摘要：為了實現枸杞機械化采摘，該文研究了枸杞振動采摘機理，并建立振動采摘力學模型，分析求解得到枸杞掛果枝條受迫振動時各節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進行優化和仿真試驗，優化得到合理的迫振載荷和驅動輪轉速組合，仿真試驗得到受迫振動枸杞掛果枝條各節點處枸杞與花朵所受采摘慣性力隨轉速變化規律仿真曲線，對轉速取值進行調整。最后進行了枸杞采摘試驗，試驗得到合理的驅動輪轉速為2870r/min，該轉速水平在仿真得到的合理的轉速區間為2868.84～2871.21r/min。試驗轉速為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，試驗結果與仿真結論一致。研究結果可為枸杞振動采摘機的研制提供參考。

　　關鍵詞：農業機械；振動；采摘；枸杞；驅動輪轉速

　　0引言

　　近年來，隨著科學研究的不斷深入，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保健功效在西方國家逐漸得到認可[4]，枸杞的市場需求逐年擴大。枸杞在中國西北地區，寧夏、內蒙、甘肅、青海、陜西、山西、河北、西藏等均有分布，其中枸杞的主要產區為寧夏回族自治區、甘肅省、內蒙古自治區、青海省、新疆維吾爾族自治區，2013年全國枸杞種植面積1220km2，2012年干果年產量25.22萬t[5]。枸杞從5月中旬開始，生長期內連續開花結果。枸杞根據年內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業持續發展的瓶頸[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、曹有龍研發了4ZGB－30型便攜式枸杞采摘機[13]，劉文海研發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、何晶研發了模擬手枸杞采摘機[7]，武兵強、周鳳廷等研發了一種枸杞采摘器[15]。在剪切采摘方式研究方面：曾小虎設計了一種新型枸杞采摘器[16]，趙偉康等設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，優點是結構簡單、體積小、質量輕、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構參數和工作參數，研制開發大型自走式枸杞采摘機，以期為枸杞采摘機械化發展提供參考。

　　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和加速度響應。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，掛果枝條纖細且下垂，掛果枝條上較均勻地分布著節點，每個節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個節點，每個節點處集中質量mi（i=1，2，...，k），g，構成一個自由度為k的阻尼系統，設M、C、K分別是對稱的質量、阻尼和剛度矩陣，pi為節點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sin(ωt)的乘積，該阻尼系統的強迫振動微分方程可表示為[19-21]：

　　2振動系統響應分析與求解

　　下文以掛果枝條為研究對象，根據上文建立的枸杞振動采摘力學模型，求解掛果枝條各個節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枸杞振動采摘參數優化與仿真試驗

　　為了對振動枸杞采摘進行參數優化與仿真試驗[28]，需要測量枸杞植株生長特性參數和力學參數，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用常規方法測量，采用游標卡尺、卷尺、高精度電子稱等工具測量枝條直徑、節點距離、掛果枝條長度、枸杞及花朵質量。用千分表（哈爾濱量具刃具集團責任有限公司，型號：Links0-1×0.001mm，量程：0～1mm，精度：0.001μm）測量掛果枝條受力狀態下的位移并計算其彈性模量[29]，用數顯式推拉力計（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合力及花朵與花柄的結合力[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組試驗數據，計算得到10組數據的平均值和對應的標準差，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