作為藍莓[1–5]原產(chǎn)國，最早研制出振動式藍莓采摘機。美國在植株振動模型方面所作的大量研究，主要是針對喬木果樹進行的。國內(nèi)藍莓的機械化采收尚處在起步階段[6–9]，現(xiàn)有的漿果采收機械并不適于藍莓采摘。

‘藍豐’系美國藍莓品種，果實顆粒大、肉質(zhì)硬, 中熟，樹體為灌木高叢，生長健壯，開張，適合振動式藍莓采摘機作業(yè)，抗旱、連續(xù)豐產(chǎn)能力強中國已引進廣泛種植。筆者在對‘藍豐’藍莓果樹的研究中，將果樹簡化為果實、果柄和樹枝系統(tǒng)與樹體和樹根系統(tǒng)，建立果實振動力模型和果樹振動系統(tǒng)模型，通過采摘力的分析，對模型求解，得到采摘適宜的振動頻率，并使用東北林業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的GYL062型牽引振動式藍莓采摘機進行采摘試驗，以期提高采摘機的采摘效率，降低青果的脫落率，減少振動采摘對枝條和果實的損傷，提高藍莓采摘機工作的適應(yīng)性。

2013–07–11

國家林業(yè)局“948”項目(2011–4–21)

鮑玉冬(1986—)，男，遼寧撫順人，博士研究生，主要從事機電一體化技術(shù)和農(nóng)林采摘機及機器人研究，fhbaoyudong@ 163.com*通信作者，lizp386@sohu.com