⑨θ為擺角(rad)由(4-23)式可知，漿果脫落時，因其自振頻率遠(yuǎn)低于外界強(qiáng)迫振動頻率，故在分析振動行為時可忽略其自身自由振動的影響，即視為僅發(fā)生強(qiáng)迫振動，此時自由振動分量可設(shè)為ω=0，則：Fn=ml式中：Fn為慣性力沿著果梗方向的分力(N)。在振動采摘技術(shù)的應(yīng)用中，可以將果實、果梗以及連帶的側(cè)枝視為一個動態(tài)運作的單擺系統(tǒng)。當(dāng)果實處于振動狀態(tài)時，果梗承受的沿著果梗方向（軸向）的拉力若增大至超過果梗與果實連接處的黏附力或剪切力閾值時，果實便會從果梗上自然脫落。根據(jù)公式(4-24)的表述，軸向拉力的大小不僅與果實本身的質(zhì)量相關(guān)，還與外部施加的振動頻率緊密相連，振動頻率的選擇及其與果實固有特性的匹配程度直接影響采摘效率與果實品質(zhì)。在藍(lán)莓采摘過程中，考慮到所使用的是一種接觸式的旋轉(zhuǎn)振動采摘機(jī)，其工作原理是通過振動指棒接觸并敲擊藍(lán)莓植株的枝干，以此激發(fā)整個果樹產(chǎn)生振動。假設(shè)振動指棒在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的慣性力可以表示為Msrv2sinvt，則可以得到連續(xù)式收獲系統(tǒng)的動力學(xué)方程：MtxMt=M+式中：xM為果樹振動水平方向的位移(m)；vMaM為果樹振動水平方向的加速度(m/s2Mt為等效質(zhì)量(kg)；M為果樹的質(zhì)量(kg)；MS為代表振動指棒的質(zhì)量(kg)；r為振動指棒轉(zhuǎn)動半徑(m)。由(4-25)式，得：Ax式中：Ax為樹枝在水平方向上的振幅(m)；c為樹枝的彈性系數(shù)(m/N)；k為黏性阻尼系數(shù)(N·s/m)。在構(gòu)建藍(lán)莓植株的力學(xué)模型時，通常首先將復(fù)雜的果樹系統(tǒng)簡化為單自由度系統(tǒng)，以方便進(jìn)行力學(xué)分析。在理論研究階段，常將其劃分為3個主要組成部分[10]：枝干與果實部分、根系與土壤相互作用部分，以及樹冠部分。在振動采摘過程中，果樹不僅僅只是枝干和果實參與振動，主根系統(tǒng)也會伴隨整個植株體系一起振動。土壤對根系的約束作用以及根系與土壤間的相互作用，會吸收和耗散一部分振動能量?；谝陨犀F(xiàn)實情況，提出了一個簡化的果樹振動模型，該模型主要包括兩個等效質(zhì)量部分[10-11]：一是包含葉、果實及樹干在內(nèi)的樹體等效質(zhì)量；二是樹根等效質(zhì)量簡化模型如圖4-5所示。參考文獻(xiàn)[10]，經(jīng)過計算和分析可得出的黏性阻尼系數(shù)，得：ky=R?H式中：kdef為黏性阻尼系數(shù)理論值(N·s/m)；R為果樹旋轉(zhuǎn)半徑(m)；h為等效振動力距地面的距離(m)；H為根部等效質(zhì)量中心距地面的距離(m)；a為根部等效質(zhì)量中心距旋轉(zhuǎn)中心的距離(m)。根據(jù)彈性系數(shù)計算公式[13]，得：cy=c式中：cdef為彈性阻尼系數(shù)理論值(m/N)。根據(jù)果樹振動旋轉(zhuǎn)半徑計算公式[13]，得：R=a

圖4-5果樹振動模型【數(shù)據(jù)來源】來自于振動式藍(lán)莓采摘機(jī)對果實收獲的影響試驗?！咀ⅰ竣費為樹體等效質(zhì)量(kg)；②Mr1為樹根在位置1處等效質(zhì)量(kg)；③Mr2為樹根在位置2處等效質(zhì)量(kg)；④Mr3為樹根在位置3處等效質(zhì)量(kg)；⑤Mr4為樹根在位置4處等效質(zhì)量(kg)；⑥F為等效振動力(N)；⑦α為果樹旋轉(zhuǎn)角度(rad)；⑧O為果樹旋轉(zhuǎn)中心通過對果樹振動現(xiàn)象的研究可知，該系統(tǒng)包括樹體和樹根2大組成部分。在探討果樹振動系統(tǒng)的行為時，不僅要考慮樹體在振動中所經(jīng)歷的動態(tài)過程，還需重視樹根在能量吸收方面的角色。根據(jù)公式(4-28~4-30)，樹體與樹根各自吸收的能量大小與它們各自的質(zhì)量分布特點、樹根在空間上的布局結(jié)構(gòu)以及作用力作用位置等因素密切相關(guān)。經(jīng)對藍(lán)莓果樹生物屬性的測定[15]，得知藍(lán)莓果實的平均質(zhì)量介于0.0026~0.0033千克之間，而整棵果樹的平均質(zhì)量大約為10千克。樹根等效質(zhì)量中心距地面的平均高度（H）約為0.15米，果實等效振動力作用點距地面的平均高度（h）為0.85米，而根部等效質(zhì)量中心到果樹旋轉(zhuǎn)中心的平均距離（a）為0.25米。另外，就果實與枝條的連接力而言，成熟果實、未成熟果實以及葉片與母枝之間的平均結(jié)合力依次為0.7N、1.2N和1.7N。為了實現(xiàn)有效的藍(lán)莓采摘，可以設(shè)定振動采摘設(shè)備產(chǎn)生的力效仿果實果柄方向的自然離枝慣性力，其數(shù)值大小應(yīng)與藍(lán)莓成熟果實同母枝分離所需的最小力相匹配，即約為0.7N。這樣的力量選擇確保了在同等條件下，只會引發(fā)成熟果實的脫離，而不影響未成熟的果實和葉片。在這個原則下，找到適合藍(lán)莓采摘的振動頻率至關(guān)重要。參考文獻(xiàn)[12-14]所提供的參數(shù)，選定kdef=9850Ns/m，cdef=6×10–6m/N，同時，振動組件的質(zhì)量Ms=10.4kg，振動器旋轉(zhuǎn)半徑r=1m。結(jié)合藍(lán)莓果實的生物力學(xué)屬性，利用式(4-24)、(4-27)、(4-28)、(4-29)、(4-30)計算得到熟果掉落的強(qiáng)迫振動頻率v≈24rad/s。圖4-6靜態(tài)位移有限元分析【數(shù)據(jù)來源】使用SolidWorks進(jìn)行有限元分析所得。圖4-7靜態(tài)應(yīng)變力有限元分析【數(shù)據(jù)來源】通過SolidWorks進(jìn)行有限元分析所得。圖4-8靜應(yīng)力有限元分析【數(shù)據(jù)來源】通過SolidWorks進(jìn)行有限元分析所得。4.2章節(jié)小結(jié)本章節(jié)主要對藍(lán)莓采摘機(jī)振動采摘的動力學(xué)特性進(jìn)行了深入的分析和研究。通過動力學(xué)分析，我們能夠更好地理解振動采摘過程中藍(lán)莓果實的受力情況和脫落機(jī)理，為振動子系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

5凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計5.1凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計意義藍(lán)莓采摘機(jī)尾部凸輪振動機(jī)構(gòu)的設(shè)計對于提高采摘效率和質(zhì)量至關(guān)重要。藍(lán)莓采摘機(jī)尾部凸輪振動機(jī)構(gòu)的設(shè)計目的是通過凸輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為往復(fù)振動，從而驅(qū)動采摘裝置的振動，使前面振動機(jī)構(gòu)未成功采摘的藍(lán)莓果實與枝條分離[4]。這種設(shè)計可以有效提高采摘速度，同時減少對果實的損傷。5.2凸輪結(jié)構(gòu)形式選擇和設(shè)計參數(shù)確定5.2.1凸輪結(jié)構(gòu)形式的選擇為了實現(xiàn)采摘指排的雙向擺動，采用了閉合槽型的幾何凸輪構(gòu)造，確保凸輪始終與滾子保持接觸，從而有效地傳遞運動。鑒于推桿末端容易出現(xiàn)快速磨損的問題，設(shè)計時特意將推桿末端配置成與凸輪槽相接觸的圓柱滾子結(jié)構(gòu)，經(jīng)過詳細(xì)的設(shè)計分析，選定滾子直徑為6mm，這樣既可降低磨損率，又能保證高效的運動傳遞。根據(jù)采摘機(jī)的整體設(shè)計方案和運動性能需求，通過運動仿真分析的結(jié)果，確定了盤形凸輪的運動行程應(yīng)為36mm，以確保藍(lán)莓采摘指排能夠擺動到適合的角度，進(jìn)而對藍(lán)莓植株施加恰當(dāng)?shù)恼×Χ?。結(jié)合凸輪滾子半徑以及采摘機(jī)的整體尺寸規(guī)格，最終計算得出凸輪的基本圓半徑為30mm，外圓半徑為200mm，凸輪的厚度為20mm，這一系列參數(shù)共同確保了采摘機(jī)在工作過程中能夠穩(wěn)定、有效地完成藍(lán)莓的振動式采摘作業(yè)。5.2.2振動傳遞機(jī)構(gòu)的設(shè)計圖5-1所示為采摘裝置工作原理，1凸輪、2推桿、3搖桿組成槽型凸輪傳動機(jī)構(gòu)，3搖桿、4連桿、5搖桿組成雙搖桿機(jī)構(gòu)。在采摘機(jī)運行時，動力元件首先驅(qū)動內(nèi)部的凸輪傳動裝置運轉(zhuǎn)。凸輪又通過雙搖桿機(jī)構(gòu)，將凸輪的運動轉(zhuǎn)化為更加靈活的擺動動作，進(jìn)而引導(dǎo)采摘指排進(jìn)行規(guī)律性的擺動。拍打樹枝逐步松脫果梗與枝干之間的連接，從而實現(xiàn)藍(lán)莓果實采摘。圖5-1凸輪傳動機(jī)構(gòu)工作原理圖【數(shù)據(jù)來源】使用AutoCAD軟件自繪?！咀ⅰ竣偻馆?；②推桿；③搖桿；④連桿；⑤搖桿5.2.3凸輪輪廓的設(shè)計為保證在采摘藍(lán)莓過程中動力的輸出以及降低果實采摘的破損率，要求采摘機(jī)在短時間內(nèi)通過瞬態(tài)振動使藍(lán)莓果實脫離枝頭，意味著凸輪運動曲線需快速變化以產(chǎn)生強(qiáng)烈的瞬時沖擊力。同時，為確保采摘機(jī)在運行時的穩(wěn)定性，凸輪的速度和位移曲線需保持平滑且漸變。綜合考量各項因素和設(shè)計需求，決定采用余弦曲線來塑造采摘機(jī)槽型凸輪的輪廓形狀。據(jù)此，凸輪的推程和回程運動角均設(shè)定為150°，并在兩端設(shè)置了30°的近休止角和遠(yuǎn)休止角。具體的凸輪運動曲線設(shè)計參數(shù)，如表5-1所示。表5-1槽型凸輪主要設(shè)計參數(shù)名稱行程（mm）基圓半徑（mm）外圓半徑（mm）厚度（mm）數(shù)值363020020名稱推程運動角（°）回程角（°）近休止角（°）遠(yuǎn)休止角（°）數(shù)值1501503030【數(shù)據(jù)來源】根據(jù)高等教育出版社《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊（第5版）》制成。依據(jù)表5-1給出的凸輪主要設(shè)計參數(shù)和凸輪輪廓曲線類型，得到槽型凸輪的運動方程為：s1=0s2=s3=s4=h式中：δ—凸輪轉(zhuǎn)角；δ1δ2s1s2s3s4根據(jù)凸輪運動方程，得到槽型凸輪運動曲線，如圖所示。

圖5-2凸輪運動曲線【數(shù)據(jù)來源】根據(jù)藍(lán)莓采摘機(jī)振動采摘裝置凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計與試驗制成。5.3本章小結(jié)在本章節(jié)中，深入探討了藍(lán)莓采摘機(jī)振動采摘凸輪的設(shè)計細(xì)節(jié)，包括凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計的意義、凸輪結(jié)構(gòu)形式選擇和設(shè)計參數(shù)確定。明確了凸輪設(shè)計的基本原則，介紹了凸輪的設(shè)計流程。包括初步確定凸輪的基本參數(shù)，選擇合適的運動規(guī)律，以確保指排能夠按照預(yù)定的振動模式工作。

6收集系統(tǒng)的設(shè)計藍(lán)莓采摘機(jī)收集系統(tǒng)是指藍(lán)莓采摘機(jī)中用于收集采摘下來的藍(lán)莓的部分。該系統(tǒng)主要包括收集系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)等部分。收集系統(tǒng)是藍(lán)莓采摘機(jī)中最基本的收集裝置，位于振動裝置的下方，用于接收振動采摘下的藍(lán)莓。傳送裝置則負(fù)責(zé)將收集籃中的藍(lán)莓傳送到存儲裝置中。傳送裝置的設(shè)計需要確保藍(lán)莓在傳送過程中不會掉落或受到損傷，并且能夠快速、有效地將藍(lán)莓傳送到存儲裝置中。6.1收集裝置設(shè)計接收板接收板藍(lán)莓灌木進(jìn)入圖6-1收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖藍(lán)莓灌木進(jìn)入【數(shù)據(jù)來源】使用SolidWorks軟件自繪。該收集系統(tǒng)，如圖6-1所示，主要由一系列接收板、軸承和彈簧構(gòu)建。接收板以層疊形式排列，接收板有一定斜度，使落下的藍(lán)莓沿著接收板滾入輸送帶。在采摘作業(yè)過程中，當(dāng)接收板碰觸到藍(lán)莓樹枝時，可通過軸承旋轉(zhuǎn)，確保能適應(yīng)藍(lán)莓樹種植區(qū)域的寬度讓采摘機(jī)能夠順暢通過，并在通過之后在彈簧的作用下自動復(fù)位，有效防止已摘下的藍(lán)莓果實意外跌落。6.2傳送裝置設(shè)計傳送裝置由傳送帶、電機(jī)、齒輪和支撐裝置等組成，如圖6-2所示。傳送裝置分為兩部分，一部分為水平傳送，將藍(lán)莓果實傳送至采摘機(jī)后部，第二部分為具有一定坡度的傳送帶，在傳送帶后部放置藍(lán)莓果實收集筐進(jìn)行收集。圖6-2傳送裝置結(jié)構(gòu)圖【數(shù)據(jù)來源】截取自小型化軸向振動式藍(lán)莓采摘機(jī)設(shè)計與試驗。6.3本章小結(jié)在本章節(jié)中，我們探討了藍(lán)莓采摘機(jī)的收集系統(tǒng)，它是整個采摘機(jī)中不可或缺的部分，直接關(guān)系到藍(lán)莓采摘的效率和果實的品質(zhì)。首先，我們明確了收集系統(tǒng)的核心功能，即快速、高效且無損地收集藍(lán)莓果實。隨后，我們重點介紹了一種基于收集裝置、雙傳送帶的藍(lán)莓采摘機(jī)收集系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳送帶將采摘下來的藍(lán)莓果實迅速輸送到收集箱中，實現(xiàn)了連續(xù)、高效的收集。綜上所述，本章節(jié)對藍(lán)莓采摘機(jī)的收集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。成功設(shè)計出了一種高效、實用的收集系統(tǒng)，為藍(lán)莓采摘機(jī)的實際應(yīng)用提供了有力支持。

7結(jié)論7.1總結(jié)本文詳細(xì)探討了振動式藍(lán)莓采摘機(jī)的工作原理、設(shè)計優(yōu)化、性能評估及其在藍(lán)莓采摘中的應(yīng)用效果。振動式藍(lán)莓采摘機(jī)利用振動原理，通過產(chǎn)生特定的振動頻率和幅度，使藍(lán)莓果實與枝條發(fā)生松動并脫落，從而實現(xiàn)高效、自動化的采摘。首先，本文分析了振動式采摘機(jī)的振動原理和動力學(xué)特性，討論了振動參數(shù)（如振動頻率、振幅）對藍(lán)莓采摘效果的影響，并優(yōu)化了振動系統(tǒng)的設(shè)計，以提高采摘效率和降低果實損傷率。其次，通過試驗和模擬，評估了振動式藍(lán)莓采摘機(jī)的采摘效果。結(jié)果表明，在適當(dāng)?shù)恼駝訁?shù)下，振動式采摘機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)藍(lán)莓果實的快速脫落，且對果實的損傷較小。同時，振動式采摘機(jī)在采摘效率上也顯著優(yōu)于傳統(tǒng)手工采摘。此外，本文還探討了振動式藍(lán)莓采摘機(jī)在實際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)和解決方案。例如，針對復(fù)雜果園環(huán)境中的障礙物和不規(guī)則地形，提出了改進(jìn)振動系統(tǒng)和增加導(dǎo)航功能的方法，以提高采摘機(jī)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

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