蓝莓灌木振动特性分析及数值模拟

鲍玉冬　杨闯　赵彦玲　刘献礼　郭艳玲

摘要：针对灌木果树振动问题，基于乔木果树振动理论，考虑灌木主枝、主根及与主根粘连的土壤都消耗振动能量，建立蓝莓灌木振动模型，分析果树主枝及主根的能耗。以北村灌木为研究对象，对所建模型参数设置并进行扫频激振数值模拟，得到灌木主枝获得较大振幅的频率范围和激振位置，研究成果可以指导蓝莓振动采摘装置参数设置，为以蓝莓为代表的小浆果振动采收機的研究提供理论依据和技术支持。

关键词：蓝莓；灌木振动；激振频率；数值模拟

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.004

中图分类号： TH161

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）01-0018-05

Abstract：Concerning the vibration picking of fruit， there are some researches on the vibration of arbors both at home and abroad， while the research on the vibration of shrubs in China is still in its infancy. Aiming at the vibration of shrubs and fruit trees， the vibration model of blueberry shrubs was established based on the vibration theory of fruit trees， considering the vibration energy consumption of shrub main branches， the main roots and the main root of the soil adhesion， and analyzing the energy consumption of fruit trees and main roots. Taking the Northcountry shrubs as the research object， the parameters of the model were set up and the numerical simulation of sweep frequency excitation was carried out to obtain frequency range and the exciting position of the shrub main branch. The research results can guide the parameter setting of blueberry vibration picking device and provide theoretical basis and technical support for the research of small berry vibration harvester represented by blueberry.

Keywords：Blueberry， Shrub vibration， Vibrating frequency， Numerical simulation

0引言

随着越来越多的人们认识到蓝莓果实的营养价值和商业价值，蓝莓果树得到了广泛的培育和种植，蓝莓采摘已经成为了蓝莓产业中重要的环节之一[1-3]。 蓝莓果实小且软，生长分散，采摘环境复杂，传统的机械手等采摘方式不适用于该种浆果。在果实小且生长分散的水果和干果采摘技术中，振动式采摘是最有效、最合适的方法之一[4-9]，因此有必要研究蓝莓灌木的振动特性，提高采摘效率，降低蓝莓采摘成本，为振动式蓝莓采摘机械的研究提供理论依据，提高蓝莓采摘机械振动装置的可靠性。

国外关于果树振动的研究主要针对乔木果树，文[10]尝试将振动的乔木简化为一个弹簧阻尼系统，通过一个垂直悬臂梁的激振获得了简化质量、阻尼系数和弹簧劲度系数，研究中发现若将整个树体简化为一个悬臂梁，果树就是一个赋予一定频率的理想的弹簧系统，因此认为除了主干，一定还有其他的地方吸收了输入给果树的振动能量。Horvath 和Sitkei认为[11]树干在振动过程中，通过土壤中的根部系统吸收了很大一部分输入的振动能量，他们根据果树在不同的高度获得外部激振力产生的受迫振动研究中，推算出了果树在发生振动时虚拟偏转中心，并且发现随着外部激振高度的改变，树木的简化质量和振动时的偏转中心也会发生改变。Láng 在以上基础上提出了一种包含树干和主根在内的乔木振动模型[12-14]。

国内对灌木果树振动的研究正是处于起步阶段[15-19]，灌木在生长结构上与乔木有一定的区别，但是灌木的若干个主枝具有同一个根系，根据这一特征本文将灌木振动和乔木振动理论建立联系。

在Láng研究的基础上建立灌木振动模型， 提出灌木在振动时，除了土壤以上的枝消耗振动能量，主根及与主根粘连的土壤也消耗振动能量；利用ANSYS软件对模型进行数值模拟，得到灌木植株枝获得较大振幅的激振频率范围和激振位置，为以蓝莓为代表的小浆果采收机振动机构设计和参数设置提供理论依据和技术支持。

1蓝莓灌木振动模型的建立

1.1蓝莓灌木模型

灌木主枝生长具有类似性，主枝枝干较粗，主枝上生长二级枝，二级枝上生长三级枝，二、三级枝枝条与主枝相比细且硬度相对较低；振动果树时激振

器作用在果树上，由于主枝较粗且硬，因此果树受到外部激振力时，认为有效作用力主要作用在主枝上，使得灌木发生振动[20]。假设灌木发生较大振动时为主枝受迫振动，各主枝都是从主根分出，将主枝简化为与主根相连的悬臂梁，悬臂梁的个数n取决于灌木品种主枝的平均数量，将每个主枝上其他分枝和果实的质量平均到主枝上，考虑果树系统在外力作用下作受迫运动时，主枝和主根不可避免存在阻尼因素，灌木植株在接受外加的强迫振动时，土壤以上的灌木主枝会消耗振动能量，与主枝相连的主根和与主根粘连的土壤也会消耗振动能量，所以当主枝发生偏转或产生弯曲变形时，与主枝直接相连的主根在土壤内部也会发生微小的变形。建立一个整株灌木振动模型[21]，除了土壤之上的主枝，还包含土壤中与主枝直接相连的主根和与主根粘连的土壤，将这一部分简化为圆台，以下简称主根，圆台底端由4组弹簧阻尼系统固定，其中弹簧编号为k1～k8，阻尼编号为c1～c8，主枝平均枝数为n，建立的模型如图1所示。

根据测量获得的数据对模型进行设置，主枝的密度为1.3×103kg/m3，通过对主枝、副枝的拉伸试验获得，取主、副枝弹性模量的平均值为690MPa，泊松比是0.3。设置主根密度为4.9×103kg/m3。主根弹性模量受含水率等因素的影响，参照文献中若含水率约10%，土壤（文中主根）弹性模量为25MPa[23]，泊松比為0.394。由于模型参数在软件中设置受到限制，将模型分为两部分即主枝和主根，将主枝插入主根内。环境温度设置为28℃。

3.2扫频激振数值模拟

应用Workbench 14.5中Harmonic Response模块对整株模型进行扫频激振数值模拟[24]。将模型主根底端弹性固定，对模型的激振分为三个位置激振。位置1，靠近主枝顶端；位置2，主枝中间处；位置3，靠近主根端。环境温度设置为28℃，扫频频率是0～60Hz，数值模拟结果如图5所示。分析可知，对整株模型的扫频激振，获得较大振幅的激振频率为15～20Hz，获得最大振幅的激振位置在主枝中间部位。

3.3采摘力验证

果实在振动过程中，受到沿着果柄的惯性力法向分力Fn和垂直于果柄的切向分力Ft。研究中，认为果实与树枝的分离是在果柄的轴向拉力作用下产生的，因此研究中只考虑使果实脱落的惯性力法向分力[25]，忽略切向分力，即

Fn=ml（Al-1νcosνt）2（17）

式中：m（kg）为果实质量；l（m）为摆长，即果柄长；A（m）为强迫振动的振幅；v（rad/s）为强迫振动的角频率。

根据仿真获得的激振频率范围15～20Hz，代入式（17）中，可知，采摘力的范围介于0.3～0.5N之间，采摘力大于熟果与母枝的结合力，小于青果和半熟果与母枝的结合力，仿真获得的频率范围可以作为蓝莓采摘振动装置工作参数的参考值，因此建立的蓝莓灌木振动模型可以指导实际蓝莓采摘，该模型适用于主枝与土壤紧固，副枝从主枝近根端到主枝顶端均布的其他类似小浆果灌木。

4结论

1）建立了一种包括主枝、主根及与主根粘连的土壤在内的蓝莓灌木振动模型，灌木振动时主枝、主根及与主根粘连的土壤都消耗振动能量；该模型可以通过主枝折算质量计算主根质量。

2）对建立的蓝莓灌木振动模型进行了参数化设置，利用该模型扫频激振数值模拟可以得到主枝获得足够振幅的激振频率范围和激振位置，研究所得结论可以指导蓝莓果实采摘工作参数的设置。

3）通过对蓝莓灌木振动特性的分析，为以蓝莓为代表的小浆果灌木振动特性以及振动式浆果采收机的研究提供理论依据和技术支持，对其他类似小浆果振动式科学采摘的推进具有重要的意义。

参 考 文 献：

[1]王佳佳， 黄颖利， 秦会艳. 美国蓝莓产业分析及对黑龙江蓝莓产业发展的启示[J]. 安徽农业科学， 2014， 42（18）： 6042-6044.

[2]苏上， 王丽金， 王贺新， 等. 蓝莓产业发展现状与趋势[J]. 高科技与产业化， 2014（4）：76-80.

[3]乔书瑞. 蓝莓产业发展现状的思考[J]. 现代园艺， 2014（10）：13.

[4]张晓文. 林木种子（球果）振动采集技术现状及展望[J]. 北京林业大学学报， 1996， 18（1）：84-88.

[5]DU X. Q.， CHEN D.， ZHANG Q. Dynamic Response of Sweet Cherry Trees Under Vibratory Excitations[J]. Biosystems Engineering， 2012， 111（3）： 305-314.

[6]王业成，陈海涛，林青. 黑加仑采收装置参数的优化[J]. 农业工程学报， 2009，25（3）：79-83.

[7]PEZZI F， CAPRARA C. Mechanical Grape Harvesting： Investigation of the Transmission of Vibrations[J]. Biosystems engineering， 2009， 103（3）： 281-286.

[8]耿雷， 郭艳玲， 王海滨. 高丛蓝莓采摘机采摘系统设计与试验[J]. 农业机械学报， 2016， 47（3）： 67-81， 74.

[9]叶力勤， 李强， 陈渐宁， 等. 便携式枸杞采摘机采摘性能研究[J]. 宁夏农林科技， 2009（4）：4-5.

[10]WHITNEY， J. D.， SMERAGE， G. H.， BLOCK， W. A.. Dynamic Analysis of a Trunk Shakerpost System[J]. Transactions of the ASAE， 1990， 33（4）： 1066-1070.

[11]HORVATH E， SITKEI G. Energy Consumption of Selected Treeshakers Under Different Operational Conditions[J]. Journal of Agricultural Engineering Research， 2001， 80（2）： 191-199.

[12]LNG Z. A Fruit Tree Stability Model for Static and Dynamic Loading[J]. Biosystems Engineering， 2003， 85（4）： 461-466.

[13]LNG Z. A one Degree of Freedom Damped Fruit Tree Model[J]. Transactions of the ASABE， 2008， 51（3）： 823-829.

[14]LNG Z. Dynamic Modelling Structure of a Fruit Tree Forinertial Shaker System Design[J]. Biosystems Engineering， 2006， 93（1）： 35-44.

[15]杜小强， 倪柯楠， 武传宇. 基于外旋轮线轨迹的果品振动采收机构研究[J]. 农业机械学报， 2016， 47（3）： 59-66.

[16]李志鹏. 蓝莓采摘机采摘策略及行走轨迹规划研究[D]. 哈尔滨：东北林业大学，2011.

[17]郭艳玲，鲍玉冬，何培庄，等. 手推式矮丛蓝莓采摘机设计与试验[J]. 农业工程学报，2012，28（7）：40-45.

[18]王海滨，郭艳玲，鲍玉冬，等. 振动式蓝莓采摘的机理分析与数值模拟[J]. 农业工程学报，2013，29（12）：40-46.

[19]陈度， 杜小强， 王书茂， 等. 振动式果品收获技术机理分析机研究进展[J]. 农业工程学报，2011，27（8）：195-200.

[20]赵彦玲， 赵志强， 孙萌萌， 等. 钢球展开过程球面点运动轨迹分析及实验验证[J]. 哈尔滨理工大学学报， 2016，21（1）： 13-17.

[21]赵彦玲， 李积才， 赵志强， 等. 钢球展开机构的接触碰撞特性[J]. 哈尔滨理工大学学报， 2015，20（6）： 37-41.

[22]CastroCarcía S， BlancoRoldán G L， GilRibes J A， et al. Dynamic Analysis of Olive Trees in Intensive Orchards Underforced Vibration[J]. Tree， 2008， 22（6）： 795-802.

[23]刘江平， 罗银河， 张英德. 黏土動、静弹性模量相关性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2007， 26（2）： 427-432.

[24]ZHAO Yanling， XIA Chengtao， WANG Hongbo， et al. Analysis and Numerical Simulation of Rolling Contact between Sphere and Cone[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2015， 28（3）：521-528.

[25]鲍玉冬， 李志鹏， 郭艳玲， 等. 振动式蓝莓采摘机对果实收获的影响试验[J]. 湖南农业大学报（自然科学版）， 2014， 40（1）： 96-100.

（编辑：关毅）