振动参数对果树采收影响的试验研究

范雷刚，王春耀，刘梦霞，罗建清

(新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐　830047)



振动参数对果树采收影响的试验研究

范雷刚，王春耀，刘梦霞，罗建清

(新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐830047)

摘要：从乔木类果品采收实际要求出发，旨在解决乔木类果树的连续机械振动采收问题。为此，进行了连续激振式采收过程中影响果树振动效果的试验。通过电动振动试验系统对果树主干不同位置进行夹持，施加不同类型激振力进行振动试验，利用动态信号测试分析系统进行数据采集和输出，获得不同振动频率、振幅下果树不同位置的加速度数据及曲线，并进行分析和对比。结果表明：当夹持主干的位置距离果树固定端为60cm、振动测试系统输出振动频率为25Hz、激振位移为5mm时，果树获得加速度较大；树枝和果实之间的相对加速度也较大。该试验为振动采收装置的研究提供必要的理论依据。

关键词：果树；振动采收；频率；振幅；加速度；

0引言

新疆盛产苹果、核桃、杏子等乔木类果品，种植面积居全国前列。这类水果在成熟期必须尽快完成采摘过程，否则会因水果品质不佳影响出售及后续加工；而传统的水果采摘方式受效率低、耗费人工等诸多因素制约，不能满足新疆地区这种大面积种植模式的采摘需求。为了提高果农的经济收益，近年来国内外的农业机械厂家向市场推出了各类振动采收机，水果采收从人工到机械化的步伐在不断向前迈进；然而，在实际采收过程中仍然存在着诸多问题，如落果效率低及采收后果树损伤等。

国内外不少学者对振动参数对采收效率的影响进行研究：Castro-García等从形态学角度建立橄榄树的受迫振动动力模型[1]；杜小强等从振幅角度对采收装置进行设计和优化[1，13]；李国英等针对南方主要造林树种-杉树从振幅和频率角度对果种掉落的影响进行研究[9]；刘金宝等从树干振动机理角度对采收装置进行设计及优化[12]。本文对实际采收过程中振动频率、振动位移及夹持位置对果树采收效率的影响进行试验研究，从而为振动采收装置的研究提供必要的理论依据。

1材料与方法

1.1　试验设备

电动振动试验系统包括：电动台DC-600-5、SV-0505水平滑台、功率放大器SA-5、RC-3000-2振动控制仪。信号采集及分析系统包括5922N动态信号测试分析系统、压电式加速度传感器DH311E及DHDAS软件等。

1.2　试验材料

试验样本选自新疆地区5年生海棠果树整株进行实际测试研究。

1.3　试验方法

1)对样本形态进行分析，选取三叉型平面与水平滑台平行放置，使用固定夹持装置对样本根部进行固定，模拟地面土壤对果树的固定效果，对样木主干进行位置划分，以根部固定端为起始点，间隔为10cm，共划分15个样本点(见图1)，并在样本点处安装垂直于电动台振动方向的固定装置以便于加速度传感器放置。

2)使用水平滑台通过夹持装置对样木进行夹持，试验过程中夹持点分别选取图1中设定的样本点3、4、5、6、7、8。

3)将加速度传感器安装在样木主干的样本点固定装置上，通过信号线传输试验过程中样本点采集到的实时加速度数据。

4)试验过程中，通过改变电动台输出的频率和位移来模拟不同振动采收装置的激振力，具体为：在同夹持点下设置4组试验，分别将电动台的输出激振位移设置为3、4、5、6；同时，在每组试验中又将电动台输出的激振频率作为变量，设置为5、10、15、20、25Hz阶梯频率进行对比试验；并通过信号采集系统得到试验样木各样本点的加速度数据。

本试验借助动态信号测试分析系统对振动全过程进行采集，研究各样本点加速度在不同夹持位置、不同激振位移、不同激振频率作用下的变化规律，为实际振动采收装置的设计和采收方案提供必要支持。

图1　样本处理

2试验结果与分析

试验从3个方面出发，依次研究激振频率、振动夹持点、激振位移对果树振动过程中产生的加速度变化的影响规律；通过动态信号采集分析系统采集到试验过程中各样本点的加速度数据，将数据处理得到的加速度-频率等的一系列关系图；最终将试验结果进行对比，选取适用于振动采收的最优参数。

2.1　同夹持点、不同激振频率、不同激振位移对各样本点加速度的影响

2.1.1试验结果

图2中(a)、(b)、(c)、(d)分别对应的是取夹持点3时，振动位移设置为3、4、5、6mm时样本点5、7、9、10、13、15在不同激振频率作用下的加速度-频率关系图。

图2　夹持点3的各样本点加速度-频率曲线图

2.1.2数据分析

图2中：纵坐标表示为样本点的加速度值，横坐标表示电动台输出的激振频率，图中的6条曲线分别代表着样本点5、7、9、10、13、15的加速度-频率变化。从图2中可以看出：当振动频率为5Hz时，电动台输出的激振频率及位移改变对样本点加速度产生的影响均无明显区别；伴随着振动频率的增大，产生的影响呈现出较为明显区别。由图2(a)、(d)图像明显的看出：在样本点加速度在10、20Hz处有着较大的变化；当电动台输出的激振频率设定为20、25Hz时，样本点的加速度达到其振动位移下的较大值。将图2中各加速度-频率曲线与其他5个夹持点的曲线峰值变化进行对比可以看出：在电动台输出的激振频率选为25Hz时，近枝端样本点的加速度取到较大值，此时果树果实与树枝间的相对加速度也较大，果实获得的惯性力较大，有利于果实脱落。

2.2　不同夹持点、不同振动频率、不同位移对同样本点加速度的影响

2.2.1试验结果

图3是选取的夹持点为3、4、5、6、7、8点时，近果枝端的样本点15在位移不同激振频率、不同激振位移作用下的加速度-夹持点关系图。

图3　样本点15的加速度-夹持点曲线图

2.2.2数据分析

图3中：纵坐标表示样本点的加速度值，横坐标表示夹持点选取的位置，图中的5条曲线分别对应的是样本点15在激振频率为5、10、15、20、25Hz下的加速度-频率变化。由图3可以看出：夹持点的选取对样本点加速度变化的影响明显，且(a)、(d)的影响变化尤为显著；将图3中的曲线进行对比可以看出：当夹持位置选取为夹持点6时，样本点15在各激振频率下都获得一个相对较高的加速度值；将样本点9、10、13在同样的振动参数设置下得到的加速度-夹持点曲线与图3中各曲线作对比均得出一致的规律，即样本点在激振位置选取为夹持点6时获得相对较大的加速度值。

2.3　不同夹持点、同振动频率、不同振动位移对各样本点加速度的影响

2.3.1试验结果

图4是选取的夹持点为6、8点及振动频率为25Hz时所选取样本点在不同振动位移作用下的加速度-样本点关系图。

图4　振动频率25Hz时加速度-样本点曲线图

2.3.2数据分析

图4中：纵坐标表示为样本点的加速度值，横坐标表示样本点，图中的4条曲线分别对应的是样本点在激振位移为3、4、5、6mm时的加速度-频率变化。从图4(a)、(b)的各条曲线可以看出：电动台输出的激振位移对样本点加速度变化的影响明显，同一样本点获得的加速度随着振动位移变化曲线近似用3/8个周期的正弦函数表示，其峰值在激振位移为5mm时取得；在同一激振位移下不同样本点之间的加速度变化也存在同样规律，即随着样本点距固定端的数值增大，所获得的加速度也在变大，并在样本点13达到极大值，随后开始变小；将其他振动频率下的各样本点加速度与图4中数据进行对比均得到一致结果。

3结论

1)同夹持位置、同振动位移时，在试验范围内振动频率提高，样本点加速度趋于升高。

2)同夹振动频率、同振动位移时，夹持点的选取位置对样本点加速度的影响呈现出“两端低、中间高”的现象。即夹持位置在主干两端时，样本点加速度相对较低；夹持位置选取主干中间位置时，样本点获得相对较高的加速度。

3) 同夹持位置、同振动频率时，在试验范围内不同振动输出位移对同一样本点及同一振动位移对不同样本点的加速度影响成近似正弦比例关系。

本次试验仅对果木主干在振动采收过程中获得的加速度进行研究，获得了振动采收装置在实际采收过程中使用的夹持位置、振动输出频率、输出位移对果木主干影响的规律；但对果树的生长土壤环境、果木枝条部分等因素的影响没有考虑。下一步将就上述因素进行研究，完善试验参数，为振动采收装置的设计及实际应用提供帮助。

参考文献：

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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

中图分类号：S225.93；TH16

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0165-04

作者简介：范雷刚(1990-)，男，山东临沂人，硕士研究生，(E-mail)18669668652@163.com。通讯作者：王春耀(1956-)，男，四川万源人，教授，硕士生导师，(E-mail)wangchun_yao@126.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51465054)

收稿日期：2015-10-30