范雷剛，王春耀，劉夢霞，羅建清

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊　830047)

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振動參數(shù)對果樹采收影響的試驗研究

范雷剛，王春耀，劉夢霞，羅建清

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊830047)

摘要：從喬木類果品采收實際要求出發(fā)，旨在解決喬木類果樹的連續(xù)機械振動采收問題。為此，進行了連續(xù)激振式采收過程中影響果樹振動效果的試驗。通過電動振動試驗系統(tǒng)對果樹主干不同位置進行夾持，施加不同類型激振力進行振動試驗，利用動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和輸出，獲得不同振動頻率、振幅下果樹不同位置的加速度數(shù)據(jù)及曲線，并進行分析和對比。結(jié)果表明：當夾持主干的位置距離果樹固定端為60cm、振動測試系統(tǒng)輸出振動頻率為25Hz、激振位移為5mm時，果樹獲得加速度較大；樹枝和果實之間的相對加速度也較大。該試驗為振動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)濟收益，近年來國內(nèi)外的農(nóng)業(yè)機械廠家向市場推出了各類振動采收機，水果采收從人工到機械化的步伐在不斷向前邁進；然而，在實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)外不少學者對振動參數(shù)對采收效率的影響進行研究：Castro-García等從形態(tài)學角度建立橄欖樹的受迫振動動力模型[1]；杜小強等從振幅角度對采收裝置進行設計和優(yōu)化[1，13]；李國英等針對南方主要造林樹種-杉樹從振幅和頻率角度對果種掉落的影響進行研究[9]；劉金寶等從樹干振動機理角度對采收裝置進行設計及優(yōu)化[12]。本文對實際采收過程中振動頻率、振動位移及夾持位置對果樹采收效率的影響進行試驗研究，從而為振動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　試驗設備

電動振動試驗系統(tǒng)包括：電動臺DC-600-5、SV-0505水平滑臺、功率放大器SA-5、RC-3000-2振動控制儀。信號采集及分析系統(tǒng)包括5922N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)、壓電式加速度傳感器DH311E及DHDAS軟件等。

1.2　試驗材料

試驗樣本選自新疆地區(qū)5年生海棠果樹整株進行實際測試研究。

1.3　試驗方法

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

2)使用水平滑臺通過夾持裝置對樣木進行夾持，試驗過程中夾持點分別選取圖1中設定的樣本點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固定裝置上，通過信號線傳輸試驗過程中樣本點采集到的實時加速度數(shù)據(jù)。

4)試驗過程中，通過改變電動臺輸出的頻率和位移來模擬不同振動采收裝置的激振力，具體為：在同夾持點下設置4組試驗，分別將電動臺的輸出激振位移設置為3、4、5、6；同時，在每組試驗中又將電動臺輸出的激振頻率作為變量，設置為5、10、15、20、25Hz階梯頻率進行對比試驗；并通過信號采集系統(tǒng)得到試驗樣木各樣本點的加速度數(shù)據(jù)。

本試驗借助動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)對振動全過程進行采集，研究各樣本點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，為實際振動采收裝置的設計和采收方案提供必要支持。

圖1　樣本處理

2試驗結(jié)果與分析

試驗從3個方面出發(fā)，依次研究激振頻率、振動夾持點、激振位移對果樹振動過程中產(chǎn)生的加速度變化的影響規(guī)律；通過動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)采集到試驗過程中各樣本點的加速度數(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；最終將試驗結(jié)果進行對比，選取適用于振動采收的最優(yōu)參數(shù)。

2.1　同夾持點、不同激振頻率、不同激振位移對各樣本點加速度的影響

2.1.1試驗結(jié)果

圖2中(a)、(b)、(c)、(d)分別對應的是取夾持點3時，振動位移設置為3、4、5、6mm時樣本點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3的各樣本點加速度-頻率曲線圖

2.1.2數(shù)據(jù)分析

圖2中：縱坐標表示為樣本點的加速度值，橫坐標表示電動臺輸出的激振頻率，圖中的6條曲線分別代表著樣本點5、7、9、10、13、15的加速度-頻率變化。從圖2中可以看出：當振動頻率為5Hz時，電動臺輸出的激振頻率及位移改變對樣本點加速度產(chǎn)生的影響均無明顯區(qū)別；伴隨著振動頻率的增大，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：在樣本點加速度在10、20Hz處有著較大的變化；當電動臺輸出的激振頻率設定為20、25Hz時，樣本點的加速度達到其振動位移下的較大值。將圖2中各加速度-頻率曲線與其他5個夾持點的曲線峰值變化進行對比可以看出：在電動臺輸出的激振頻率選為25Hz時，近枝端樣本點的加速度取到較大值，此時果樹果實與樹枝間的相對加速度也較大，果實獲得的慣性力較大，有利于果實脫落。

2.2　不同夾持點、不同振動頻率、不同位移對同樣本點加速度的影響

2.2.1試驗結(jié)果

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

圖3　樣本點15的加速度-夾持點曲線圖

2.2.2數(shù)據(jù)分析

圖3中：縱坐標表示樣本點的加速度值，橫坐標表示夾持點選取的位置，圖中的5條曲線分別對應的是樣本點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：夾持點的選取對樣本點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中的曲線進行對比可以看出：當夾持位置選取為夾持點6時，樣本點15在各激振頻率下都獲得一個相對較高的加速度值；將樣本點9、10、13在同樣的振動參數(shù)設置下得到的加速度-夾持點曲線與圖3中各曲線作對比均得出一致的規(guī)律，即樣本點在激振位置選取為夾持點6時獲得相對較大的加速度值。

2.3　不同夾持點、同振動頻率、不同振動位移對各樣本點加速度的影響

2.3.1試驗結(jié)果

圖4是選取的夾持點為6、8點及振動頻率為25Hz時所選取樣本點在不同振動位移作用下的加速度-樣本點關(guān)系圖。

圖4　振動頻率25Hz時加速度-樣本點曲線圖

2.3.2數(shù)據(jù)分析

圖4中：縱坐標表示為樣本點的加速度值，橫坐標表示樣本點，圖中的4條曲線分別對應的是樣本點在激振位移為3、4、5、6mm時的加速度-頻率變化。從圖4(a)、(b)的各條曲線可以看出：電動臺輸出的激振位移對樣本點加速度變化的影響明顯，同一樣本點獲得的加速度隨著振動位移變化曲線近似用3/8個周期的正弦函數(shù)表示，其峰值在激振位移為5mm時取得；在同一激振位移下不同樣本點之間的加速度變化也存在同樣規(guī)律，即隨著樣本點距固定端的數(shù)值增大，所獲得的加速度也在變大，并在樣本點13達到極大值，隨后開始變小；將其他振動頻率下的各樣本點加速度與圖4中數(shù)據(jù)進行對比均得到一致結(jié)果。

3結(jié)論

1)同夾持位置、同振動位移時，在試驗范圍內(nèi)振動頻率提高，樣本點加速度趨于升高。

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

3) 同夾持位置、同振動頻率時，在試驗范圍內(nèi)不同振動輸出位移對同一樣本點及同一振動位移對不同樣本點的加速度影響成近似正弦比例關(guān)系。

本次試驗僅對果木主干在振動采收過程中獲得的加速度進行研究，獲得了振動采收裝置在實際采收過程中使用的夾持位置、振動輸出頻率、輸出位移對果木主干影響的規(guī)律；但對果樹的生長土壤環(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行研究，完善試驗參數(shù)，為振動采收裝置的設計及實際應用提供幫助。

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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

中圖分類號：S225.93；TH16

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0165-04

作者簡介：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，碩士生導師，(E-mail)wangchun_yao@126.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51465054)

收稿日期：2015-10-30