油茶果采摘装置关键部件的设计与试验
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为 方 便 建 模 ，将 系 统 坐 标 原 点 (9设在油茶果树 纵向截面树干的延长线上，Z 轴正方向朝下；此时 油茶果树可以被分解为无限个质量连续分布的微元 段 ；设 每 个 微 兀 段 刚 度 为 n，N 'm_1) ; 阻 尼系数为c,(/=l ，…，n，N i m J ; 在激振器作用下输 出的振动响应为油茶果植株整体振动的输出 响应为％(z,〇。
茶果树枝密度，kg_nv3; P(z)为 在 Z 处油茶果树枝的
密度，kg_nr3; d w 油茶果树枝在Z 处的微元质量，
kg; /⑷为油茶果树在Z 处的惯性矩，m4。
1 . 2 油茶果树枝采摘力学模型的建立与求解
当油茶果枝所受拍打杆的作用力为
时[18〜】，油茶果植株产生振动输出响应。为便于理
论 推 导 ，研 究 时 只 考 虑 弯 曲 变 形 ，忽略油茶果树枝
安徽农业大学学报，2021,48(2): 292-298 Journal of Anhui Agricultural University [DOI] 10.13610/ki. 1672-352x.20210510.021 网络出版时间：2021-5-12 10:34:14 [URL] https:///kcms/detail/34.1162.S.20210510.2008.042.html
由图丨可知
P:
Am ~ A z„ - z,
( 1)
A(z) = / 3 Z
(2)
p {z) = p Q■A(z )
(3)
dm = p (z)dz
(4)
A\ z) I{z) 4n
(5)
式 （1) 一 （5 ) 中 为 油 茶 果 树 枝 单 位 高 度
面积衰减率，
Z,.(/=l〜m)为树枝坐标位置，
m; 為{z'=l〜m)为 对 应 Z,_处横截面积，m2; 为油
根据矮化培育油茶果植株种植特点，本研究通 过建立油茶果树枝受迫振动力学模型和求解，确定 了影响油茶果的落果影响因素；通过正交试验和综 合评分法得到了最佳的采摘组合，旨在节约成本， 为样机的制造提供指导。
1 油茶果采摘机理研究
油茶果树枝受迫振动输出响应是由稳态输出响 应和瞬态输出响应组成。因油茶果植株枝叶密集， 相互叠连存在阻尼，瞬态输出响应随着时间的延续 而衰减趋于零[15，181，因此忽略瞬态输出响应。本研 宄主要研宄油茶果受迫振动后其稳态输出响应所产 生的惯性力。 1 . 1 油茶果树枝振动几何模型的建立
离开来，设 油 茶 果 树 枝 稳 态 输 出 响 应 为
X F{ z , t ) ^ g F{ z )y/ F( t )
(1〇)
式中，g j z ：)、
分别为油茶果树枝受迫
振动幅值函数和时间函数。
294
安徽农业大学学报
2021 年
联 立 式 （1) 一 （5)、（9 ) 和 （1 0 ) 求出油茶果 树枝稳态输出响应的解为
( a ) 油茶果树枝采摘力学模型；（b) z 处微元段受力 分析。
图 1 油茶果树枝振动模型 Figure 1 Vibration model of branches of Camellia oleifera
fruit trees
联 立 式 （6) — （8 ) 求出油茶果树枝振动微分 方程为
(9) dm^ f + i [ m z ) ¥ - ] = F 〇 s 'm c ° , 式中， 〜为激振器拍打杆激振频率，Hz; F〇 为激振力，N 。 通 过 变 量 分 离 法 将 式 （6 ) 两侧均是z ，~变量分
的 剪 切 变 形 。 由 欧 拉 一 伯 努 利 梁 可 知 ：在油茶果植
株坐标位置为Z 处的横截面上取长度为&的微元段
进行分析，如 图 1 (b ) 所示，根 据 振 动 力 学 理 论
得出该微元段d w 的力学方程为
EI(z)
( 6)
dz2
Q=—
(7)
dm
dQ
( 8)
式中，£ 为油茶果树枝弹性模量，MPa; M 为 4 处的弯矩，N _m; 0 为 4 处剪切力，N 。
(1. Institute of Mechanical Engineering of Tongling College, Tongling 244061; 2. School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei 230036)
Abstract: In order to solve the problems of low picking efficiency,high labor intensity and high picking cost of Camellia oleifera fruit picking in China,a kind of Camellia oleifera fruit picking device was designed,and its key components were designed in detail.By establishing the mechanical model and solution of Camellia oleifera fruit picking,the factors affecting the picking of Camellia oleifera fruit were ing ADAMS simulation analysis,the maximum output acceleration of the exciter is 124.7 m s'2,and the maximum inertial force generated by the exciter is 10.03 bined with the results of separation force of the handle of Camellia oleifera, the rationality of the picking device parameters design is determined.The orthogonal test showed that the primary and secondary factors affecting the picking rate of Camellia oleifera were excitation frequency, excitation time and excitation amplitude successively.The primary and secondary factors affecting the bud damage rate were excita tion frequency, excitation amplitude and excitation time. The optimal parameter combination of camellia fruit picking was obtained by the comprehensive scoring method,i.e.,when the excitation time was 10 s,the excitation frequency was 15 Hz,and the excitation amplitude was 150 mm,the picking rate of camellia fruit was 85.36%, and the bud damage rate was 14.35%.
根据油茶果植株生长特性，建立油茶果树枝采 摘力学模型，如 图 1 (a ) 所示。为了便于研究，提 出如下假设t18l: ( 1 ) 将树枝末端结有油茶果部分视 为 一 质 量 团 （m，kg)，位于树梢末端。（2 ) 将油茶 果树其他部分简化为自根部到树梢横截面积依次线 性 变 化 ，质 量 连 续 分 布 均 匀 的 弹 性 体 。
并对其关鍵部件进行了详细设计。通过建立油茶果采摘力学模型和求解，得到影响油茶果的采摘因素。运 用 ADAMS
仿真分析得到激振器最大输出加速度为124.7nvs-2, 激振器产生的最大惯性力为10.03 kN; 结合油茶果果柄分离力
试 验 结 果 ，确 定 了 采 摘 装 置 参 数 设 计 的 合 理 性 。正 交 试 验 表 明 ：影 响 油 茶 果 采 摘 率 主 次 因 素 依 次 为 激 振 频 率 、激振
油茶果采摘装置关键部件的设计与试验
李 赞 松 、 曹 成 茂 2' 伍 德 林 2, 周 妍 1
( 1 . 铜陵学院机械工程学院，铜 陵 244061; 2 . 安徽农业大学工学院，合 肥 230036)
摘 要 ：为解决目前我国油茶果采摘效率低，劳动强度大，采摘成本高等问題，设计了一款油茶果采摘装置，
油茶果采摘作业主要是人工徒手采摘或半人工半机 械 采 摘 ，劳 动 强 度 大 ，采 摘 效 率 低 ，严重制约了油*
茶的产业化发展[6]。 国外对林果采摘机械研究起步早且发展快。根
据采摘原理主要分为机械振动式和气力式两种，目 前 已 广 泛 应 用 于 杏 、橄 榄 果 、开 心 果 、苹果和柑橘 等林果釆收作业[7_12】。我国林果机械的研究处于起
48卷2 期
李赞松等：油茶果采摘装置关键部件的设计与试验
293
步 阶 段 ，广 大 科 研 工 作 者 研 究 的 采 摘 方 式 主 要 是 机 械振动式，并取得了一些成果[13_16】。
随 着 油 茶 产 业 的 快 速 发 展 ，近 年 来 ，很多高校 和科研院所开始研宄油茶果的机械化采摘作业。高 自成等[17i研 发 的 油 茶 果 采 摘 机 通 过 梳 齿 将 油 茶 果 收获并且可以一次作业半颗果树。饶洪辉等⑴设计 的油茶果采摘机通过分析油茶果与胶辊相互作用力 的影响因素，确定了采摘机主要工作参数，通过试 验验证了该机的可行性。
Key words:Camellia oleifera fruit;picking mechanism;eccentric vibration;ADAMS simulation;orthogonal test
油茶(C a m 是我国特有的木本油料 作 物 ，具有很高的营养和经济价值[w i。由于油茶果 采 摘 受 季 节 性 限 制 ，适 时 采 摘 是 关 键 +51。目前我国
收稿日期：2020-05-09 基金项目：国 家 重 点 研 发 计 划 （2016YFD0702105)和 铜 陵 学 院 校 级 课 题 （2020tlxy08)共同资助。 作者简介：李赞松，助教。E-mail: zansongli@ * 通信作者：曹成茂，博士，教授，博士生导师。E-mail: caochengmao@
w )= - £ (々 9_EP- Z2)3r - n\y
丨尽•
( 11)
将 式 （1 1 ) 求二阶导数，则油茶果果实mo做受 迫振动时产生的惯性力为
F^ - rn^ t ^
9Ey/]- ^ Y
r]sin^y/ («!)^ ^ i (3^-l)2
中 图 分 类 号 ：S225.93
文 献 标 识 码 ：A
文章编号：1672-352X (2021)02-0292-07
Design and test of key components of C am ellia oleifera fruit picking device
LI Zansong 1,CAO Chengmao2,WU Delin2,ZHOU Yan1
时间和激振幅值；影响花苞损伤率主次因素依次为激振频率、激振幅值和激振时间。采用综合评分法得到了油茶果
采摘最佳参数组合，即 激 振 时 间 为 10s、激 振 频 率 为 15 Hz、激 振 幅 值 为 150m m 时，此时油茶果的采摘率为85.36%,
花 苞 损 伤 率 为 14.35% 。
关 键 词 ：油 茶 果 ：采 摘 机 理 ：偏 心 振 动 式 ：A D A M S 仿 真 ；正交试验
茶果树枝密度，kg_nv3; P(z)为 在 Z 处油茶果树枝的
密度，kg_nr3; d w 油茶果树枝在Z 处的微元质量，
kg; /⑷为油茶果树在Z 处的惯性矩，m4。
1 . 2 油茶果树枝采摘力学模型的建立与求解
当油茶果枝所受拍打杆的作用力为
时[18〜】，油茶果植株产生振动输出响应。为便于理
论 推 导 ，研 究 时 只 考 虑 弯 曲 变 形 ，忽略油茶果树枝
安徽农业大学学报，2021,48(2): 292-298 Journal of Anhui Agricultural University [DOI] 10.13610/ki. 1672-352x.20210510.021 网络出版时间：2021-5-12 10:34:14 [URL] https:///kcms/detail/34.1162.S.20210510.2008.042.html
由图丨可知
P:
Am ~ A z„ - z,
( 1)
A(z) = / 3 Z
(2)
p {z) = p Q■A(z )
(3)
dm = p (z)dz
(4)
A\ z) I{z) 4n
(5)
式 （1) 一 （5 ) 中 为 油 茶 果 树 枝 单 位 高 度
面积衰减率，
Z,.(/=l〜m)为树枝坐标位置，
m; 為{z'=l〜m)为 对 应 Z,_处横截面积，m2; 为油
根据矮化培育油茶果植株种植特点，本研究通 过建立油茶果树枝受迫振动力学模型和求解，确定 了影响油茶果的落果影响因素；通过正交试验和综 合评分法得到了最佳的采摘组合，旨在节约成本， 为样机的制造提供指导。
1 油茶果采摘机理研究
油茶果树枝受迫振动输出响应是由稳态输出响 应和瞬态输出响应组成。因油茶果植株枝叶密集， 相互叠连存在阻尼，瞬态输出响应随着时间的延续 而衰减趋于零[15，181，因此忽略瞬态输出响应。本研 宄主要研宄油茶果受迫振动后其稳态输出响应所产 生的惯性力。 1 . 1 油茶果树枝振动几何模型的建立
离开来，设 油 茶 果 树 枝 稳 态 输 出 响 应 为
X F{ z , t ) ^ g F{ z )y/ F( t )
(1〇)
式中，g j z ：)、
分别为油茶果树枝受迫
振动幅值函数和时间函数。
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安徽农业大学学报
2021 年
联 立 式 （1) 一 （5)、（9 ) 和 （1 0 ) 求出油茶果 树枝稳态输出响应的解为
( a ) 油茶果树枝采摘力学模型；（b) z 处微元段受力 分析。
图 1 油茶果树枝振动模型 Figure 1 Vibration model of branches of Camellia oleifera
fruit trees
联 立 式 （6) — （8 ) 求出油茶果树枝振动微分 方程为
(9) dm^ f + i [ m z ) ¥ - ] = F 〇 s 'm c ° , 式中， 〜为激振器拍打杆激振频率，Hz; F〇 为激振力，N 。 通 过 变 量 分 离 法 将 式 （6 ) 两侧均是z ，~变量分
的 剪 切 变 形 。 由 欧 拉 一 伯 努 利 梁 可 知 ：在油茶果植
株坐标位置为Z 处的横截面上取长度为&的微元段
进行分析，如 图 1 (b ) 所示，根 据 振 动 力 学 理 论
得出该微元段d w 的力学方程为
EI(z)
( 6)
dz2
Q=—
(7)
dm
dQ
( 8)
式中，£ 为油茶果树枝弹性模量，MPa; M 为 4 处的弯矩，N _m; 0 为 4 处剪切力，N 。
(1. Institute of Mechanical Engineering of Tongling College, Tongling 244061; 2. School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei 230036)
Abstract: In order to solve the problems of low picking efficiency,high labor intensity and high picking cost of Camellia oleifera fruit picking in China,a kind of Camellia oleifera fruit picking device was designed,and its key components were designed in detail.By establishing the mechanical model and solution of Camellia oleifera fruit picking,the factors affecting the picking of Camellia oleifera fruit were ing ADAMS simulation analysis,the maximum output acceleration of the exciter is 124.7 m s'2,and the maximum inertial force generated by the exciter is 10.03 bined with the results of separation force of the handle of Camellia oleifera, the rationality of the picking device parameters design is determined.The orthogonal test showed that the primary and secondary factors affecting the picking rate of Camellia oleifera were excitation frequency, excitation time and excitation amplitude successively.The primary and secondary factors affecting the bud damage rate were excita tion frequency, excitation amplitude and excitation time. The optimal parameter combination of camellia fruit picking was obtained by the comprehensive scoring method,i.e.,when the excitation time was 10 s,the excitation frequency was 15 Hz,and the excitation amplitude was 150 mm,the picking rate of camellia fruit was 85.36%, and the bud damage rate was 14.35%.
根据油茶果植株生长特性，建立油茶果树枝采 摘力学模型，如 图 1 (a ) 所示。为了便于研究，提 出如下假设t18l: ( 1 ) 将树枝末端结有油茶果部分视 为 一 质 量 团 （m，kg)，位于树梢末端。（2 ) 将油茶 果树其他部分简化为自根部到树梢横截面积依次线 性 变 化 ，质 量 连 续 分 布 均 匀 的 弹 性 体 。
并对其关鍵部件进行了详细设计。通过建立油茶果采摘力学模型和求解，得到影响油茶果的采摘因素。运 用 ADAMS
仿真分析得到激振器最大输出加速度为124.7nvs-2, 激振器产生的最大惯性力为10.03 kN; 结合油茶果果柄分离力
试 验 结 果 ，确 定 了 采 摘 装 置 参 数 设 计 的 合 理 性 。正 交 试 验 表 明 ：影 响 油 茶 果 采 摘 率 主 次 因 素 依 次 为 激 振 频 率 、激振
油茶果采摘装置关键部件的设计与试验
李 赞 松 、 曹 成 茂 2' 伍 德 林 2, 周 妍 1
( 1 . 铜陵学院机械工程学院，铜 陵 244061; 2 . 安徽农业大学工学院，合 肥 230036)
摘 要 ：为解决目前我国油茶果采摘效率低，劳动强度大，采摘成本高等问題，设计了一款油茶果采摘装置，
油茶果采摘作业主要是人工徒手采摘或半人工半机 械 采 摘 ，劳 动 强 度 大 ，采 摘 效 率 低 ，严重制约了油*
茶的产业化发展[6]。 国外对林果采摘机械研究起步早且发展快。根
据采摘原理主要分为机械振动式和气力式两种，目 前 已 广 泛 应 用 于 杏 、橄 榄 果 、开 心 果 、苹果和柑橘 等林果釆收作业[7_12】。我国林果机械的研究处于起
48卷2 期
李赞松等：油茶果采摘装置关键部件的设计与试验
293
步 阶 段 ，广 大 科 研 工 作 者 研 究 的 采 摘 方 式 主 要 是 机 械振动式，并取得了一些成果[13_16】。
随 着 油 茶 产 业 的 快 速 发 展 ，近 年 来 ，很多高校 和科研院所开始研宄油茶果的机械化采摘作业。高 自成等[17i研 发 的 油 茶 果 采 摘 机 通 过 梳 齿 将 油 茶 果 收获并且可以一次作业半颗果树。饶洪辉等⑴设计 的油茶果采摘机通过分析油茶果与胶辊相互作用力 的影响因素，确定了采摘机主要工作参数，通过试 验验证了该机的可行性。
Key words:Camellia oleifera fruit;picking mechanism;eccentric vibration;ADAMS simulation;orthogonal test
油茶(C a m 是我国特有的木本油料 作 物 ，具有很高的营养和经济价值[w i。由于油茶果 采 摘 受 季 节 性 限 制 ，适 时 采 摘 是 关 键 +51。目前我国
收稿日期：2020-05-09 基金项目：国 家 重 点 研 发 计 划 （2016YFD0702105)和 铜 陵 学 院 校 级 课 题 （2020tlxy08)共同资助。 作者简介：李赞松，助教。E-mail: zansongli@ * 通信作者：曹成茂，博士，教授，博士生导师。E-mail: caochengmao@
w )= - £ (々 9_EP- Z2)3r - n\y
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( 11)
将 式 （1 1 ) 求二阶导数，则油茶果果实mo做受 迫振动时产生的惯性力为
F^ - rn^ t ^
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中 图 分 类 号 ：S225.93
文 献 标 识 码 ：A
文章编号：1672-352X (2021)02-0292-07
Design and test of key components of C am ellia oleifera fruit picking device
LI Zansong 1,CAO Chengmao2,WU Delin2,ZHOU Yan1
时间和激振幅值；影响花苞损伤率主次因素依次为激振频率、激振幅值和激振时间。采用综合评分法得到了油茶果
采摘最佳参数组合，即 激 振 时 间 为 10s、激 振 频 率 为 15 Hz、激 振 幅 值 为 150m m 时，此时油茶果的采摘率为85.36%,
花 苞 损 伤 率 为 14.35% 。
关 键 词 ：油 茶 果 ：采 摘 机 理 ：偏 心 振 动 式 ：A D A M S 仿 真 ；正交试验