樹冠振動是目前用于果實大規(guī)模連續(xù)采收的主要機械化收獲方法,該收獲方法因振動系統(tǒng)對果實產(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。對于柑橘的機械化收獲而言,現(xiàn)有的樹冠振動式收獲機械存在較嚴(yán)重的樹冠損傷問題,對果園下一年產(chǎn)量造成了較大影響,使得柑橘的機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)一種新型樹冠振動系統(tǒng),對提升柑橘收獲的機械化程度具有重要意義。本文以美國佛羅里達(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’為研究對象。通過搭建振動脫落試驗裝置,對柑橘在豎直和水平兩個方向上的振動脫落進(jìn)行了振動頻率分析和運動軌跡分析,明確了有利于柑橘脫落的振動方式;在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種基于曲柄搖桿機構(gòu)急回特性的聯(lián)動振動機構(gòu),并結(jié)合樹冠形態(tài)特征,開發(fā)了一種上、下兩段式樹冠振動系統(tǒng);利用虛擬樣機技術(shù)對該系統(tǒng)中的振動裝置進(jìn)行了虛擬樣機建模和仿真分析,確定了各構(gòu)件尺寸參數(shù)并試制了樹冠振動系統(tǒng)的物理樣機,通過實驗室性能測試分析了振動系統(tǒng)的振動頻率、振幅和振動桿的選取等,再通過果園采收試驗分析了振動桿分布、振動頻率與行駛速度、樹冠振動響應(yīng)、最優(yōu)頻率組合等條件下的收獲性能,為樹冠振動收獲系統(tǒng)的研究與應(yīng)用提供參考。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)提出有利于柑橘振動脫落的水平振動方式。為了探究柑橘隨樹枝受到外部激勵作用時的運動規(guī)律和振動脫落機理,本文對柑橘隨樹枝在豎直和水平方向上的振動進(jìn)行了動力學(xué)分析,再通過搭建振動試驗臺模擬柑橘隨樹枝的運動,采用加速度傳感器測試并分析柑橘在這兩個方向上運動的振動頻率,當(dāng)外部激勵頻率小于5 Hz時,柑橘在水平方向上產(chǎn)生的振動頻率高于豎直方向,且在較小外部激勵作用下就能產(chǎn)生較高振動頻率。再利用高速攝影技術(shù)分析了柑橘在這兩個方向上受到外部激勵時的運動軌跡,也顯示柑橘在水平方向上受到外部激勵頻率為2.8 Hz時就能產(chǎn)生較大的振動,表明柑橘受到水平方向上的外部激勵時有利于果實的振動脫落。(2)設(shè)計基于曲柄搖桿機構(gòu)的上、下兩段式樹冠振動系統(tǒng)。通過對中型柑橘樹冠的形態(tài)尺寸進(jìn)行手工測量,得出樹冠有效高度和果實分布厚度,分別為1.89 m和1.03 m。然后根據(jù)樹冠形態(tài)特點提出了一種上、下兩段式樹冠振動系統(tǒng),該系統(tǒng)利用曲柄搖桿機構(gòu)的急回特性使得振動系統(tǒng)的振動桿能夠強力擊打樹冠,以提高果實振動的有效性。再利用Solidworks軟件和ADAMS軟件建立了振動機構(gòu)的虛擬樣機模型并進(jìn)行了運動學(xué)仿真分析,最后根據(jù)設(shè)計尺寸試制振動系統(tǒng)物理樣機。該振動系統(tǒng)樣機高度和寬幅分別達(dá)到2.54 m和3 m,能夠滿足收獲機平臺的樹冠適應(yīng)性和通過性。(3)測試并分析振動系統(tǒng)的振動性能。利用加速度測試系統(tǒng)對振動系統(tǒng)在不同液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速作用下的振動頻率和加速度變化進(jìn)行了測試,得出振動系統(tǒng)可調(diào)節(jié)的振動頻率范圍為2.5 Hz~6.8 Hz。另外,對三種不同材質(zhì)或形狀的振動桿進(jìn)行了彎曲變形分析和振動試驗研究,結(jié)果表明弓形振動桿在果實采收和樹冠損傷兩方面具有較好的綜合性能,在外部激勵頻率為4.7 Hz時的振動范圍介于578 mm~630 mm之間。(4)研究樹冠與振動系統(tǒng)間的響應(yīng)關(guān)系。利用梁的彎曲振動理論建立了主枝在橫向激勵作用下的振動模型,分析了主枝振動的偏微分方程和頻率方程。再通過加速度測試系統(tǒng)對主枝在不同外部激勵作用時的加速度變化進(jìn)行振動測試,當(dāng)主枝在外部激勵頻率從2.5 Hz逐漸增加到4.7 Hz時,主枝直徑較小段的振動加速度更大;當(dāng)外部激勵頻率超過4.7 Hz時,主枝在x、y、z三個方向上的加速度值明顯增加,此時的果實脫落率達(dá)86.5%;當(dāng)外部激勵頻率達(dá)到6.8 Hz時,較大的外部激勵對樹冠的振動強度更大,振動頻率的增加則會增加樹冠的損傷,即該振動系統(tǒng)在進(jìn)行果園采收時的振動頻率最好不超過4.7 Hz。(5)提出振動桿的兩種布局模式,分別為交錯布局和平行布局。交錯布局的振動桿間距為330 mm,通過擴(kuò)大振動桿的間距來提高樹冠在振動過程中的通過性,獲得了82.6%的果實采收率和5.4%的樹冠損傷率。而平行布局的振動桿間距為165 mm,其果實采收率和樹冠損傷率分別為83.5%和7.5%,說明振動桿采用交錯布局能夠有效減輕樹冠損傷,并保持較高采收率。(6)試驗分析不同振動頻率和行駛速度下的果實采收率和樹冠損傷率。采收試驗結(jié)果表明,當(dāng)振動系統(tǒng)以較小的振動頻率(3.3 Hz~3.6 Hz)振動樹冠時,均獲得較低的樹冠損傷率和果實采收率。當(dāng)振動系統(tǒng)以6.8 Hz的高頻率和1 km/h的慢速行駛擊打樹冠時,能夠獲得很高的果實采收率,達(dá)到89.3%,但同時也造成高達(dá)15.3%左右的樹冠損傷。綜合分析果實采收率和樹冠損傷率與振動頻率及行駛速度的變化關(guān)系,該振動系統(tǒng)以3 km/h的行駛速度和4.7 Hz的振動頻率對柑橘樹冠進(jìn)行振動采收時,其收獲效率為360~500棵/小時,果實采收率達(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、下振動系統(tǒng)以不同頻率組合進(jìn)行樹冠振動采收的方法。通過對7組振動頻率組合進(jìn)行采收試驗,結(jié)果表明,當(dāng)上振動系統(tǒng)的振動頻率比下振動系統(tǒng)頻率大時,振動系統(tǒng)對樹冠造成的損傷較小,這表明上、下振動系統(tǒng)分別以較高和較低的組合頻率進(jìn)行柑橘振動采收時能夠減輕振動系統(tǒng)對樹冠的損傷。該樹冠振動系統(tǒng)的最優(yōu)振動頻率組合為4.74.1 Hz,其相應(yīng)的果實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（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）報告，全球柑橘產(chǎn)量在 2016-2 320 萬噸達(dá)到 5020 萬噸，然而，美國由于柑橘黃龍病影響使得產(chǎn)量降低減少，其柑橘產(chǎn)量僅為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，而柑橘采收季動密集型作業(yè)，若采收不及時，將直接影響果實產(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，國內(nèi)外研究學(xué)者對機械收獲系統(tǒng)代替人力，主要包括：（1）半自動輔助采收平臺；（2）柑橘采摘機下文對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，對于果樹高處的果實則利用梯子進(jìn)行輔助（如圖 1-2的提高，除了鮮果市場的需求，果汁行業(yè)對水果采收的需夠確保水果免于果實損傷并保證果品質(zhì)量，但其勞動力需率低，并且隨著勞動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，人們對能夠減輕勞動強采收平臺需求日益旺盛。

面向柑橘機械化收獲的樹冠振動系統(tǒng)設(shè)計與性能試驗移動平臺牽引，配套液壓驅(qū)動升降機構(gòu)、橫向調(diào)節(jié)機構(gòu)，將行人工采摘，采摘后的果實放入收集袋或通過滑行管道或傳套半自動化手柄夾持裝置，實現(xiàn)果園的半自動機械化收獲，如果實收獲技術(shù)日益成熟，且農(nóng)機與農(nóng)藝進(jìn)一步融合，摘果輔采摘、果實輸送與裝箱(楊貞等 2018，2017)、果樹剪枝、授的果實收獲作業(yè)半自動操作平臺。目前，該類收獲作業(yè)機械如蘋果、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)】

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本文編號：2882537