油茶树在激励作用下的振动传递特性

《Computers and Electronics in Agriculture》：Vibration transmission characteristics of Camellia oleifera tree under excitation

油茶振动收获效率受振动频率、幅度、激发距离及树冠直径正向影响，树高和主干部径呈负相关；能量衰减率与频率、树冠直径正相关，而与幅度、激发距离负相关。通过构建包含果实、芽、叶质量分布的振动模型，确定树枝低阶自然频率范围为1.39-11.58Hz，优化参数组合实现67.12m/s2最大冠层加速度与68.43%最低能量衰减率。

　　

李青松|徐道春|张玉玲|白晓鹏|李文斌|何媛|马月伟

北京林业大学技术学院，中国北京100083

摘要

明确激励因素和树木结构参数对树木振动传递特性的影响对于提高振动采收效率至关重要。在本研究中，利用果实、芽和叶子在树冠枝条上的质量分布构建了振动模型，并确定枝条的低阶自然频率范围为1.39～11.58 Hz。振动传递测试表明，频率、振幅、激励距离和树冠直径对树冠加速度有正面影响，而树高和树干直径则有负面影响。振动频率、树高、树冠直径和树干直径对能量衰减率有正面影响，而振动振幅和激励距离则有负面影响。树冠加速度和能量衰减率受频率、振幅和激励距离的影响最为显著。在振动频率为8.96 Hz、振幅为50 mm、激励距离为60 cm的条件下，树冠加速度达到最大值67.12 m/s2，能量衰减率最低为68.43%。采收设备的最佳操作参数为振动频率8.7～9.6 Hz、振幅47～50 mm、激励距离53～60 cm。这些研究结果为油茶振动采收设备的发展和现场应用提供了重要参考。

引言

油茶（Camellia oleifera）是一种重要的木本油料作物，由于其高经济价值和营养价值而在中国广泛种植（Li等人，2023年；Wu等人，2022a年）。然而，果实采收仍主要依靠人工进行，这既费时又劳动密集，且受到劳动力成本上升和劳动力短缺的日益限制（Li等人，2024年）。先前的研究和现场采收实验表明，油茶的振动采收效率大约是人工采收的5～8倍（Wang等人，2024年；Zhang等人，2024年）。这一优势对于大规模种植尤为重要，尤其是在丘陵种植区劳动强度高和季节性劳动力短缺的情况下。此外，油茶的芽和果实同时存在，限制了现有果实采收机械的应用，因为这些机械容易损坏芽。因此，实现高效且低损耗的果实采收已成为茶油产业面临的紧迫挑战。

振动采收是森林果实机械化采收的重要方法（Li等人，2024年；Tombesi等人，2017年；Yan等人，2023a年；Yan等人，2023b年）。该方法主要分为树干振动和树冠振动两种类型（Niu等人，2022年）。具有广阔树冠和较高树干的树木，如枣树、橄榄树和核桃树，通常采用树干振动（Cao等人，2018年；Liu等人，2018年；Zheng等人，2023年），而树干较矮的树木，如茶树、苹果树和橙树，则更多采用树冠振动进行采收（He等人，2013年；Wu等人，2020年）。由于不同激发模式和形态结构的果树在最佳振动参数上存在很大差异，果树振动力学理论成为学术研究的主要焦点（He等人，2017年；Li等人，2023年；Wu等人，2022c年）。Zhuo等人（2022年）利用拉格朗日方程建立了枣树弯曲振动的力学模型，并通过谱分析确定了六阶自然频率。Li等人（2020年）通过横向振动建模研究了阻尼比对蓝莓枝条振动特性的影响，发现枝条加速度衰减率与阻尼比成反比。

在振动过程中，不同的激励参数会在果树中引起不同的响应（Cetinkaya等人，2022年；Gao等人，2024年）。振动采收的原理是将振动能量从激励点传递到树冠中的结果枝条，在那里振动能量转化为惯性力，使果实从果柄上分离（Li等人，2024年；San等人，2018年；Zheng等人，2023年）。当这种惯性力超过果柄的结合力时，果实就会脱落（Niu等人，2022年；Zhang等人，2024年）。因此，激励点的输入能量大小和能量在枝条内的传递效率是决定果实采收效率的关键因素。先前的研究表明，激励参数和树木结构参数是影响果树振动响应和能量传递效率的重要因素（San等人，2018年；Xu等人，2020年；Zhou等人，2022年）；这些参数包括激励频率和振幅、激励位置、树高、树冠直径和树干直径。在采收过程中，如果操作者能够根据果树的结构参数正确调整振动参数，就可以以最小的能量高效地分离果实。例如，Du等人（2012年）、He等人（2013年）和Wu等人（2022a年）发现，枝条加速度响应与激励距离和频率成正比。此外，能量传递效率还受到树木结构的影响；侧枝较少时效率更高（Luo等人，2016年；San等人，2018年；Wu等人，2020年；Yan等人，2023a年；Yan等人，2023b年）。Li等人（2018年）对荔枝树进行了室外激励测试，发现激励位置与外层树冠枝条之间的距离减小会导致传递到果实枝条的能量衰减相应减小。

上述研究表明，激励参数和树木结构参数在决定果树的振动响应和能量传递效率方面起着重要作用。然而，大多数研究仅关注单一因素或有限的组合（He等人，2013年；Li等人，2023年；Wu等人，2022a年；Zheng等人，2023年），而没有系统地全面分析它们之间的相互作用。这限制了在不同物种间推导出优化采收参数的能力。此外，大多数现有研究都是针对具有明显分阶段发芽和结果实的果树进行的。相比之下，油茶在采收季节同时存在芽和果实，这一生物学特性带来了额外的挑战：过强的振动能量可能导致芽的损失并降低来年的产量，而振动能量不足则无法有效分离果实。因此，需要对油茶进行针对性研究，以确定平衡果实分离效率和芽保护的振动传递特性和最佳采收参数。

为了解决上述问题并提高油茶果实的振动采收效果，本研究旨在系统地研究激励参数和树木结构参数对油茶树树冠加速度和能量衰减率的影响，并确定采收设备的最佳操作参数。为此，基于果实、芽和叶子沿枝条的质量分布模式，构建了树冠枝条的振动模型。然后确定了枝条的低阶自然频率，为选择最佳激励频率提供了理论基础。随后进行了激励设备与油茶树之间的振动传递测试，分析了激励参数和树木结构参数对树冠加速度和能量衰减率的影响。通过这项研究，确定了主要和次要影响因素，并优化了影响树木响应的振动参数。这些发现为油茶采收机械的设计和优化提供了宝贵的理论指导。

章节片段

枝条模型的简化

如图1a所示，叶子、芽和果实主要生长在树冠枝条上。叶子、芽和果实的总重量及其分布决定了枝条的振动模式，使用简化模型计算的振动模式与包含叶子、芽和果实的计算结果有显著差异（Wu等人，2022b年；Xu等人，2020年）。因此，本研究提出构建一个包含叶子、芽和果实的枝条振动模型。

测试因素和响应指标

本实验研究的参数定义如下：a是激励位置的加速度；a₁是树冠果枝位置的加速度（以下简称树冠加速度）；f和A分别是采收设备的频率和振幅；< />是激励距离；D是树冠直径；H是树高；d是树干直径。每个测试因素都是在振动稳态下测量的。

a和a₁代表合成的

自然频率分析

由于现有的果实振动采收设备的最佳激励频率通常在0～15 Hz范围内（Gao等人，2019年；Niu等人，2022年），并且高频率可能会损坏枝条和芽（Wu等人，2022年），因此提取了低于15 Hz的自然枝条频率进行分析。图6a～g显示了通过有限元分析得到的前七阶模式的每个枝条的变形程度。

结论

本研究基于油茶树枝条上果实、芽和叶子的质量分布，构建了一个包含这些元素的振动模型。通过模拟，确定了枝条的低阶自然频率范围为1.39～11.58 Hz。频率为2.77、4.83和11.58 Hz时，枝条的响应最为强烈。振动传递测试表明，在所研究的参数范围内，随着振动频率的增加，

CRediT作者贡献声明

李青松：撰写——原始草案、软件、方法论、调查。徐道春：撰写——审稿与编辑、监督。张玉玲：监督、方法论。白晓鹏：监督、调查。李文斌：方法论、调查。何媛：调查。马月伟：调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号52206229）和国家重点研发计划（编号2019YFD1002401）的财政支持。

我们感谢Edanz（https://jp.edanz.com/ac）对本手稿草稿的编辑。