蓝莓采摘机的结构设计

⑨θ为摆角(rad)由(4-23)式可知，浆果脱落时，因其自振频率远低于外界强迫振动频率，故在分析振动行为时可忽略其自身自由振动的影响，即视为仅发生强迫振动，此时自由振动分量可设为ω=0，则：Fn=ml式中：Fn为惯性力沿着果梗方向的分力(N)。在振动采摘技术的应用中，可以将果实、果梗以及连带的侧枝视为一个动态运作的单摆系统。当果实处于振动状态时，果梗承受的沿着果梗方向（轴向）的拉力若增大至超过果梗与果实连接处的黏附力或剪切力阈值时，果实便会从果梗上自然脱落。根据公式(4-24)的表述，轴向拉力的大小不仅与果实本身的质量相关，还与外部施加的振动频率紧密相连，振动频率的选择及其与果实固有特性的匹配程度直接影响采摘效率与果实品质。在蓝莓采摘过程中，考虑到所使用的是一种接触式的旋转振动采摘机，其工作原理是通过振动指棒接触并敲击蓝莓植株的枝干，以此激发整个果树产生振动。假设振动指棒在旋转过程中产生的惯性力可以表示为Msrv2sinvt，则可以得到连续式收获系统的动力学方程：MtxMt=M+式中：xM为果树振动水平方向的位移(m)；vMaM为果树振动水平方向的加速度(m/s2Mt为等效质量(kg)；M为果树的质量(kg)；MS为代表振动指棒的质量(kg)；r为振动指棒转动半径(m)。由(4-25)式，得：Ax式中：Ax为树枝在水平方向上的振幅(m)；c为树枝的弹性系数(m/N)；k为黏性阻尼系数(N·s/m)。在构建蓝莓植株的力学模型时，通常首先将复杂的果树系统简化为单自由度系统，以方便进行力学分析。在理论研究阶段，常将其划分为3个主要组成部分[10]：枝干与果实部分、根系与土壤相互作用部分，以及树冠部分。在振动采摘过程中，果树不仅仅只是枝干和果实参与振动，主根系统也会伴随整个植株体系一起振动。土壤对根系的约束作用以及根系与土壤间的相互作用，会吸收和耗散一部分振动能量。基于以上现实情况，提出了一个简化的果树振动模型，该模型主要包括两个等效质量部分[10-11]：一是包含叶、果实及树干在内的树体等效质量；二是树根等效质量简化模型如图4-5所示。参考文献[10]，经过计算和分析可得出的黏性阻尼系数，得：ky=R−H式中：kdef为黏性阻尼系数理论值(N·s/m)；R为果树旋转半径(m)；h为等效振动力距地面的距离(m)；H为根部等效质量中心距地面的距离(m)；a为根部等效质量中心距旋转中心的距离(m)。根据弹性系数计算公式[13]，得：cy=c式中：cdef为弹性阻尼系数理论值(m/N)。根据果树振动旋转半径计算公式[13]，得：R=a

图4-5果树振动模型【数据来源】来自于振动式蓝莓采摘机对果实收获的影响试验。【注】①M为树体等效质量(kg)；②Mr1为树根在位置1处等效质量(kg)；③Mr2为树根在位置2处等效质量(kg)；④Mr3为树根在位置3处等效质量(kg)；⑤Mr4为树根在位置4处等效质量(kg)；⑥F为等效振动力(N)；⑦α为果树旋转角度(rad)；⑧O为果树旋转中心通过对果树振动现象的研究可知，该系统包括树体和树根2大组成部分。在探讨果树振动系统的行为时，不仅要考虑树体在振动中所经历的动态过程，还需重视树根在能量吸收方面的角色。根据公式(4-28~4-30)，树体与树根各自吸收的能量大小与它们各自的质量分布特点、树根在空间上的布局结构以及作用力作用位置等因素密切相关。经对蓝莓果树生物属性的测定[15]，得知蓝莓果实的平均质量介于0.0026~0.0033千克之间，而整棵果树的平均质量大约为10千克。树根等效质量中心距地面的平均高度（H）约为0.15米，果实等效振动力作用点距地面的平均高度（h）为0.85米，而根部等效质量中心到果树旋转中心的平均距离（a）为0.25米。另外，就果实与枝条的连接力而言，成熟果实、未成熟果实以及叶片与母枝之间的平均结合力依次为0.7N、1.2N和1.7N。为了实现有效的蓝莓采摘，可以设定振动采摘设备产生的力效仿果实果柄方向的自然离枝惯性力，其数值大小应与蓝莓成熟果实同母枝分离所需的最小力相匹配，即约为0.7N。这样的力量选择确保了在同等条件下，只会引发成熟果实的脱离，而不影响未成熟的果实和叶片。在这个原则下，找到适合蓝莓采摘的振动频率至关重要。参考文献[12-14]所提供的参数，选定kdef=9850Ns/m，cdef=6×10–6m/N，同时，振动组件的质量Ms=10.4kg，振动器旋转半径r=1m。结合蓝莓果实的生物力学属性，利用式(4-24)、(4-27)、(4-28)、(4-29)、(4-30)计算得到熟果掉落的强迫振动频率v≈24rad/s。图4-6静态位移有限元分析【数据来源】使用SolidWorks进行有限元分析所得。图4-7静态应变力有限元分析【数据来源】通过SolidWorks进行有限元分析所得。图4-8静应力有限元分析【数据来源】通过SolidWorks进行有限元分析所得。4.2章节小结本章节主要对蓝莓采摘机振动采摘的动力学特性进行了深入的分析和研究。通过动力学分析，我们能够更好地理解振动采摘过程中蓝莓果实的受力情况和脱落机理，为振动子系统的设计和优化提供理论依据。

5凸轮机构的设计5.1凸轮机构设计意义蓝莓采摘机尾部凸轮振动机构的设计对于提高采摘效率和质量至关重要。蓝莓采摘机尾部凸轮振动机构的设计目的是通过凸轮的旋转运动转化为往复振动，从而驱动采摘装置的振动，使前面振动机构未成功采摘的蓝莓果实与枝条分离[4]。这种设计可以有效提高采摘速度，同时减少对果实的损伤。5.2凸轮结构形式选择和设计参数确定5.2.1凸轮结构形式的选择为了实现采摘指排的双向摆动，采用了闭合槽型的几何凸轮构造，确保凸轮始终与滚子保持接触，从而有效地传递运动。鉴于推杆末端容易出现快速磨损的问题，设计时特意将推杆末端配置成与凸轮槽相接触的圆柱滚子结构，经过详细的设计分析，选定滚子直径为6mm，这样既可降低磨损率，又能保证高效的运动传递。根据采摘机的整体设计方案和运动性能需求，通过运动仿真分析的结果，确定了盘形凸轮的运动行程应为36mm，以确保蓝莓采摘指排能够摆动到适合的角度，进而对蓝莓植株施加恰当的摘取力度。结合凸轮滚子半径以及采摘机的整体尺寸规格，最终计算得出凸轮的基本圆半径为30mm，外圆半径为200mm，凸轮的厚度为20mm，这一系列参数共同确保了采摘机在工作过程中能够稳定、有效地完成蓝莓的振动式采摘作业。5.2.2振动传递机构的设计图5-1所示为采摘装置工作原理，1凸轮、2推杆、3摇杆组成槽型凸轮传动机构，3摇杆、4连杆、5摇杆组成双摇杆机构。在采摘机运行时，动力元件首先驱动内部的凸轮传动装置运转。凸轮又通过双摇杆机构，将凸轮的运动转化为更加灵活的摆动动作，进而引导采摘指排进行规律性的摆动。拍打树枝逐步松脱果梗与枝干之间的连接，从而实现蓝莓果实采摘。图5-1凸轮传动机构工作原理图【数据来源】使用AutoCAD软件自绘。【注】①凸轮；②推杆；③摇杆；④连杆；⑤摇杆5.2.3凸轮轮廓的设计为保证在采摘蓝莓过程中动力的输出以及降低果实采摘的破损率，要求采摘机在短时间内通过瞬态振动使蓝莓果实脱离枝头，意味着凸轮运动曲线需快速变化以产生强烈的瞬时冲击力。同时，为确保采摘机在运行时的稳定性，凸轮的速度和位移曲线需保持平滑且渐变。综合考量各项因素和设计需求，决定采用余弦曲线来塑造采摘机槽型凸轮的轮廓形状。据此，凸轮的推程和回程运动角均设定为150°，并在两端设置了30°的近休止角和远休止角。具体的凸轮运动曲线设计参数，如表5-1所示。表5-1槽型凸轮主要设计参数名称行程（mm）基圆半径（mm）外圆半径（mm）厚度（mm）数值363020020名称推程运动角（°）回程角（°）近休止角（°）远休止角（°）数值1501503030【数据来源】根据高等教育出版社《机械设计课程设计手册（第5版）》制成。依据表5-1给出的凸轮主要设计参数和凸轮轮廓曲线类型，得到槽型凸轮的运动方程为：s1=0s2=s3=s4=h式中：δ—凸轮转角；δ1δ2s1s2s3s4根据凸轮运动方程，得到槽型凸轮运动曲线，如图所示。

图5-2凸轮运动曲线【数据来源】根据蓝莓采摘机振动采摘装置凸轮机构的设计与试验制成。5.3本章小结在本章节中，深入探讨了蓝莓采摘机振动采摘凸轮的设计细节，包括凸轮结构设计的意义、凸轮结构形式选择和设计参数确定。明确了凸轮设计的基本原则，介绍了凸轮的设计流程。包括初步确定凸轮的基本参数，选择合适的运动规律，以确保指排能够按照预定的振动模式工作。

6收集系统的设计蓝莓采摘机收集系统是指蓝莓采摘机中用于收集采摘下来的蓝莓的部分。该系统主要包括收集系统和输送系统等部分。收集系统是蓝莓采摘机中最基本的收集装置，位于振动装置的下方，用于接收振动采摘下的蓝莓。传送装置则负责将收集篮中的蓝莓传送到存储装置中。传送装置的设计需要确保蓝莓在传送过程中不会掉落或受到损伤，并且能够快速、有效地将蓝莓传送到存储装置中。6.1收集装置设计接收板接收板蓝莓灌木进入图6-1收集系统结构图蓝莓灌木进入【数据来源】使用SolidWorks软件自绘。该收集系统，如图6-1所示，主要由一系列接收板、轴承和弹簧构建。接收板以层叠形式排列，接收板有一定斜度，使落下的蓝莓沿着接收板滚入输送带。在采摘作业过程中，当接收板碰触到蓝莓树枝时，可通过轴承旋转，确保能适应蓝莓树种植区域的宽度让采摘机能够顺畅通过，并在通过之后在弹簧的作用下自动复位，有效防止已摘下的蓝莓果实意外跌落。6.2传送装置设计传送装置由传送带、电机、齿轮和支撑装置等组成，如图6-2所示。传送装置分为两部分，一部分为水平传送，将蓝莓果实传送至采摘机后部，第二部分为具有一定坡度的传送带，在传送带后部放置蓝莓果实收集筐进行收集。图6-2传送装置结构图【数据来源】截取自小型化轴向振动式蓝莓采摘机设计与试验。6.3本章小结在本章节中，我们探讨了蓝莓采摘机的收集系统，它是整个采摘机中不可或缺的部分，直接关系到蓝莓采摘的效率和果实的品质。首先，我们明确了收集系统的核心功能，即快速、高效且无损地收集蓝莓果实。随后，我们重点介绍了一种基于收集装置、双传送带的蓝莓采摘机收集系统。该系统通过传送带将采摘下来的蓝莓果实迅速输送到收集箱中，实现了连续、高效的收集。综上所述，本章节对蓝莓采摘机的收集系统进行了设计。成功设计出了一种高效、实用的收集系统，为蓝莓采摘机的实际应用提供了有力支持。

7结论7.1总结本文详细探讨了振动式蓝莓采摘机的工作原理、设计优化、性能评估及其在蓝莓采摘中的应用效果。振动式蓝莓采摘机利用振动原理，通过产生特定的振动频率和幅度，使蓝莓果实与枝条发生松动并脱落，从而实现高效、自动化的采摘。首先，本文分析了振动式采摘机的振动原理和动力学特性，讨论了振动参数（如振动频率、振幅）对蓝莓采摘效果的影响，并优化了振动系统的设计，以提高采摘效率和降低果实损伤率。其次，通过试验和模拟，评估了振动式蓝莓采摘机的采摘效果。结果表明，在适当的振动参数下，振动式采摘机能够实现蓝莓果实的快速脱落，且对果实的损伤较小。同时，振动式采摘机在采摘效率上也显著优于传统手工采摘。此外，本文还探讨了振动式蓝莓采摘机在实际应用中的挑战和解决方案。例如，针对复杂果园环境中的障碍物和不规则地形，提出了改进振动系统和增加导航功能的方法，以提高采摘机的适应性和稳定性。

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