Design and test of vibratory harvesting actuator for Camellia oleifera fruits
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摘要:目的
为提高油茶果采净率和采收效率，针对我国南方丘陵地带规范栽植油茶林，设计一种振动式油茶果采收执行器。
方法完成CZC40RY油茶果采收机采收执行器的采收头、采收臂和液压控制系统设计。建立振动装置−油茶树体振动系统力学模型、油茶果−油茶枝单摆动力学模型；运用COMSOL、ANSYS软件完成油茶树三维模型自由模态响应与谐响应分析；采用Box-Behnken试验方法，以振动频率、振幅、振动时间为试验因素，以采净率、落花率为试验指标，确定采收执行器最优作业参数。
结果确定树体受简谐激振力时的振动频率和影响振幅的主要因素，得出油茶果脱落加速度为947.63 m/s2、振动装置频率为15~25 Hz。林间采收试验验证表明，振动频率为21 Hz、振幅为10 mm、振动时间为10 s时，采收执行器平均采净率为95.5%，落花率为2.1%。与现有振动式油茶果采收机采收参数对比分析得出，不同地区、不同品种乃至同株油茶树油茶果脱落频率、大小、成熟度存在明显的差异，提出了分阶振动采收方法，并给出振动频率−振动时间关系图。
结论该采收执行器能够满足油茶果机械化采收需求。
Abstract:ObjectiveIn order to improve the removal rate and harvesting efficiency of Camellia oleifera fruits, a vibratory C. oleifera fruit harvesting actuator was designed for the C. oleifera forest in the hilly area of southern China.
MethodThe design of harvester head, harvester arm and hydraulic control system for the harvesting actuator of CZC40RY C. oleifera fruit harvester was completed. The vibration system mechanical model of vibration device-C. oleifera tree and the single pendulum dynamic model of C. oleifera fruit-C. oleifera branch were established. COMSOL and ANSYS softwares were used to complete the free mode response and harmonic response analysis of the 3D model of C. oleifera tree. The Box-Behnken test method was used to determine the optimal operating parameters of the harvesting actuator with vibration frequency, amplitude and vibration time as the test factors, and the removal rate and flower drop rate as the test indexes.
ResultThe vibration frequency and the main factors affecting the amplitude were determined when the tree was subjected to the simple harmonic exciting force, and the shedding acceleration of C. oleifera fruits was 947.63 m/s2, and the frequency range of the vibration device was 15−25 Hz.The harvesting test of C. oleifera forest verified that when the vibration frequency was 21 Hz, the amplitude was 10 mm and the vibration time was 10 s, the average removal rate of the harvesting actuator was 95.5%, and the flower drop rate was 2.1%. Through comparative analysis of the harvesting parameters with vibratory C. oleifera fruit harvesters, there were obvious differences in the shedding frequency, size and maturity of C. oleifera fruits in different regions, different varieties and even the same C. oleifera tree. The divide order vibration harvesting method was proposed, and the vibration frequency-vibration time relationship diagram was given.
ConclusionThe harvesting actuator can meet the mechanical harvesting needs of C. oleifera fruits.
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禽白血病是由禽白血病病毒(Avian leukemia virus，ALV)引起的一类禽免疫抑制性肿瘤性传染病。可自然感染鸡群的禽白血病病毒包括ALV-A~E、J 和K 7个亚群，其中ALV-A是引起我国鸡群发生禽白血病的主要病原[1-2]。ALV-A可使感染鸡群产生免疫抑制、生产性能下降，乃至发生特征性肿瘤而死亡，给养禽业造成巨大的经济损失[3-4]。目前，该病鲜有商品化疫苗和有效的治疗方法，主要通过净化种群和生物安全措施进行预防[5]。然而，近年来禽白血病的流行病学调查研究发现，ALV-A在我国地方鸡种[6-7]、商品肉鸡[8]、蛋鸡[9]及野生鸟类[10]中普遍存在。可见，现有措施并不能完全控制A亚群禽白血病在中国的发生与流行，该病已成为威胁我国养鸡业(尤其是种鸡业)可持续健康发展的重大疾病之一。因此，研发更适合防控我国A亚群禽白血病的新策略已迫在眉睫。国外已有研究证实，提高宿主对A亚群禽白血病的遗传抗性，开展A亚群禽白血病的抗病育种可成为防控该病的有效策略[11-13]。
ALV-A由tva受体基因编码的细胞表面特异性受体Tva介导侵入宿主细胞，继而发生感染[14]。tva受体基因的遗传突变会导致Tva受体蛋白的完全缺失或表达一个不适宜作为ALV-A受体的缺陷型Tva受体蛋白，从而引起宿主细胞对ALV-A的感染产生遗传抗性[15]。在国外白来航近交品系tva受体基因中已经鉴定了tvar1、tvar2、tvar3和tvar4 4个ALV-A遗传抗性位点[16-17]。Chen等[18]首次从中国鸡种中成功鉴定了tvar5和tvar6 2个ALV-A遗传抗性位点。另外，我们前期研究(未发表)发现中国鸡种tva受体基因存在新的自然突变位点：tva基因编码区第3位碱基由G突变为A，推测该突变引起tva基因起始密码子序列由ATG突变为ATA，将该tva基因自然突变命名为tva c.3G>A，但其对宿主感染A亚群禽白血病病毒的影响尚不清楚。因此，本研究拟通过ALV-A体外感染试验和体内攻毒试验，从体外、体内2个层面验证tva c.3G>A突变是否引起宿主对ALV-A的感染产生遗传抗性，以期鉴定新的ALV-A遗传抗性位点。
1. 材料与方法
1.1 试验动物、病毒、细胞株及质粒
黄羽肉鸡品系CB01~CB15[19]抗凝血样采自于温氏食品集团股份有限公司，每个品系随机采取36~60份血样，共670份血液样品。1日龄无特定病原(Specific pathogen free，SPF)鸡苗购自广东大华农有限公司。ALV-A GD08株、DF-1细胞系为广东省畜禽健康养殖与环境控制重点实验室保存。RCASBP(A)-GFP重组质粒为广东省畜禽健康养殖与环境控制重点实验室前期构建并保存[18]。
1.2 主要试剂
血液/细胞/组织基因组DNA提取试剂盒购自天根生化科技(北京)有限公司；质粒小量提取试剂盒、无内毒素质粒大量提取试剂盒、凝胶 DNA回收试剂盒均购自OMEGA公司；ReverTra Ace®qPCR RT Kit、KOD-FX购自Toyobo公司；FastStart SYBR Green Master(Rox)购自Roche公司；反转录试剂盒、pMD19-T、PrimeScript® One Step RT-PCR Kit购自Takara公司；Opti-DMEM无血清培养基、DMEM细胞培养基、胎牛血清、胰蛋白酶、青链霉素均购自Gibco公司；TRIZOL reagent、Lipofectamine 3000转染试剂购自Invitrogen公司。
1.3 黄羽肉鸡品系tva基因的遗传变异分析
参考NCBI数据库中鸡tva基因的DNA序列(GenBank登录号：AY531262.1)，应用 Primer 5.0软件设计3对引物，分3个片段(1、2和3段)PCR扩增tva基因全长序列3 607 bp，引物信息见表1。提取黄羽肉鸡品系CB01~CB15血液样品的基因组DNA，用该3对引物PCR扩增tva基因全长序列。将PCR扩增产物送生工生物工程(上海)股份有限公司测序，应用DNAstar和Mutation Surveyor基因序列分析软件比对tva基因序列和测序序列，分析黄羽肉鸡品系tva基因的遗传变异，对tva c.3G>A突变位点进行基因分型。
表 1 tva受体基因全长序列PCR扩增引物信息Table 1. Primers used to amplify the whole sequence of tva receptor gene片段 Fragment 引物名称 Primer name 引物序列(5′→3′) Primer sequence 退火温度/℃ Annealing temperature 片段大小/bp Segment size 1 P1-F GTTCAGCAGATCCTCATCTCCCG 62 1308 P1-R GGCCATTGTGCGATCTAAGAGGG 2 P2-F AGCCCTCTTAGATCGCACAA 60 1253 P2-R GTGACACCGAGCACAAAATG 3 P3-F GTTGGAGCTGGATGAGCACT 60 1132 P3-R TGAGGGAATTCCTGTCACCT 1.4 tva基因mRNA的RT-PCR扩增
采用Trizol法提取tva c.3G>A突变位点野生型tva c.3G/G和纯合突变型tva c.3A/A种鸡血液的总RNA，参考反转录试剂盒说明书反转录成cDNA。参考文献[18]中的引物序列和PCR反应体系、扩增条件，利用KOD-FX高保真酶RT-PCR扩增tva基因整个编码序列。回收、纯化的RT-PCR产物克隆入pMD19-T，送生工生物工程(上海)股份有限公司测序，测序结果应用Lasergene 7.1软件进行分析。
1.5 鸡胚成纤维细胞分离与培养
采集10日龄鸡胚消毒后，用镊子打开气室和壳膜，夹起鸡胚，用眼科剪刀和镊子剔除头、爪、骨头和内脏，把鸡胚组织块置于平皿中，用PBS液漂洗去除血污。将漂洗好的组织块放入5 mL离心管，用眼科剪刀剪至肉糜状，用0.25%(w)的胰酶在37 ℃水浴箱中消化15~20 min，加入适量的小牛血清终止消化。使用200目细胞滤膜过滤后，1000 r/min离心5 min，弃掉上清液，用完全培养基对细胞进行重悬，分装入无菌培养皿中，获取纯化的鸡胚成纤维细胞 (Chicken embryo fibroblast，CEF)，细胞置于CO2体积分数为5%、37 ℃的培养箱内培养。
1.6 流式细胞术检测RCASBP(A)-GFP报告病毒感染
将重组质粒RCASBP(A)-EGFP转染入DF-1细胞中，转染后第7天，拯救并收集DF-1细胞上清液中表达绿色荧光蛋白的重组病毒RCASBP(A)-GFP，测定病毒感染单位(IU)后，分装保存于−80 ℃备用。分离与培养tva c.3G>A突变位点野生型tva c.3G/G、杂合突变型tva c.3G/A和纯合突变型tva c.3A/A CEF，分别接种于24孔板中，每孔接种5×104个细胞，培养24 h后，每孔接种5×105 IU/mL的RCASBP(A)-GFP病毒液。孵育2 h后，弃掉病毒液，用含1%(φ) 胎牛血清的维持液继续培养。感染后第1、2、3、7天，使用 Cytomics FC 500 分析仪(Beckman Coulter，USA)通过荧光激活细胞分选(Fluorescence-activated cell sorting，FACS)定量 tva c.3G>A突变位点不同基因型CEF的GFP 阳性细胞百分比。
1.7 ALV-A体内感染试验
前期研究发现tva c.3G>A突变主要存在于CB06品系。从CB06品系随机挑选75只1日龄雏鸡随机分为3组，每组25只商品鸡和3只SPF鸡作为对照，饲养于3个隔离器，并随意提供饲料和水。1日龄时，每只雏鸡腹腔接种ALV-A GD08株病毒液(S/P=2.1)0.2 mL，5日龄时，再攻毒1次。攻毒后1周，采集每只雏鸡抗凝血样，抽取全基因组DNA，通过直接测序方法对每只雏鸡tva c.3G>A突变位点进行基因分型。攻毒后1个月，采集雏鸡的血样，利用Trizol试剂盒抽提血样总RNA，利用ALV-A GD08株特异性检测引物，RT-PCR检测每只雏鸡的病毒血症情况，确定tva c.3G>A突变不同基因型雏鸡对ALV-A GD08株的感染状态[18]。
1.8 统计分析
所有数据均使用GraphPad Prism 7.0软件进行绘图和数据统计分析，2组数据比较采用独立样本t检验分析，数据结果以平均值±标准差表示。利用Popgene软件分析tva c.3G>A突变位点在我国黄羽肉鸡品系中的基因型频率分布。
2. 结果与分析
2.1 黄羽肉鸡品系中tva c.3G>A突变位点的鉴定
为了剖析中国黄羽肉鸡品系tva受体基因的遗传变异，分3个片段PCR扩增每只鸡tva受体基因的基因组区域。如图1所示，PCR扩增出tva基因的1、2和3片段的目的条带，片段大小与预期结果相符。将PCR产物进行Sanger测序，发现中国黄羽肉鸡品系tva基因DNA序列第260位碱基存在由G突变为A的自然突变(图2)，进一步分析推测该突变致使tva基因编码区第3位碱基由G突变为A，引起tva基因起始密码子序列由ATG突变为ATA，将该tva基因自然突变命名为tva c.3G>A。为了证实纯合突变型tva c.3A/A转录本存在G>A突变，RT-PCR扩增野生型tva c.3G/G和纯合突变型tva c.3A/A血液tva基因整个编码序列。结果如图3所示，tva c.3G/G和tva c.3A/A基因型血样均扩增出566和420 bp的条带，表明tva c.3G>A突变位点在不同基因型血样均可扩增出tva基因长、短2个转录本。RT-PCR产物的克隆测序结果表明，与野生型tva c.3G/G相比，纯合突变型tva c.3A/A基因型2个tva cDNA序列第3位碱基均由G突变为A，引起Tva受体蛋白氨基酸序列第1个氨基酸由甲硫氨酸(M)改变为异亮氨酸(I)。
![图 1 tva基因3个片段的PCR扩增结果]()
图 1 tva基因3个片段的PCR扩增结果M：DL2000 marker；1~3：tva基因的1、2和3片段Figure 1. PCR amplified results of three fragments of tva geneM: DL2000 marker; 1−3: Fragment 1, 2 and 3 of tva gene![图 2 tva c.3G>A突变位点不同基因型测序图]()
图 2 tva c.3G>A突变位点不同基因型测序图红色加粗标注为tva基因DNA序列第260位碱基由G突变为AFigure 2. Sequence traces for tva c.3G>A mutation sites of different genotypesThe positions of the mutates from G to A at 260th base of tva gene are underlined in red bold![图 3 tva c.3G>A突变位点不同基因型血样全长tva编码序列的RT-PCR扩增结果]()
图 3 tva c.3G>A突变位点不同基因型血样全长tva编码序列的RT-PCR扩增结果M：DL2000 marker；1：野生型tva c.3G/G；2：纯合突变型tva c.3A/AFigure 3. RT-PCR amplified results of the full-lengthtva coding sequences for blood samples from different genotypes of tva c.3G>A mutation siteM: DL2000 marker; 1: Wild type tva c.3G/G; 2: Homozygous mutant tva c.3A/A2.2 tva c.3G>A突变致宿主体外抗ALV-A感染
RCASBP(A)-EGFP重组质粒转染DF-1细胞48 h后，用倒置荧光显微镜观察到GFP荧光标记蛋白表达，表明成功拯救了RCASBP(A)-GFP荧光报告病毒(图4)。为探究tva c.3G>A突变对宿主细胞体外感染ALV-A的影响，利用拯救的RCASBP(A)-GFP荧光报告病毒分别感染tva c.3G/G、tva c.3G/A和tva c.3A/A CEF，感染后不同时间点利用流式细胞术检测RCASBP(A)-GFP对tva c.3G>A突变位点不同基因型CEF的感染情况，结果如图5和6所示。野生型tva c.3G/G CEF和杂合突变型tva c.3G/A CEF对RCASBP(A)-GFP病毒易感，而纯合突变型tva c.3A/A CEF抗RCASBP(A)-GFP的感染，表明tva c.3G>A突变导致宿主体外抗RCASBP(A)-GFP的感染。
![图 4 RCASBP(A)-EGFP质粒转染DF-1细胞48 h后的绿色荧光蛋白表达]()
图 4 RCASBP(A)-EGFP质粒转染DF-1细胞48 h后的绿色荧光蛋白表达绿色荧光为表达 GFP 的细胞；标尺=250 μmFigure 4. Expression of green fluorescent protein in DF-1 cells after transfection with RCASBP(A)-EGFP plasmid for 48 hGreen fluorescence represent cells expressing GFP; Scale =250 μm![图 5 tva c.3G/G、tva c.3G/A和tva c.3A/A CEF感染RCASBP(A)-EGFP的过程]()
图 5 tva c.3G/G、tva c.3G/A和tva c.3A/A CEF感染RCASBP(A)-EGFP的过程Figure 5. Time course of infection of tva c.3G/G, tva c.3G/A and tva c.3A/A CEFs with RCASBP(A)-EGFP![图 6 流式细胞术检测tva c.3G>A突变位点不同基因型CEF感染RCASBP(A)-GFP 7 d后的GFP阳性细胞率]()
图 6 流式细胞术检测tva c.3G>A突变位点不同基因型CEF感染RCASBP(A)-GFP 7 d后的GFP阳性细胞率Figure 6. GFP positive cell rates for CEFs of different genotypes of tva c.3G>A mutation site seven days after infection with RCASBP(A)-GFP detected by flow cytometry2.3 tva c.3G>A突变致宿主体内抗ALV-A感染
为探究tva c.3G>A突变对宿主体内感染ALV-A的影响，利用ALV-A野毒感染tva c.3G>A突变野生型、杂合突变型、纯合突变型雏鸡。作为阳性对照，9只SPF雏鸡攻ALV-A野毒后均为ALV-A阳性，说明ALV-A体内攻毒试验成立。ALV-A攻毒试验结果显示，野生型tva c.3G/G雏鸡(25只)攻ALV-A野毒后均为ALV-A阳性，杂合突变型tva c.3G/A雏鸡(28只)攻ALV-A野毒后病毒血症阳性率为75%，而纯合突变型tva c.3A/A雏鸡(22只)攻ALV-A野毒后均为ALV-A阴性(表2)。结果表明，tva c.3G>A突变导致宿主体内抗ALV-A的感染，ALV-A体内攻毒试验结果与ALV-A体外感染试验结果一致，证实tva c.3G>A突变位点为ALV-A的遗传抗性位点。
表 2 ALV-A攻毒后雏鸡病毒血症阳性率Table 2. Positive infection rate of viremia in chicks infected by ALV-A雏鸡 Chick 基因型 Genotype 阳性样品数/总样品数 No. of positive samples/Total No. of samples 阳性感染率/% Positive infection rate SPF tva c.3G/G 9/9 100 CB06 tva c.3G/G 25/25 100 tva c.3G/A 21/28 75 tva c.3A/A 0/22 0 2.4 tva c.3G>A抗性位点在不同黄羽肉鸡品系的基因型频率分布
不同黄羽肉鸡品系tva c.3G>A抗性位点的基因分型结果如表3所示。CB01、CB08、CB10和CB15品系中检测到tva c.3G>A抗性位点的杂合基因型tva c.3G/A，其频率分别为0.05、0.05、0.10和0.14，在CB01、CB08、CB10和CB15品系中检测到纯合抗性基因型tva c.3A/A，其频率分别为0.10、0.15、0.23和0.08，其余黄羽肉鸡品系所检样品均为野生型tva c.3G/G。
表 3 我国黄羽肉鸡品系 tva c.3G>A抗性位点的基因型频率分布Table 3. Genotypic frequency of tva c.3G>A resistance locus in Chinese yellow-feathered broiler lines品系 Line 样品数/只 No. of samples 基因型 Genotype tva c.3G/G tva c.3G/A tva c.3A/A CB01 60 0.85 0.05 0.10 CB02 50 1 0 0 CB03 36 1 0 0 CB04 30 1 0 0 CB05 48 1 0 0 CB06 60 1 0 0 CB07 30 1 0 0 CB08 60 0.80 0.05 0.15 CB09 30 1 0 0 CB10 60 0.67 0.10 0.23 CB11 35 1 0 0 CB12 45 1 0 0 CB13 60 1 0 0 CB14 30 1 0 0 CB15 36 0.78 0.14 0.08 3. 讨论与结论
本研究鉴定了中国黄羽肉鸡品系tva受体基因中存在1种自然突变位点，即tva基因编码区第3位碱基由G突变为A，引起tva基因起始密码子序列由ATG突变为ATA，致使宿主对ALV-A体外、体内的感染产生遗传抗性，证实tva c.3G>A突变位点为ALV-A的遗传抗性位点。据我们所知，本研究首次报道了受体基因起始密码子序列突变可以引起宿主遗传性抗特定ALV亚群的感染，这增强了我们对ALV-A宿主共同进化的理解。
尽管种鸡群净化策略和生物安全措施已用来控制禽白血病[20]，但这些传统方法并不能完全消除禽白血病在中国和东南亚国家的发生与流行[21-22]。ALV在鸡群中的流行，致使暴露于ALV的宿主可能会受到选择性压力而对ALV的感染产生完全抗性或者至少降低了对 ALV 感染的易感性。tva、tvb、tvc和chNEH1受体基因分别编码Tva、Tvb、Tvc和NHE1受体蛋白，分别介导宿主细胞对ALV-A、ALV-B/D/E、ALV-C和ALV-J的感染[14, 23-25]。受体基因的遗传突变会导致受体蛋白的完全缺失或表达一个缺陷型受体蛋白，从而引起宿主对ALV的感染产生遗传抗性。目前，已在国外某些白来航近交品系和中国肉鸡品系中鉴定了致使宿主细胞对ALV-A、ALV-B/D/E和ALV-C感染产生遗传抗性的受体基因遗传突变[16, 24,26]。Elleder等[16]在白来航品系C中发现tva基因第619碱基由C变为G(tvar1)，引起编码的氨基酸由Cys改变为Trp，大大降低ALV-A囊膜糖蛋白与Tva受体的亲和力，从而对ALV-A的感染产生遗传抗性。Elleder等[16]在白来航品系72中发现tva基因碱基序列第305—306位点插入CTCG 4个碱基(tvar2)，导致Tva受体蛋白缺失表达，从而产生对ALV-A的抗性。Chen等[18]研究发现中国鸡种存在tvar3、tvar4、tvar5和tvar6 ALV-A遗传抗性位点，其为位于tva受体基因内含子1破裂点信号保守区域的4种缺失突变，tvar3为tva基因第507—516碱基(序列为ACCCCGCCCC)缺失、tvar4为tva基因第507—511碱基(序列为ACCCC)缺失、tvar5为tva基因第502—511碱基(序列为CGCTCACCCC)缺失、tvar6为tva基因第502—516碱基(序列为CGCTCACCCCGCCCC)缺失，这4种tva受体基因遗传突变均影响tva基因mRNA的剪切，降低了ALV-A囊膜糖蛋白与Tva受体蛋白结合的亲和力，从而降低宿主细胞对ALV-A的易感性。本研究在我国黄羽肉鸡品系中发现tva受体基因始密码子序列由ATG突变为ATA，引起Tva受体蛋白氨基酸序列第1个氨基酸由甲硫氨酸(M)改变为异亮氨酸(I)，推测该突变导致Tva受体蛋白的表达完全缺失，从而引起宿主抗ALV-A的感染。
抗病育种是控制禽白血病的有效策略和重要途径，为评估不同黄羽肉鸡品系对ALV-A的遗传抗性，本研究对15个黄羽肉鸡品系tva c.3G>A抗性位点进行了基因分型，结果发现CB01、CB08、CB10和CB15品系存在tva c.3G>A抗性位点，其纯合抗性基因型tva c.3A/A的频率分别为0.10、0.15、0.23和0.08，提示这些黄羽肉鸡品系具有良好的抗 ALV-A 遗传改良潜力，可从这些鸡品系中筛选出培育抗ALV-A感染的育种素材，并运用于ALV-A 遗传抗性鸡品种的选育，为实现A亚群禽白血病抗病育种提供理论依据和技术支撑。
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图 1 CZC40RY油茶果采收机
1：采收头；2：采收臂；3：行走底盘。
Figure 1. CZC40RY Camellia oleifera fruit harvester
1: Harvesting head; 2: Harvesting arm; 3: Walking chassis.
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图 2 振动装置−油茶树体振动系统力学模型
$ l $：偏心块轴中心到油茶树主干中心的距离；m：偏心块质量；M1：振动装置质量(不包括偏心块质量)；M：油茶树夹持点处的等效质量；k：油茶树等效弹性系数；c：油茶树等效阻尼系数；r：偏心块的偏心距；$ \omega $：偏心块的角速度；t：工作时间；$ x、y $：树干在$ x $、$ y $方向上的位移；Fx、Fy：偏心块在x、y方向上的惯性力。
Figure 2. Vibration system mechanical model of vibration device-Camellia oleifera tree
l: Distance from the center of the eccentric block axis to the center of the C. oleifera tree trunk; m: Mass of the eccentric block; M1: Mass of the vibration device (excluding the mass of the eccentric block); M: Equivalent mass at the holding point of C. oleifera tree; k: Equivalent elastic coefficient of C. oleifera tree; c: Equivalent damping coefficient of C. oleifera tree; r: Eccentric distance of the eccentric block; $ \omega $: Angular velocity of the eccentric block; t: Working time; $ x, \;y$: Displacement of the trunk in the $ x $ and y direction; Fx, Fy: Inertial force of the eccentric block at x and y directions.
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图 3 油茶果−油茶枝单摆动力学模型
FN：果柄结合力；Fg：油茶果受迫振动产生的惯性力；Fn：惯性力的法向分量；Fτ：惯性力的切向分量；G：油茶果的重力；Gn：重力的法向分量；Gτ：重力的切向分量；a：油茶果的加速度；an：加速度的法向分量；aτ：加速度的切向分量；θ：油茶果脱落时果柄与竖直方向的夹角。
Figure 3. Single pendulum dynamic model of Camellia oleifera fruit-C. oleifera branch
FN: Binding force of the fruit stalk; Fg: Inertial force produced by the forced vibration of C. oleifera fruit; Fn: Normal component of the inertial force; Fτ: Tangential component of the inertial force; G: Gravity of C. oleifera fruit; Gn: Normal component of the gravity force; Gτ: Tangential component of the gravity force; a: Acceleration of C. oleifera fruit; an: Normal component of the acceleration; aτ: Tangential component of the acceleration; θ: Angle between the fruit stalk and the vertical direction of the C. oleifera fruit when it falls off.
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图 4 典型模态振型图
括号中的数值为特征频率。
Figure 4. Typical mode vibration patterns
Values in parentheses are characteristic frequencies.
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图 5 油茶树有限元模型
1~10为不同的检测点。
Figure 5. Finite element model of Camellia oleifera tree
1−10 are different detection points.
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图 6 振动频率−加速度响应特性曲线
Figure 6. Response characteristic curve of vibration frequency-acceleration
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图 7 采收头结构
1：收集装置；2：振动装置；3：连接架。
Figure 7. Structure of harvesting head
1: Gathering device; 2: Vibration device; 3: Connector.
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图 8 振动装置结构
1：夹持爪； 2：固定偏心块； 3：活动偏心块； 4：夹持油缸； 5：齿轮； 6：振动马达。
Figure 8. Structure of vibration device
1: Clamping claw; 2: Fixed eccentric block; 3: Movable eccentric block; 4: Clamping hydro-cylinder; 5: Gear; 6: Vibration motor.
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图 9 偏心块结构尺寸图
$ R $：大半圆半径；$ {r}_{1} $：小半圆半径；$ {r}_{0} $：内孔半径；$ r $：偏心块偏心距。
Figure 9. Structure size diagram of eccentric block
$ R $: Radius of a large semicircle; $ {r}_{1} $: Radius of a small semicircle; $ {r}_{0} $: Radius of the inner hole; $ r $: Eccentricity of the eccentric block.
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图 11 收集装置结构
1：主动杆； 2：防漏毛刷； 3：伞布驱动机构； 4：主框架； 5：从动杆； 6：伞布。
Figure 11. Structure of gathering device
1: Driving lever; 2: Leakproof brush; 3: Driving mechanism of the umbrella cloth; 4: Main frame; 5: Follower lever; 6: Umbrella cloth.
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图 12 油茶果在伞布面上的受力分析
$ {\theta }_{1} $：斜面和水平面的夹角；$ G $：油茶果重力；$ {F}_{{\mathrm{N}}}^{'} $：油茶果受到的支持力；$ {f}^{'} $：油茶果受到的摩擦力。
Figure 12. Force analysis of Camellia oleifera fruit on umbrella cloth surface
$ {\theta }_{1} $: Angle between the inclined plane and the horizontal plane; $ G $: Gravity of the C. oleifera fruit; $ {F}_{{\mathrm{N}}}^{'} $: Supporting force of C. oleifera fruit; $ {f}^{'} $: Frictional force experienced by C. oleifera fruit.
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图 13 伞布的驱动机构
图a中，1：驱动齿轮； 2：支撑座； 3：齿条； 4：推臂； 5：伞布的驱动油缸；6：主动杆。图b中，FB：主动杆受到的拉力； LB：伞布与主动杆接触长度；FL：油缸拉力；LZ：FB的力臂；RZ：齿轮分度圆半径。
Figure 13. Driving mechanism of the umbrella cloth
In figure a, 1: Drivegear; 2: Support seat; 3: Rack; 4: Pushing arm; 5: Driving hydro-cylinder of the umbrella cloth; 6: Driving lever. In figure b, FB: Pull on the driving lever; LB: Umbrella cloth and driving lever contact length; FL: Pull of the hydro-cylinder; LZ: Force arm of FB; RZ: Dividing circle radius of the gear.
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图 14 采收臂结构和工作空间
AX：0°~125°；Bf：0°~60°；Ca：500 mm；Ds：1 520 mm；Es：2 100 mm；Fs：495 mm；Gc：3 417 mm。1：拉臂A； 2：拉头油缸； 3：伸缩臂； 4：伸缩油缸； 5：副臂；6：拉臂B； 7：副臂油缸；8：主臂； 9：主臂油缸； 10：立柱。
Figure 14. Structure and workspace of the harvesting arm
1: Pulling arm A; 2: Pulling head hydro-cylinder; 3: Telescopic arm; 4:Telescopic hydro-cylinder; 5: Jib; 6: Pulling arm B; 7: Jib hydro-cylinder; 8:Main arm; 9: Main arm hydro-cylinder; 10: Upright column.
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图 15 采收臂受力分析
F0：主臂油缸的推力；L0：动力臂；L1：G1对A0的力臂；L2：G2对A0的力臂；L3：G3对A0的力臂。
Figure 15. Force analysis of the harvesting arm
F0: Thrust of the main arm hydro-cylinder; L0: Power arm; L1: Force arm of G1 against A0; L2: Force arm of G2 against A0; L3: Force arm of G3 against A0.
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图 16 液压原理图
1：油箱； 2：过滤器； 3：双联泵； 4：溢流阀； 5：调速阀； 6：振动马达； 7：二位四通比例阀； 8：伸缩油缸； 9：伞布驱动油缸； 10：夹持油缸； 11：平衡阀； 12：主臂油缸； 13：副臂油缸； 14：拉头油缸。
Figure 16. Hydraulic principle diagram
1: Fuel tank; 2: Filter; 3: Double-pump; 4: Relief valve; 5: Control valve; 6: Vibration motor; 7: Two-bit four-way proportional valve; 8: Telescopic hydro-cylinder; 9: Driving hydro-cylinder of the umbrella cloth; 10: Clamping hydro-cylinder; 11: Balance valve; 12: Main arm hydro-cylinder; 13: Secondary arm hydro-cylinder; 14: Pulling head hydro-cylinder.
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图 17 振幅、振动频率、振动时间对采净率的响应面
Figure 17. The response surface of amplitude, vibration frequency and vibration time on the removal rate
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图 18 振幅、振动频率、振动时间对落花率的响应面
Figure 18. The response surface of amplitude, vibration frequency, and vibration time on the flower drop rate
表 1 林间试验结果
Table 1 Forest test results
序号
Order number因素 Factor 评价指标 Evaluating indicator 振幅/mm
Amplitude (A)振动频率/Hz
Vibration frequency (B)振动时间/s
Vibration time (C)采净率/%
Removal rate (Z)落花率/%
Flower drop rate (L)1 10 20 10 96 1 2 10 15 15 90 3 3 10 25 15 96 9 4 10 20 10 97 2 5 15 20 5 92 5 6 10 20 10 95 2 7 5 20 5 88 2 8 10 20 10 97 3 9 10 25 5 93 4 10 10 20 10 95 2 11 5 20 15 92 4 12 5 25 10 95 6 13 10 15 5 85 2 14 15 15 10 91 2 15 15 20 15 92 8 16 5 15 10 84 1 17 15 25 10 97 10 
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表 2 方差分析结果
Table 2 Results of analysis of variance
变异来源
Source采净率 Removal rate 落花率 Flower drop rate 平方和
Sum of
Squares自由度
Degree of
freedom均方和
Mean
SquaresF P1) 平方和
Sum of
Squares自由度
Degree of
freedom均方和
Mean
SquaresF P1) 模型 Model 251.63 9 27.96 19.09 0.0004 **120.01 9 13.33 16.23 0.0007 **A 21.13 1 21.13 14.43 0.0067 **18.00 1 18.00 21.91 0.0023 **B 120.13 1 120.13 82.04 < 0.0001 **55.13 1 55.13 67.11 < 0.0001 **C 18.00 1 18.00 12.29 0.0099 **15.13 1 15.13 18.41 0.0036 **AB 6.25 1 6.25 4.27 0.0777 2.25 1 2.25 2.74 0.1419 AC 4.00 1 4.00 2.73 0.1424 0.25 1 0.25 0.30 0.5983 BC 1.00 1 1.00 0.68 0.4358 4.00 1 4.00 4.87 0.0631 A2 19.01 1 19.01 12.98 0.0087 **9.47 1 9.47 11.53 0.0115 *B2 19.01 1 19.01 12.98 0.0087 **6.58 1 6.58 8.01 0.0254 *C2 34.80 1 34.80 23.77 0.0018 **6.58 1 6.58 8.01 0.0254 *残差 Residual 10.25 7 1.46 5.75 7 0.82 失拟项 Lack of fit 6.25 3 2.08 2.08 0.2451 3.75 3 1.25 2.50 0.1985 误差 Error 4.00 4 1.00 2.00 4 0.50 1)*表示显著影响(P＜0.05)，**表示极显著影响(P＜0.01)。
1)* indicates significant effect (P＜0.05), ** indicates highly significant effect (P＜0.01).
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