振動(dòng)參數(shù)對(duì)果樹采收影響的試驗(yàn)研究

范雷剛，王春耀，劉夢(mèng)霞，羅建清

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊　830047)

?

振動(dòng)參數(shù)對(duì)果樹采收影響的試驗(yàn)研究

范雷剛，王春耀，劉夢(mèng)霞，羅建清

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊830047)

摘要：從喬木類果品采收實(shí)際要求出發(fā)，旨在解決喬木類果樹的連續(xù)機(jī)械振動(dòng)采收問題。為此，進(jìn)行了連續(xù)激振式采收過程中影響果樹振動(dòng)效果的試驗(yàn)。通過電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)果樹主干不同位置進(jìn)行夾持，施加不同類型激振力進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，利用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和輸出，獲得不同振動(dòng)頻率、振幅下果樹不同位置的加速度數(shù)據(jù)及曲線，并進(jìn)行分析和對(duì)比。結(jié)果表明：當(dāng)夾持主干的位置距離果樹固定端為60cm、振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)輸出振動(dòng)頻率為25Hz、激振位移為5mm時(shí)，果樹獲得加速度較大；樹枝和果實(shí)之間的相對(duì)加速度也較大。該試驗(yàn)為振動(dòng)采收裝置的研究提供必要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：果樹；振動(dòng)采收；頻率；振幅；加速度；

0引言

新疆盛產(chǎn)蘋果、核桃、杏子等喬木類果品，種植面積居全國前列。這類水果在成熟期必須盡快完成采摘過程，否則會(huì)因水果品質(zhì)不佳影響出售及后續(xù)加工；而傳統(tǒng)的水果采摘方式受效率低、耗費(fèi)人工等諸多因素制約，不能滿足新疆地區(qū)這種大面積種植模式的采摘需求。為了提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收益，近年來國內(nèi)外的農(nóng)業(yè)機(jī)械廠家向市場(chǎng)推出了各類振動(dòng)采收機(jī)，水果采收從人工到機(jī)械化的步伐在不斷向前邁進(jìn)；然而，在實(shí)際采收過程中仍然存在著諸多問題，如落果效率低及采收后果樹損傷等。

國內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)振動(dòng)參數(shù)對(duì)采收效率的影響進(jìn)行研究：Castro-García等從形態(tài)學(xué)角度建立橄欖樹的受迫振動(dòng)動(dòng)力模型[1]；杜小強(qiáng)等從振幅角度對(duì)采收裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化[1，13]；李國英等針對(duì)南方主要造林樹種-杉樹從振幅和頻率角度對(duì)果種掉落的影響進(jìn)行研究[9]；劉金寶等從樹干振動(dòng)機(jī)理角度對(duì)采收裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化[12]。本文對(duì)實(shí)際采收過程中振動(dòng)頻率、振動(dòng)位移及夾持位置對(duì)果樹采收效率的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，從而為振動(dòng)采收裝置的研究提供必要的理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1　試驗(yàn)設(shè)備

電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)包括：電動(dòng)臺(tái)DC-600-5、SV-0505水平滑臺(tái)、功率放大器SA-5、RC-3000-2振動(dòng)控制儀。信號(hào)采集及分析系統(tǒng)包括5922N動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)、壓電式加速度傳感器DH311E及DHDAS軟件等。

1.2　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)樣本選自新疆地區(qū)5年生海棠果樹整株進(jìn)行實(shí)際測(cè)試研究。

1.3　試驗(yàn)方法

1)對(duì)樣本形態(tài)進(jìn)行分析，選取三叉型平面與水平滑臺(tái)平行放置，使用固定夾持裝置對(duì)樣本根部進(jìn)行固定，模擬地面土壤對(duì)果樹的固定效果，對(duì)樣木主干進(jìn)行位置劃分，以根部固定端為起始點(diǎn)，間隔為10cm，共劃分15個(gè)樣本點(diǎn)(見圖1)，并在樣本點(diǎn)處安裝垂直于電動(dòng)臺(tái)振動(dòng)方向的固定裝置以便于加速度傳感器放置。

2)使用水平滑臺(tái)通過夾持裝置對(duì)樣木進(jìn)行夾持，試驗(yàn)過程中夾持點(diǎn)分別選取圖1中設(shè)定的樣本點(diǎn)3、4、5、6、7、8。

3)將加速度傳感器安裝在樣木主干的樣本點(diǎn)固定裝置上，通過信號(hào)線傳輸試驗(yàn)過程中樣本點(diǎn)采集到的實(shí)時(shí)加速度數(shù)據(jù)。

4)試驗(yàn)過程中，通過改變電動(dòng)臺(tái)輸出的頻率和位移來模擬不同振動(dòng)采收裝置的激振力，具體為：在同夾持點(diǎn)下設(shè)置4組試驗(yàn)，分別將電動(dòng)臺(tái)的輸出激振位移設(shè)置為3、4、5、6；同時(shí)，在每組試驗(yàn)中又將電動(dòng)臺(tái)輸出的激振頻率作為變量，設(shè)置為5、10、15、20、25Hz階梯頻率進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)；并通過信號(hào)采集系統(tǒng)得到試驗(yàn)樣木各樣本點(diǎn)的加速度數(shù)據(jù)。

本試驗(yàn)借助動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)全過程進(jìn)行采集，研究各樣本點(diǎn)加速度在不同夾持位置、不同激振位移、不同激振頻率作用下的變化規(guī)律，為實(shí)際振動(dòng)采收裝置的設(shè)計(jì)和采收方案提供必要支持。

圖1　樣本處理

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)從3個(gè)方面出發(fā)，依次研究激振頻率、振動(dòng)夾持點(diǎn)、激振位移對(duì)果樹振動(dòng)過程中產(chǎn)生的加速度變化的影響規(guī)律；通過動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)采集到試驗(yàn)過程中各樣本點(diǎn)的加速度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理得到的加速度-頻率等的一系列關(guān)系圖；最終將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選取適用于振動(dòng)采收的最優(yōu)參數(shù)。

2.1　同夾持點(diǎn)、不同激振頻率、不同激振位移對(duì)各樣本點(diǎn)加速度的影響

2.1.1試驗(yàn)結(jié)果

圖2中(a)、(b)、(c)、(d)分別對(duì)應(yīng)的是取夾持點(diǎn)3時(shí)，振動(dòng)位移設(shè)置為3、4、5、6mm時(shí)樣本點(diǎn)5、7、9、10、13、15在不同激振頻率作用下的加速度-頻率關(guān)系圖。

圖2　夾持點(diǎn)3的各樣本點(diǎn)加速度-頻率曲線圖

2.1.2數(shù)據(jù)分析

圖2中：縱坐標(biāo)表示為樣本點(diǎn)的加速度值，橫坐標(biāo)表示電動(dòng)臺(tái)輸出的激振頻率，圖中的6條曲線分別代表著樣本點(diǎn)5、7、9、10、13、15的加速度-頻率變化。從圖2中可以看出：當(dāng)振動(dòng)頻率為5Hz時(shí)，電動(dòng)臺(tái)輸出的激振頻率及位移改變對(duì)樣本點(diǎn)加速度產(chǎn)生的影響均無明顯區(qū)別；伴隨著振動(dòng)頻率的增大，產(chǎn)生的影響呈現(xiàn)出較為明顯區(qū)別。由圖2(a)、(d)圖像明顯的看出：在樣本點(diǎn)加速度在10、20Hz處有著較大的變化；當(dāng)電動(dòng)臺(tái)輸出的激振頻率設(shè)定為20、25Hz時(shí)，樣本點(diǎn)的加速度達(dá)到其振動(dòng)位移下的較大值。將圖2中各加速度-頻率曲線與其他5個(gè)夾持點(diǎn)的曲線峰值變化進(jìn)行對(duì)比可以看出：在電動(dòng)臺(tái)輸出的激振頻率選為25Hz時(shí)，近枝端樣本點(diǎn)的加速度取到較大值，此時(shí)果樹果實(shí)與樹枝間的相對(duì)加速度也較大，果實(shí)獲得的慣性力較大，有利于果實(shí)脫落。

2.2　不同夾持點(diǎn)、不同振動(dòng)頻率、不同位移對(duì)同樣本點(diǎn)加速度的影響

2.2.1試驗(yàn)結(jié)果

圖3是選取的夾持點(diǎn)為3、4、5、6、7、8點(diǎn)時(shí)，近果枝端的樣本點(diǎn)15在位移不同激振頻率、不同激振位移作用下的加速度-夾持點(diǎn)關(guān)系圖。

圖3　樣本點(diǎn)15的加速度-夾持點(diǎn)曲線圖

2.2.2數(shù)據(jù)分析

圖3中：縱坐標(biāo)表示樣本點(diǎn)的加速度值，橫坐標(biāo)表示夾持點(diǎn)選取的位置，圖中的5條曲線分別對(duì)應(yīng)的是樣本點(diǎn)15在激振頻率為5、10、15、20、25Hz下的加速度-頻率變化。由圖3可以看出：夾持點(diǎn)的選取對(duì)樣本點(diǎn)加速度變化的影響明顯，且(a)、(d)的影響變化尤為顯著；將圖3中的曲線進(jìn)行對(duì)比可以看出：當(dāng)夾持位置選取為夾持點(diǎn)6時(shí)，樣本點(diǎn)15在各激振頻率下都獲得一個(gè)相對(duì)較高的加速度值；將樣本點(diǎn)9、10、13在同樣的振動(dòng)參數(shù)設(shè)置下得到的加速度-夾持點(diǎn)曲線與圖3中各曲線作對(duì)比均得出一致的規(guī)律，即樣本點(diǎn)在激振位置選取為夾持點(diǎn)6時(shí)獲得相對(duì)較大的加速度值。

2.3　不同夾持點(diǎn)、同振動(dòng)頻率、不同振動(dòng)位移對(duì)各樣本點(diǎn)加速度的影響

2.3.1試驗(yàn)結(jié)果

圖4是選取的夾持點(diǎn)為6、8點(diǎn)及振動(dòng)頻率為25Hz時(shí)所選取樣本點(diǎn)在不同振動(dòng)位移作用下的加速度-樣本點(diǎn)關(guān)系圖。

圖4　振動(dòng)頻率25Hz時(shí)加速度-樣本點(diǎn)曲線圖

2.3.2數(shù)據(jù)分析

圖4中：縱坐標(biāo)表示為樣本點(diǎn)的加速度值，橫坐標(biāo)表示樣本點(diǎn)，圖中的4條曲線分別對(duì)應(yīng)的是樣本點(diǎn)在激振位移為3、4、5、6mm時(shí)的加速度-頻率變化。從圖4(a)、(b)的各條曲線可以看出：電動(dòng)臺(tái)輸出的激振位移對(duì)樣本點(diǎn)加速度變化的影響明顯，同一樣本點(diǎn)獲得的加速度隨著振動(dòng)位移變化曲線近似用3/8個(gè)周期的正弦函數(shù)表示，其峰值在激振位移為5mm時(shí)取得；在同一激振位移下不同樣本點(diǎn)之間的加速度變化也存在同樣規(guī)律，即隨著樣本點(diǎn)距固定端的數(shù)值增大，所獲得的加速度也在變大，并在樣本點(diǎn)13達(dá)到極大值，隨后開始變?。粚⑵渌駝?dòng)頻率下的各樣本點(diǎn)加速度與圖4中數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比均得到一致結(jié)果。

3結(jié)論

1)同夾持位置、同振動(dòng)位移時(shí)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)振動(dòng)頻率提高，樣本點(diǎn)加速度趨于升高。

2)同夾振動(dòng)頻率、同振動(dòng)位移時(shí)，夾持點(diǎn)的選取位置對(duì)樣本點(diǎn)加速度的影響呈現(xiàn)出“兩端低、中間高”的現(xiàn)象。即夾持位置在主干兩端時(shí)，樣本點(diǎn)加速度相對(duì)較低；夾持位置選取主干中間位置時(shí)，樣本點(diǎn)獲得相對(duì)較高的加速度。

3) 同夾持位置、同振動(dòng)頻率時(shí)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)不同振動(dòng)輸出位移對(duì)同一樣本點(diǎn)及同一振動(dòng)位移對(duì)不同樣本點(diǎn)的加速度影響成近似正弦比例關(guān)系。

本次試驗(yàn)僅對(duì)果木主干在振動(dòng)采收過程中獲得的加速度進(jìn)行研究，獲得了振動(dòng)采收裝置在實(shí)際采收過程中使用的夾持位置、振動(dòng)輸出頻率、輸出位移對(duì)果木主干影響的規(guī)律；但對(duì)果樹的生長(zhǎng)土壤環(huán)境、果木枝條部分等因素的影響沒有考慮。下一步將就上述因素進(jìn)行研究，完善試驗(yàn)參數(shù)，為振動(dòng)采收裝置的設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用提供幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]S.Castro-García,G.L.Blanco-Roldán,J.A.Gil-Ribes.Vibrational and operational parameters in mechanical cone harvesting of stone pine ( Pinus pinea L.)[J]. Biosystems Engineering， 2012 (4):1124.

[2]杜小強(qiáng),倪柯楠,潘珂,等.可調(diào)振幅單向拽振式林果采收機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014(16):25-32.

[3]高團(tuán)結(jié),坎雜,馬俊貴,等.果園核桃機(jī)械化采收裝置的設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2013(5):185-189.

[4]瞿維,王春耀,王學(xué)農(nóng),等.受迫振動(dòng)下杏果實(shí)樹枝能量傳遞初探[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2014(7):223-227.

[5]王業(yè)成,陳海濤,林青.黑加侖采收裝置參數(shù)的優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009(3):79-83.

[6]散鋆龍,牛長(zhǎng)河,喬圓圓,等.林果機(jī)械化收獲研究現(xiàn)狀、進(jìn)展與發(fā)展方向[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2013(3):499-508.

[7]S.K.J. Udumala Savary,R. Ehsani,M. Salyani,et al.Study of force distribution in the citrus tree canopy during harvest using a continuous canopy shaker[J].Computers and Electronics in Agriculture,2011，76(1)：761.

[8]李小亮.基于振動(dòng)機(jī)理的山核桃采摘樣機(jī)設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江農(nóng)林大學(xué),2012.

[9]李國英.振動(dòng)采種機(jī)振動(dòng)參數(shù)的選擇與計(jì)算[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,1984(1)：101-115.

[10]李樹森,彭程,田倩,等.基于ANSYS的林木振動(dòng)采種機(jī)機(jī)架的動(dòng)力學(xué)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014，36(6)：49-53.

[11]Refik Polat,Ibrahim Gezer,Metin Guner,et al.Mechanical harvesting of pistachio nuts[J].Journal of Food Engineering,2006(4)：794.

[12]劉進(jìn)寶.基于樹干振動(dòng)機(jī)理的林果采摘機(jī)的設(shè)計(jì)與分析[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[13]陳度,杜小強(qiáng),王書茂,等.振動(dòng)式果品收獲技術(shù)機(jī)理分析及研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011(8):195-200.

[14]湯智輝,孟祥金,沈從舉,等.機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010,32(8):65-69.

[15]蔡菲,王春耀,王學(xué)農(nóng),等.基于高速攝像技術(shù)的振動(dòng)落果慣性力研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2013(4):208-212.

[16]王長(zhǎng)勤.偏心式林果振動(dòng)采收機(jī)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2012.

Experimental Study on the Impact of Vibration Parameters on Fruit Trees

Fan Leigang， Wang Chunyao， Liu Mengxia， Luo Jianqing

Abstract：From tree fruit harvest actual requirement, to solve the problem of the continuous mechanical vibration picking the tree class fruit trees, this paper introduces the continuous vibration effect in the process of fruit harvested testing the effect of vibration, electric vibration test system to clamping of fruit tree trunk different positions, different types of the excitation vibration experiments, using dynamic signal test and analysis system for data collection and output, to get the fruit trees at different positions under different vibration frequency and amplitude of acceleration data and curve, and analysis and comparison.Results show that when the distance and holding the position of the main fruit trees fixed end to 60 cm, vibration test system output frequency of 25 hz, the vibration displacement is 5 mm, fruit trees get acceleration is bigger;The relative acceleration between the branches and fruit also larger;For the research of vibration picking device to provide necessary theoretical basis.

Key words：fruit trees; vibration picking；frequence；amplitude；acceleration

中圖分類號(hào)：S225.93；TH16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0165-04

作者簡(jiǎn)介：范雷剛(1990-)，男，山東臨沂人，碩士研究生，(E-mail)18669668652@163.com。通訊作者：王春耀(1956-)，男，四川萬源人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)wangchun_yao@126.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465054)

收稿日期：2015-10-30