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蓝莓植株多自由度系统振动建模及仿真研究

王海滨  
【摘要】:蓝莓由于其卓越的保健与药用价值近来备受推崇,被美国农业专家预测为21世纪最具发展潜力的果树树种,其营养价值远高于苹果、葡萄、橘子等水果,被称为“世界水果之王”,被联合国粮农组织(FAO)确定为人类21世纪健康食品。栽培蓝莓的经济效益十分显著,扩大种植面积是一种必然趋势,但由于我国完全依靠人工采摘,而且蓝莓成熟期短,采摘劳动强度大、效率低,常因无法及时收获造成浪费,蓝莓种植规模和种植面积亦受到限制。发展蓝莓机械采摘,成为我国蓝莓产业的迫切需求和必然趋势。为研制蓝莓采摘机械,需要计算采摘激振力,研究产生采摘激振力的采摘装置以及采摘装置作用下的植株振动规律,探索并完善蓝莓采摘振动理论。首先分析蓝莓植株生长规律和修剪后蓝莓植株生长结构,以此为基础建立蓝莓植株物理模型,在绝对坐标系和各分支坐标系下建立蓝莓植株数学模型。以蓝莓植株数学模型为基础,采用线性多自由度振动理论建立蓝莓植株多自由度振动模型,寻求合适的本征函数求解多自由度系统振动模型各阶固有频率对应的主振型,通过对振动模型正交变换、正则变换,利用杜哈梅积分求解得到点作用阶跃激振力和点作用非周期激振力作用下的蓝莓植株多自由度振动模型各阶固有频率对应的正则模态响应积分式,完成对蓝莓植株多自由度振动模型的解算。分析不同类型激振力作用下的蓝莓植株振动形态,对振动形态分类并分别建立振动方程,利用蓝莓植株振动正则模态响应积分式求解振动方程,得到蓝莓植株各级分枝振动输出响应,为求解蓝莓果实采摘振动力奠定基础。根据点作用瞬态激振力和点作用周期激振力作用于蓝莓植株时蓝莓果实的振动形态,利用各分枝坐标转换矩阵和蓝莓植株各级分枝振动响应求解长有蓝莓果实的末枝相对于地面的振动输出响应;利用拉格朗日方程建立蓝莓果实振动方程,求解蓝莓果实相对于末枝的振动输出响应,进而得到蓝莓果实相对于地面的振动输出响应。通过对蓝莓果实受力分析,求解点作用瞬态激振力和点作用周期激振力作用于蓝莓植株时对蓝莓果实产生的采摘振动力。分析采摘装置工作原理,利用“给定行程速比法”和“图解法”优化设计采摘装置传动机构,并对传动机构进行运动学分析;对采摘装置末端执行元件进行动力学分析,优化设计并选择采摘装置驱动元件,计算采摘机工作时采摘装置输出的采摘激振力大小。分析采摘装置与蓝莓植株相互作用过程,通过采摘装置与蓝莓植株坐标转换矩阵,求解得到二者相互作用时在蓝莓植株各分枝作用点形成的采摘激振力,根据采摘激振力求解采摘装置作用于蓝莓植株时对蓝莓果实产生的采摘振动力。利用“正交试验法”设计采摘装置工作参数组合,以蓝莓果实采摘质量和采摘效率为目标,进行采摘机工作参数正交试验,分析采摘机工作参数对蓝莓果实采摘质量和采摘效率的影响,确定最佳工作参数。以最佳工作参数进行蓝莓采摘试验,统计分析蓝莓果实采摘质量和采摘效率,评价采摘装置最佳工作参数的采摘质量。


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