摘要：為了實現(xiàn)枸杞機械化采摘，該文研究了枸杞振動采摘機理，并建立振動采摘力學(xué)模型，分析求解得到枸杞掛果枝條受迫振動時各節(jié)點處枸杞和花朵所受慣性力的通解。運用MATLAB對振動式枸杞采摘機工作參數(shù)進行優(yōu)化和仿真試驗，優(yōu)化得到合理的迫振載荷和驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速組合，仿真試驗得到受迫振動枸杞掛果枝條各節(jié)點處枸杞與花朵所受采摘慣性力隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律仿真曲線，對轉(zhuǎn)速取值進行調(diào)整。最后進行了枸杞采摘試驗，試驗得到合理的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速為2870r/min，該轉(zhuǎn)速水平在仿真得到的合理的轉(zhuǎn)速區(qū)間為2868.84～2871.21r/min。試驗轉(zhuǎn)速為2870r/min時，成熟枸杞采摘效率為815顆/min，成熟枸杞采凈率為86.70%，未成熟枸杞采摘率為7.36%，花朵采摘率為7.43%，成熟枸杞損傷率為8.62%，機采人采效率比為5.43，試驗結(jié)果與仿真結(jié)論一致。研究結(jié)果可為枸杞振動采摘機的研制提供參考。

　　關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機械；振動；采摘；枸杞；驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速

　　0引言

　　近年來，隨著科學(xué)研究的不斷深入，枸杞在抗氧化、抗衰老、抗疲勞、保護肝臟、提高肌體免疫力、保護眼睛等方面所具有的特效功能被進一步證實[1-3]，其獨特而豐富的營養(yǎng)保健功效在西方國家逐漸得到認(rèn)可[4]，枸杞的市場需求逐年擴大。枸杞在中國西北地區(qū)，寧夏、內(nèi)蒙、甘肅、青海、陜西、山西、河北、西藏等均有分布，其中枸杞的主要產(chǎn)區(qū)為寧夏回族自治區(qū)、甘肅省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、青海省、新疆維吾爾族自治區(qū)，2013年全國枸杞種植面積1220km2，2012年干果年產(chǎn)量25.22萬t[5]。枸杞從5月中旬開始，生長期內(nèi)連續(xù)開花結(jié)果。枸杞根據(jù)年內(nèi)果實采摘時間的不同，可分為春果、夏果和秋果[6]。為了使枸杞干制后具有較好的商品性狀，在枸杞八成熟左右時進行采收[7]，每年7～9月份是枸杞盛果期，也是枸杞采摘高峰期，每隔7d左右就要采摘一次[8-9]。數(shù)百年來，枸杞的機械化采摘一直是個難題，枸杞鮮果采摘一直依靠人工，采摘效率低，采摘成本高[10]。隨著枸杞種植面積的不斷擴大，采果工將會更加緊缺，隨之而來的采摘費用也在不斷攀升，采摘問題成了制約枸杞產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的瓶頸[11-12]。研究表明：枸杞主要分布在中國，國外對枸杞采摘機械的研究尚屬空白，國內(nèi)對枸杞采摘機械的研究做了較多研究，涉及到的采摘方式有振動式、梳刷式、剪切式、氣動式等。在振動采摘方式研究方面：何軍、曹有龍研發(fā)了4ZGB－30型便攜式枸杞采摘機[13]，劉文海研發(fā)了自走式大型枸杞采摘機[14]。在梳刷采摘方式研究方面：周兵、何晶研發(fā)了模擬手枸杞采摘機[7]，武兵強、周鳳廷等研發(fā)了一種枸杞采摘器[15]。在剪切采摘方式研究方面：曾小虎設(shè)計了一種新型枸杞采摘器[16]，趙偉康等設(shè)計了滾刀式枸杞可選擇采摘機[17]。在氣動采摘方式研究方面：張換高、徐博豪設(shè)計了一種氣吸式枸杞采摘機[18]。這些采摘機大部分為小型手持式，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、便于攜帶，缺點是工作效率較低，人工依賴程度大，采摘時需要人工手持機具手柄，捕捉、固定掛果枝條并振動采摘，每小時采摘鮮果8kg左右。大型自走式枸杞采摘機研究仍處于試驗階段，技術(shù)還不成熟。因此，本文研究枸杞振動采摘機理，通過分析獲取合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，研制開發(fā)大型自走式枸杞采摘機，以期為枸杞采摘機械化發(fā)展提供參考。

　　1枸杞鮮果振動采摘模型

　　枸杞振動采摘原理如圖1所示，采摘機振動桿支架上的振動桿以正弦規(guī)律拍打枸杞掛果枝條使其受迫振動，分布在掛果枝條上的成熟枸杞、未成熟枸杞和花朵獲得振動位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)。分析枸杞鮮果生長特征及其在枝條上的分布情況，枸杞掛果枝條從枸杞樹主枝干分支出來，相對于主枝干，掛果枝條纖細(xì)且下垂，掛果枝條上較均勻地分布著節(jié)點，每個節(jié)點都可能分布著成熟枸杞、未成熟枸杞及花朵。鑒于掛果枝條在枸杞枝干均勻分布且相鄰掛果枝條的間距近似相等，為了仿真計算方便，假設(shè)掛果枝條的分布是均勻的且間距相等。同時，枸杞采摘機裝配有扶禾裝置，在對掛果枝條施加迫振載荷時扶禾裝置相對固定著枸杞樹主干，掛果枝條頂端固定在枸杞樹主干上，可近似認(rèn)為枝條頂端為全約束，其余部分自由下垂，可簡化為懸臂梁模型。如圖2所示，該懸臂梁上等距分布著k個節(jié)點，每個節(jié)點處集中質(zhì)量mi（i=1，2，...，k），g，構(gòu)成一個自由度為k的阻尼系統(tǒng)，設(shè)M、C、K分別是對稱的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣，pi為節(jié)點i處施加的作用力，N。掛果枝條所受到的迫振荷載可以表示為力的空間分布向量P={p1,p2,...,pk}T和時間函數(shù)sin(ωt)的乘積，該阻尼系統(tǒng)的強迫振動微分方程可表示為[19-21]：

　　2振動系統(tǒng)響應(yīng)分析與求解

　　下文以掛果枝條為研究對象，根據(jù)上文建立的枸杞振動采摘力學(xué)模型，求解掛果枝條各個節(jié)點上分布的成熟枸杞、未成熟枸杞及花朵分別受到的慣性力。

　　3枸杞振動采摘參數(shù)優(yōu)化與仿真試驗

　　為了對振動枸杞采摘進行參數(shù)優(yōu)化與仿真試驗[28]，需要測量枸杞植株生長特性參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，測量的品種為寧杞一號，樹齡為10a，測量的方法如下：對枸杞植株的生長特性參數(shù)用常規(guī)方法測量，采用游標(biāo)卡尺、卷尺、高精度電子稱等工具測量枝條直徑、節(jié)點距離、掛果枝條長度、枸杞及花朵質(zhì)量。用千分表（哈爾濱量具刃具集團責(zé)任有限公司，型號：Links0-1×0.001mm，量程：0～1mm，精度：0.001μm）測量掛果枝條受力狀態(tài)下的位移并計算其彈性模量[29]，用數(shù)顯式推拉力計（樂清市寶特儀器廠，型號：HP-5，量程：0～5N，精度：0.001N）測量枸杞與果柄的結(jié)合力及花朵與花柄的結(jié)合力[30]。采摘時間為2014年5月10日上午，枸杞成熟度為八成熟，測量前用抽樣的方法取10株枸杞植株作為測量對象，每株枸杞樹作為一個樣本，利用上述方法和試驗儀器得到10組試驗數(shù)據(jù)，計算得到10組數(shù)據(jù)的平均值和對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差，如表1和表2所示。

　　[參考文獻]

　　[1]郭敏，烏蘭托雅，李剛.枸杞多糖藥理作用的研究進展[J].華西藥學(xué)雜志，2013，28(6)：633－635.

　　[2]ChuPatrickHW,LiHongying,ChinManpan,etal.EffectofLyciumBarbarum(L.barbarum)polysaccharidesonpreservingretinalfunctionafterpartialopticnervetransection[J].PLoSONE,2013,12(8):1－12.

　　[3]HeNianwu,YangXingbin,JiaoYadong,etal.CharacterisationofantioxidantandantiproliferativeacidicpolysaccharidesfromLyciumbarbarumfruits[J].Foodchemistry,2012,3(133):978－989.

　　張最，肖宏儒※，丁文芹，梅松