变频变幅振动式山核桃采摘装置的研究

【摘要】山核桃主产地分布于浙皖交界的天目山区，种植面积接近8万公顷，生长环境大多为山坡地，且树体高大，果农需攀爬到高处使用竹竿击打树枝的方式采摘山核桃，每年因采摘山核桃而发生的伤亡事件屡见不鲜。现有采摘设备主要通过振摇树体来实现果实采收，其工作参数(频率、振幅)单一，且设备庞大，不适用于山核桃机械化采摘。通过嫁接改良可实现山核桃树体矮化，可在平地种植，这为实施山核桃机械化采摘创造了有利条件。本文通过研究矮化山核桃树的动态特性，确定了矮化山核桃树振动采收装置的工作参数范围，由此设计了一种新型变频变幅振动式山核桃采摘装置。主要研究内容和推论如下：1.开展了具有八年树龄矮化山核桃树在不同生长时期下的动力学响应实验。根据样本树的树型结构划分传递路径，基于加速度导纳测试方法得到山核桃树各传递路径的加速度导纳变化曲线，分析得到矮化山核桃树的共振频率。结果表明，各样本树主枝的共振频率在0~20Hz内比较相近，那些没有二级分叉侧枝的树枝与主枝的共振频率更为相近，树叶相对于果实对矮化山核桃树的共振频率影响更大。同时，定义加速度导纳衰减率分析树枝分叉和节点对振动传递的影响，选取分叉处树径比、侧枝间分叉角及树枝链节点角作为影响评价因素进行讨论，结果显示分叉和树枝链节点对振动传递的影响与分叉角或节点角、树径比及共振频率有关，树叶和果实对矮化山核桃树的动态特性有一定的影响。2.根据矮化山核桃树动力学响应实验的分析结果，设计了一种新型变频变幅振动式山核桃采摘装置，并对其核心变幅振摇机构进行运动学和动力学分析。采用遗传算法优化变幅振摇机构的尺寸，使其满足设计要求。根据优化结果利用Matlab和ADAMS软件计算得到振动器的行程、加速度、振摇曲柄在调幅曲柄不同约束状态下的驱动力矩以及调幅曲柄的驱动力矩。3.进行了山核桃果实的分离力测试实验，分别从偏离果实自然生长方向0°、30°及60°三个方向测得末端树枝在不同约束状态下的山核桃果实的分离力。结果显示山核桃主要从果实-果柄连接处分离，当末端树枝不固定且作用方向为30°时平均分离力最大(18.5N)，最大分离力接近42N。根据理论分析和仿真结果，加工了样机并进行田间采摘试验，统计采摘率。
【作者】陈少钟；
【导师】杜小强；
【作者基本信息】浙江理工大学，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】山核桃树；动力学响应；共振频率；振动采摘；优化；仿真；

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