基于能量传递与树体响应的油茶果冠层振动参数优化与试验

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随着油茶产业快速发展,油茶果机械化采摘过程中实现较高采摘率的同时保证树体不受到损害具有重要的意义。本文通过对树枝上能量传递规律和应变响应以及果实脱落情况进行研究和分析,在达到较高采摘率的同时保证树枝在可承受范围内,得到了最佳作业参数,为油茶果冠层振动采收参数提供一定的参考,主要研究成果有如下几点:(1)通过前期调研测量了油茶果实与树体的生物参数与固有特性。对不同品种油茶果的结合力进行测量发现果实的抗拉力要大于其抗剪力和抗扭力。通过力锤试验和三点弯曲试验得到了树枝的固有频率、阻尼系数以及抗弯弹性模量,确定了本文试验所选用的振动频率为3Hz、5Hz、7Hz、9Hz,建立了树枝弹性极限弯曲应变与树枝直径的关系表达式,为研究树体振动过程中的弯曲变形提供参考。(2)根据树体结构建立了果实与树枝的双摆动力学模型、树枝质量-弹簧-阻尼模型和有限元模型。分析了长林4号果实的脱落加速度条件为761.9m/s~2。利用矩阵反演法进行林间作用力标定试验确定了采摘机不同频率和振幅下与树枝作用力的大小并发现50、60、70mm振幅时的振动效果较好。通过ANSYS瞬态动力学分析,发现频率9Hz时作用力所在二级侧枝与一级侧枝连接点附近树枝上的应变超过弹性极限。(3)仿真分析了振动采摘时的树体能量传递和采收效果。将果实与树枝双摆模型的运动方程与整树质量-弹簧-阻尼模型的运动方程通过simulink进行结合并仿真,发现树枝上的能量随着作用频率和振幅的增大而增大。设主干能量占作用枝的比重为能量利用率,发现随着频率和振幅的增大能量利用率均增大。在作用频率7Hz振幅50、60、70mm和频率9Hz振幅50、60、70mm下作用枝上的大部分果实达到脱落条件可以顺利脱落,但其他挂果枝脱落效果较差。(4)利用采摘机进行林间振动采收试验验证了模型的准确性。选取了果实成熟度较高、树枝结构清晰的长林4号油茶树,根据仿真结果选用频率5、7、9Hz,振幅50、60、70mm的作业参数进行振动试验。在树上设定16个测量点布置传感器,统计果实的脱落情况并利用所建立的弹性极限弯曲应变与树枝直径的关系式,发现树枝的能量传递规律、果实脱落情况以及树枝弯曲应变情况与仿真结果一致。结合能量利用效率、果实脱落率与树枝的应变情况得出了最优的油茶果冠层振动作业参数为频率7Hz振幅70mm。
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