基于三维扫描逆向重建的枣树分层振动采收机理与参数优化研究

为解决矮化密植枣园机械化采收效率低、损伤率高的问题，研究人员通过三维扫描逆向重建建立枣枝模型，结合有限元仿真和分层振动试验，揭示了0-30 Hz范围内枣枝多阶固有频率特性，优化出下层5.80 Hz/7.00 mm与上层15.60 Hz/8.50 mm的分层振动参数组合，田间验证采收率达88.74%，为林果振动采收装备开发提供理论依据。

　　

在新疆生产建设兵团昆玉市的标准化枣园中，矮化密植的枣树虽已实现规模化种植，但采收仍依赖人工，劳动强度大且效率低下。这一困境源于传统振动采收技术存在两大痛点：单一频率激励难以匹配枣枝复杂的多阶固有频率特性，而简化建模方法又无法准确反映真实枣枝的动力学行为。面对这一挑战，国内某研究机构的研究团队创新性地将三维扫描逆向重建技术与多参数耦合振动试验相结合，在《Smart Agricultural Technology》发表了突破性研究成果。

研究团队首先采用HandySCAN 700三维扫描仪获取12年生枣枝的点云数据，通过Geomagic Design X软件进行逆向工程重建，建立了保留真实形态特征的枣枝有限元模型。通过模态分析获得0-30 Hz范围内的6阶典型振型，包括整体弯曲（5.82 Hz）、单侧分支振动（15.432 Hz）和末梢变形（18.808 Hz）等模式。谐响应分析发现，粗枝和细枝测量点在6 Hz和17 Hz附近分别出现位移和加速度峰值。基于此，研究人员设计了包含上下层频率（4-20 Hz）和振幅（4-10 mm）的四因素交互试验，采用创新的加速度斜率评分算法（临界分离加速度12.2 m/s²，最大分离加速度37.86 m/s²）量化振动效果。

材料与方法
通过电子密度仪（WKT-120A）和万能试验机（Instron 8801）测定枣枝密度（1.022 g/cm³）和弯曲弹性模量（5.801 GPa）。采用Workbench 2022进行网格划分（53,450单元）和Block Lanczos法模态分析，固定端约束模拟树干接地状态。分层振动试验采用Jzk-50/Jzk-10激振器与Inv9832-50加速度传感器组合，在粗枝中部（下层激励点）和二级粗枝下方（上层激励点）施加不同参数组合的振动。

结果与讨论
模态分析显示：低阶模态（5.82 Hz）引发枣枝整体变形，最大位移124.12 mm；高阶模态（15.432 Hz）导致单侧分支局部振动，位移达345.17 mm。谐响应曲线表明，不同路径测量点的共振频率具有分支特异性，如粗枝路径4-6测点在17 Hz加速度达峰值，而细枝末端在6 Hz位移最大（50 mm）。响应面分析揭示下层振幅（B）与上层振幅（D）交互作用极显著（p<0.01），最优参数组合经Design-Expert 12优化为下层5.80 Hz/7.00 mm与上层15.60 Hz/8.50 mm，加速度综合评分89.48分。

验证与应用
田间试验证实该参数组合下枣果采收率达88.74%，测量点加速度均值接近分离阈值（12.2-37.86 m/s²）。研究首次实现了基于真实形态建模的多频耦合振动优化，建立的二次多项式回归模型（R²=0.9662）可精准预测不同参数下的能量传递效率。该成果为开发适应复杂树冠结构的智能振动采收装备提供了关键技术支撑，尤其对解决我国特色林果产业机械化瓶颈具有重要意义。未来可进一步研究振动参数与果实品质、树体损伤的关联机制，推动精准农业技术发展。