桑葚振動(dòng)采摘參數(shù)的試驗(yàn)研究

丁紅星，李敏通，彭　俊，劉志杰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌　712100)

?

桑葚振動(dòng)采摘參數(shù)的試驗(yàn)研究

丁紅星，李敏通，彭俊，劉志杰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌712100)

摘要：我國(guó)大部分桑葚種植于山丘地區(qū)，存在采摘作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大、人力支出費(fèi)用高昂等問(wèn)題。因此，必須對(duì)桑葚的脫落特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，探尋桑葚振動(dòng)采摘的適宜參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)桑葚的機(jī)械化采收提供指導(dǎo)，以此促進(jìn)桑葚產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。通過(guò)高速相機(jī)設(shè)備及東華動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)桑葚的振動(dòng)脫落規(guī)律進(jìn)行研究，探尋桑葚振動(dòng)采收的最佳振動(dòng)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：桑葚在振幅為18mm、轉(zhuǎn)速為1 700r/min、主振頻率為28Hz時(shí)，果實(shí)獲得最佳的采摘率，且果樹(shù)樹(shù)體無(wú)損傷，無(wú)生果落果；過(guò)大的振幅將引起果樹(shù)樹(shù)干的劇烈振動(dòng)，同時(shí)生果將隨熟果一起脫落；過(guò)大的振動(dòng)頻率將對(duì)樹(shù)體造成破壞，振動(dòng)裝置與樹(shù)體的接觸部位出現(xiàn)明顯損傷；過(guò)小的頻率或振幅所獲得果實(shí)收獲率較低。

關(guān)鍵詞：桑葚；動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)；振動(dòng)采摘

0引言

隨著特色效益農(nóng)業(yè)的深入發(fā)展，蠶桑業(yè)開(kāi)始向蠶桑綜合應(yīng)用的方向發(fā)展，尤其是桑葚的營(yíng)養(yǎng)成分、醫(yī)療保健作用被研究者深入研究。研究者在保留桑葚營(yíng)養(yǎng)的基礎(chǔ)上，逐漸研發(fā)了桑葚酒、桑葚醋、桑葚糖、桑葚蜜餞、桑葚蜜膏及桑葚果醬等系列保健產(chǎn)品，將桑葚資源充分利用[1]。然而在桑葚系列產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中所需求的桑果收獲環(huán)節(jié)是最重要的環(huán)節(jié)，所用勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中所用勞動(dòng)力的33%～50%[2-4]。同時(shí)，我國(guó)大部分桑葚種植于山丘地區(qū)，導(dǎo)致桑果采摘作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大、人力支出費(fèi)用高昂等問(wèn)題[5-9]，所以目前的人工采摘作業(yè)已經(jīng)無(wú)法完成桑葚的大面積采摘作業(yè)需求，反而常因采摘人員的短缺，造成大面積的落果，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[6-9]。因此，必須對(duì)桑葚的振動(dòng)脫落特性進(jìn)行一定的試驗(yàn)研究，探尋桑葚振動(dòng)采摘的適宜參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)桑葚的機(jī)械化采收提供指導(dǎo)，以此促進(jìn)桑葚產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[10-11]。

1材料與方法

1.1　材料

選取陜西省興平試驗(yàn)站4年生蠶桑樹(shù)。

1.2　試驗(yàn)儀器

主要儀器：往復(fù)振動(dòng)發(fā)生器、功率放大器、信號(hào)源、東華5920動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)、壓電式三軸加速度傳感器、i-SPEEDTR高速相機(jī)及i-speed處理軟件等。

1.3　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以4年生蠶桑植株為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通往復(fù)振動(dòng)發(fā)生器為植株的受迫運(yùn)動(dòng)提供源動(dòng)力，利用壓電式三軸加速度傳感器對(duì)受迫運(yùn)動(dòng)下的蠶桑植株加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，與之相連接的東華測(cè)試測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤記錄和儲(chǔ)存。試驗(yàn)中，采用高速相機(jī)對(duì)蠶桑植株的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及果實(shí)的瞬間脫落過(guò)程進(jìn)行捕捉。試驗(yàn)裝置圖如圖1所示。

圖1　桑葚振動(dòng)脫落試驗(yàn)裝置圖

1.4　試驗(yàn)過(guò)程

1)以盛果期的4年生蠶桑樹(shù)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)信號(hào)源選擇合適的激振信號(hào)，經(jīng)功率放大器傳遞給往復(fù)振動(dòng)發(fā)生器，最終將作用力傳遞給蠶桑樹(shù)樹(shù)枝。

2)選擇合適的振點(diǎn)拾取位置，按照一定的順序和方向布置壓電式加速度傳感器，對(duì)振動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行拾取。

3)通過(guò)往復(fù)振動(dòng)發(fā)生器產(chǎn)生往復(fù)振動(dòng)力并施加于采摘枝干，采摘樹(shù)干在外力的影響下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。通過(guò)布置于采摘樹(shù)干的三軸加速度傳感器，對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)刻下的樹(shù)枝加速度進(jìn)行跟蹤采集；通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到相應(yīng)的速度值，以便于對(duì)蠶桑樹(shù)體振動(dòng)規(guī)律做進(jìn)一步的研究。

4)振動(dòng)裝置連接桿部位布置加速度傳感器，對(duì)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速下的采摘裝置加速度值采集。

5)通過(guò)i-SPEEDTR高速相機(jī)對(duì)振動(dòng)樹(shù)枝上的成熟果實(shí)的脫落過(guò)程進(jìn)行捕捉，通過(guò)軟件處理對(duì)果蒂部位的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤繪制，對(duì)振動(dòng)過(guò)程中果蒂與主干的夾角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究蠶桑葚實(shí)在脫落過(guò)程中的果蒂運(yùn)動(dòng)軌跡，從而為果實(shí)振動(dòng)設(shè)備的研發(fā)提供必要的理論數(shù)據(jù)。

2結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

2.1　桑葚脫落過(guò)程瞬時(shí)速度分析

試驗(yàn)中，使用高速相機(jī)對(duì)靈果振動(dòng)脫落過(guò)程中桑葚果實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行追蹤記錄,利用軟件i-SPEED Software Suite軟件對(duì)追蹤記錄的桑葚側(cè)枝上桑葚運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行處理分析。選取多組熟果和生果生長(zhǎng)于同一枝干的樹(shù)枝作為桑葚運(yùn)動(dòng)軌跡的研究對(duì)象，分別選取熟果和生果的果實(shí)與主干的連接處、果實(shí)的果蒂部位作為特征部位進(jìn)行標(biāo)記，對(duì)其的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行追蹤分析。運(yùn)動(dòng)軌跡特征標(biāo)記點(diǎn)選取如圖2所示。

圖2　運(yùn)動(dòng)軌跡特征標(biāo)記點(diǎn)

試驗(yàn)中，將桑葚熟果脫落時(shí)刻的前后10幀作為分析時(shí)間序列，共選取21幀作為研究對(duì)象，對(duì)桑葚的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析。分析中，將熟果果實(shí)與主干的連接處及果蒂部位分別標(biāo)記為T(mén)rack Point 1 speed和Track Point 2 speed；將生果的果實(shí)與主干的連接處果蒂部位的標(biāo)記分別記為T(mén)rack Point 3 speed和Track Point 4 speed。利用軟件Matlab對(duì)熟果和生果脫落瞬間的瞬時(shí)速度繪制速度曲線圖，如圖3所示。

圖3　桑葚時(shí)刻速度曲線圖

由圖3可知：遠(yuǎn)離振動(dòng)源端的主干振動(dòng)速度明顯小于靠近主干端的運(yùn)動(dòng)速度，整個(gè)過(guò)程中主干的振動(dòng)速度在0～2 000mm/s的范圍內(nèi)變化;生果與熟果果蒂部位的瞬時(shí)速度變化明顯大于主干的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)速度，起伏變化明顯。通過(guò)逐幀分析發(fā)現(xiàn)：熟果是在729ms時(shí)徹底斷裂，與果樹(shù)主干分離；在725ms時(shí)與主干連接處出現(xiàn)明顯裂痕，此時(shí)刻各標(biāo)記點(diǎn)的速度值基本都在1 100mm/s左右；在后一時(shí)刻，熟果的果蒂部位瞬時(shí)速度直線增加，而生果的果蒂部位瞬時(shí)速度也相應(yīng)增加，單增加幅度遠(yuǎn)小于熟果果蒂部位的速度變化量；在729ms時(shí)，熟果從主干脫落，熟果果蒂部位的瞬時(shí)速度在脫離主干后直線急劇增加，在730ms時(shí)達(dá)到了最大瞬時(shí)速度8 238.932 0mm/s，隨后熟果的瞬時(shí)速度也相應(yīng)減?。欢墓俨课辉诿撀渌查g的瞬時(shí)速度突然增加，但幅值較小，因此在熟果脫落后生果繼續(xù)在振動(dòng)源的影響下做被迫運(yùn)動(dòng)，但未從主干脫離；在熟果脫落瞬間，熟果所在處主干瞬時(shí)速度達(dá)到主干最大瞬時(shí)速度2 340.940 0mm/s，而生果所在的主干其瞬時(shí)速度在這一刻與其他3個(gè)特征點(diǎn)相比較，瞬時(shí)速度最小。

因此，熟果與生果的果蒂部位的脫落力大小是不同的，在同等運(yùn)動(dòng)條件下，熟果更容易從主干脫離。熟果在脫離的時(shí)刻，生果、熟果與主干連接處的速度達(dá)到同等的瞬時(shí)速度。在脫落后，熟果的瞬時(shí)速度達(dá)到最大值，而其所在的主干瞬時(shí)速度達(dá)到最小值；而生果所在的主干及生果的果蒂部位，在熟果脫落后其瞬時(shí)速度較之前相對(duì)減小。

2.2　桑葚脫落特性分析

林果的機(jī)械化采收作業(yè)中，果實(shí)的收獲率主要取決于振動(dòng)采摘裝置的振蕩頻率和振動(dòng)幅度。過(guò)大的振動(dòng)頻率或振幅雖然也能實(shí)現(xiàn)果實(shí)振動(dòng)采收的目的，但將對(duì)果樹(shù)的正常生長(zhǎng)造成傷害；過(guò)小的振動(dòng)頻率或振幅將也能實(shí)現(xiàn)果實(shí)機(jī)械化采收的目的，但收獲效率較低。表1為采摘裝置在不同振幅下的頻率、收獲率統(tǒng)計(jì)表。

表1　采摘裝置不同振幅下的頻率、收獲率統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表1

表1表明：隨著轉(zhuǎn)速的增加，收獲率逐漸增大，轉(zhuǎn)速越大，收獲率越高；采摘裝置主振頻率也隨振幅的增大而增大。當(dāng)振幅為13mm時(shí)，果實(shí)收獲率小于振幅為23mm時(shí)的果實(shí)收獲率；振幅的大小嚴(yán)重影響果實(shí)的收獲率，隨著振幅的增加果實(shí)的收獲率也會(huì)隨之增加。振動(dòng)裝置的主振頻率也在15～32Hz的范圍內(nèi)變化，隨著振動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速的變化，主振頻率也隨之發(fā)生變化。不同振幅、相同轉(zhuǎn)速下，振幅大的振動(dòng)裝置的果實(shí)收獲率較為理想；相同振幅、不同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速越大，果實(shí)的收獲率越理想。

振幅—頻率變化關(guān)系圖如圖4所示，振幅—收獲率變化關(guān)系圖如圖5所示。由圖4和圖5可知：當(dāng)振幅為13mm時(shí)，轉(zhuǎn)速?gòu)? 250r/min逐漸增加，當(dāng)增至2 000r/min時(shí)，振動(dòng)裝置的主振頻率從16.4Hz增至31.28Hz，桑葚收獲率也逐漸增加，在最大轉(zhuǎn)速時(shí)收獲率為89.7%。當(dāng)振幅為13mm、轉(zhuǎn)速為1 850r/min時(shí)，振動(dòng)裝置與果樹(shù)的接觸部位樹(shù)皮破裂；當(dāng)振幅為18mm時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加振動(dòng)裝置主振頻率也隨之增加，在測(cè)量范圍內(nèi)，振動(dòng)裝置的主振頻率從20.63Hz增加至31.28Hz，最大收獲率為92.4%；當(dāng)振幅為18mm、轉(zhuǎn)速為1 850r/min時(shí)，接觸部位的樹(shù)皮破損；當(dāng)振幅為23mm時(shí)，主振頻率和收獲率隨轉(zhuǎn)速增加而增加，在最大轉(zhuǎn)速時(shí)收獲率為95.7%；當(dāng)振幅為23mm、轉(zhuǎn)速為1 550r/min時(shí)，樹(shù)體主干出現(xiàn)劇烈的振動(dòng)，同時(shí)生果也從主干脫落。

由分析得知：振幅過(guò)大時(shí)，會(huì)引起樹(shù)體主干的劇烈振動(dòng)，同時(shí)生果隨熟果一起從主干脫落，對(duì)果樹(shù)的生長(zhǎng)造成了一定的損傷，也不利于果實(shí)的健康生長(zhǎng)；振幅過(guò)小時(shí)，采摘效率低下，也不符合機(jī)械化作業(yè)的設(shè)計(jì)要求。振動(dòng)裝置主振頻率過(guò)大時(shí)，振動(dòng)裝置與樹(shù)體的接觸部位的樹(shù)皮組織破損，造成樹(shù)體破損；振動(dòng)裝置主振頻率過(guò)小時(shí)，采摘效率較低，不符合機(jī)械化作業(yè)要求。在桑葚振動(dòng)采摘試驗(yàn)中，當(dāng)振幅為18mm、轉(zhuǎn)速為1 700r/min時(shí)，主振頻率為28Hz，收獲率為90.4%，采摘的果實(shí)無(wú)生果，采摘裝置與樹(shù)體接觸部位無(wú)損傷，為桑葚振動(dòng)采摘的最理想采摘參數(shù)。

圖4　振幅-頻率變化曲線圖

圖5　振幅-收獲率變化曲線圖

3結(jié)論

1)在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，振動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)速越大，果實(shí)的收獲率越高。

2)振動(dòng)裝置的主振頻率隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大。

3)振動(dòng)裝置振幅過(guò)大，會(huì)引起樹(shù)體主干的劇烈振動(dòng)，同時(shí)生果也將隨熟果一起脫落；振幅過(guò)小，采摘效率較低。振動(dòng)裝置主振頻率過(guò)大，將對(duì)果樹(shù)的樹(shù)皮組織造成損傷；主振頻率過(guò)小，采摘效率較低。

4)桑葚振動(dòng)采摘的最理想?yún)?shù)為振幅18mm，轉(zhuǎn)速1 700r/min ,主振頻率28Hz，果實(shí)收獲率90.4%，落果中無(wú)生果，振動(dòng)裝置與主干的接觸部位無(wú)明顯損傷。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡菲，衛(wèi)舂耀，七學(xué)農(nóng).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.

[2]吳婧婧，梁桂秋，陸春霞.果桑及桑葚開(kāi)發(fā)利用研究進(jìn)展[J].資源與生, 2011(17):319-320.

[3]傅隆生.日本高灌藍(lán)莓采收最適線鍋振動(dòng)速度(摘選)[J].農(nóng)業(yè)工程, 2012(2):119-121.

[4]郭艷玲,鮑玉冬,何培莊.手推式矮叢藍(lán)莓采摘機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程, 2012(7)：40-45.

[5]祁高展.我國(guó)桑葚資源開(kāi)發(fā)與利用綜述[J].工業(yè)技術(shù), 2012(1):37-43.

[6]湯智輝，沈從舉，孟祥金,等.4YS-24 型紅棗收獲機(jī)的研制[J].新疆農(nóng)機(jī)化,2010(1):30-32．

[7]翁凌云，許林云. Y型果樹(shù)動(dòng)力學(xué)模型假設(shè)與分析[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2013,35(4):19-24.

[8]王敏，曹肆林，何義川,等.機(jī)械振動(dòng)式沙棘采收機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2013,35(1):109-111．

[9]王業(yè)成，袁威，陳海濤,等．便攜式小漿果采收器[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011(S1):181-183．

[10]王業(yè)成，陳海濤，邱立春.黑加侖干枝的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011(S2):45-49.

[11]王長(zhǎng)勤，許林云，周宏平.偏心式林果振動(dòng)收機(jī)的研制與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程,2012(16):18-24.

Abstract ID:1003-188X(2016)10-0183-EA

Experimental Study on the Vibration Parameters of Mulberry Picking

Ding Hongxing， Li Mintong， Peng Jun， Liu Zhijie

(College of Mechanical and Electronic Engineering ,Northwest A & F University,Yangling 712100,China)

Abstract：in China, most of the mulberry planting in mountainous areas are picking operating environment is complex, high labor intensity and cost of human high, so we must to shedding characteristics of mulberry of certain experimental study and explore picking mulberry vibration suitable parameters, in order to realize the mechanization of mulberry harvest to provide guidance, so as to promote the healthy development of the mulberry industry. This paper through high speed camera equipment, the Tung Wah Group of dynamic testing system of mulberry of vibration abscission research, to explore the mulberry vibration harvesting optimum vibration parameters. The experimental results show that: the mulberry in amplitude is 18mm, speed 1700r/min and main vibration frequency to 28Hz fruit to get the best picking rate and fruit tree without damage, no fruit drop; large amplitude will cause violent vibration of the fruit tree trunks, and fruits with ripe fruit fall together; too large vibration frequency of tree damage, vibration device and the tree body contact parts of the apparent injury; small frequency or amplitude obtained harvest rate is low.

Key words：mulberry; dynamic testing system; mulberry picking

中圖分類(lèi)號(hào)：S225.93

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0183-04

作者簡(jiǎn)介：丁紅星(1991-)，男，新疆奎屯人，碩士研究生，(E-mail)726177827@qq.com。通訊作者：李敏通(1968-)，男，陜西武功人，副教授，(E-mail)lmtyd@nwsuaf.edu.cn。

基金項(xiàng)目：農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新與攻關(guān)項(xiàng)目(2015NY050)

收稿日期：2015-10-02