何 苗，坎 雜，李成松，王麗紅，楊蘭濤，王 哲

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832003）

枸杞振動(dòng)采收機(jī)理分析與試驗(yàn)

何 苗，坎 雜，李成松※，王麗紅，楊蘭濤，王 哲

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832003）

為深入研究枸杞振動(dòng)采收機(jī)理，該文基于果-蒂分離條件及枸杞枝條間的動(dòng)態(tài)傳遞特性進(jìn)行試驗(yàn)研究分析，獲得枸杞振動(dòng)采收條件。利用振動(dòng)分離試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行結(jié)果枝果-蒂振動(dòng)分離試驗(yàn)，探尋最優(yōu)采摘效果的振動(dòng)參數(shù)組合，即激振頻率18.22 Hz、激振振幅7.87 mm和枝條通過裝置的行進(jìn)速度20.93 mm/s，分析該組合參數(shù)下結(jié)果枝的加速度響應(yīng)，獲得枸杞果-蒂分離條件。在田間采用高速攝像系統(tǒng)對(duì)枸杞枝條間的振動(dòng)傳遞情況進(jìn)行跟蹤拍攝，并用高速運(yùn)動(dòng)分析軟件ProAnalyst對(duì)枸杞枝條的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析，獲得枸杞三級(jí)枝和結(jié)果枝（四級(jí)枝）的加速度響應(yīng)關(guān)系。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，獲得了不同激振情況下枸杞振動(dòng)采收所需加速度，即當(dāng)所有結(jié)果枝被直接激振時(shí)，被激振處的加速度需要達(dá)到518.38～551.06 m/s2，結(jié)果枝末端加速度需要達(dá)到347.64～390.56 m/s2；當(dāng)存在結(jié)果枝未被直接激振，而三級(jí)枝全部被直接激振時(shí)，三級(jí)枝被激振處加速度需要達(dá)到1 738.20～1 952.80 m/s2。該文研究結(jié)果可為枸杞機(jī)械化采收提供參考。

農(nóng)作物；機(jī)械化；振動(dòng)；枸杞；動(dòng)態(tài)響應(yīng)

0 引 言

枸杞作為一種食藥同源食品，具有預(yù)防癌癥、降低血糖血壓、延緩衰老等多種保健功效[1-2]，在中國的種植面積也逐年增加[3]。枸杞屬于無限花序植物，每年需采摘多次[4]，人工采收存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、費(fèi)用高等問題[5-7]。現(xiàn)有研究表明，振動(dòng)式裝置在果品采收上具有明顯優(yōu)勢(shì)[8]，因此研究果-蒂分離條件及枸杞植株的振動(dòng)傳遞特性，尋求振動(dòng)采收機(jī)理具有重要意義。

So[9]選取枸杞枝條進(jìn)行枸杞振動(dòng)分離室內(nèi)試驗(yàn)，確定了成熟果實(shí)分離率最高時(shí)主要因素的參數(shù)；張最等[10]對(duì)枸杞結(jié)果枝進(jìn)行仿真分析確定了合理的迫振載荷施加位置和振動(dòng)角頻率，但上述文獻(xiàn)并未對(duì)枸杞三級(jí)枝與四級(jí)枝之間的振動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究。

國內(nèi)外對(duì)果品采收機(jī)理開展了大量研究，Bentaher等[11]通過仿真分析得到測(cè)試點(diǎn)加速度并判斷橄欖果枝分離慣性力的大??；Chen等[12-17]通過加速度傳感器測(cè)試樹枝上各測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)加速度分析了櫻桃、銀杏等果樹的振動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)；瞿維等[18]采用高速攝像儀對(duì)杏樹樹枝的能量傳遞進(jìn)行了研究；王長勤等[19-26]通過振動(dòng)試驗(yàn)研究了影響黑加侖、核桃等果品果-蒂分離率的主要影響因素；李成松[27]采用理論和試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了葡萄果-蒂分離的條件和主要影響因素。

本文擬將加速度作為動(dòng)態(tài)響應(yīng)的主要指標(biāo)[28]，研究分析枸杞果-蒂分離條件和枸杞枝條間動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系，確定不同激振情況下激振處所需加速度范圍，以期為枸杞機(jī)械化采收提供參考。

1 枸杞結(jié)果枝的果-蒂振動(dòng)分離試驗(yàn)

前期調(diào)研統(tǒng)計(jì)分析，枸杞植株主要由一個(gè)主枝及四級(jí)分枝組成，樹形示意圖如圖1所示。枸杞果實(shí)均集中在結(jié)果枝（四級(jí)枝）上，結(jié)果枝相對(duì)其他分枝較為纖細(xì)，且呈下垂?fàn)?。枸杞振?dòng)采收原理是激振源激振枝條，枝條上的果實(shí)獲得加速度響應(yīng)從而形成慣性力，當(dāng)果實(shí)獲得的加速度大于果-蒂分離所需加速度時(shí)果實(shí)脫落[8]。

圖1 枸杞植株樹形示意圖Fig.1 Diagram of wolfberry tree structure

影響果-蒂分離的主要因素為慣性力、激振時(shí)間、成熟度等[29]。慣性力的主要影響因素為激振頻率和振幅[30]。將激振頻率、激振振幅和激振時(shí)間作為影響枸杞結(jié)果枝果-蒂振動(dòng)分離率的主要因素，由于試驗(yàn)裝置固定不動(dòng)，激振時(shí)間由枝條通過裝置的行進(jìn)速度決定(以下簡(jiǎn)稱行進(jìn)速度)。通過顏色判別，將全果鮮紅或黃紅的果實(shí)稱為成熟果實(shí)，將全果青綠和半青綠的果實(shí)稱為未成熟果實(shí)。統(tǒng)計(jì)每次振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果枝上落果數(shù)和未落果數(shù)，按式（1）計(jì)算分離率。

式中P為分離率，%；N1為落果數(shù)；N2為未落果數(shù)。因采摘期成熟果實(shí)和未成熟果實(shí)同時(shí)掛枝，需進(jìn)行選擇性采摘，所以試驗(yàn)時(shí)將成熟果實(shí)果-蒂分離率和未成熟果實(shí)果-蒂分離率作為響應(yīng)指標(biāo)。

本文擬通過試驗(yàn)獲得最優(yōu)采摘效果下的振動(dòng)組合參數(shù)，最優(yōu)采摘效果定義為成熟果實(shí)分離率達(dá)到最大及未成熟果實(shí)分離率達(dá)到最小。

1.1 材料與方法

本振動(dòng)分離試驗(yàn)臺(tái)包括：DC-300-3/SV-0505 電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)（蘇州蘇試試驗(yàn)儀器股份有限公司）、TC55運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（北京多普康自動(dòng)化技術(shù)有限公司）、57BYGHT直線步進(jìn)電機(jī)(上海漢霞自動(dòng)化科技有限公司)、振動(dòng)分離試驗(yàn)機(jī)架及振動(dòng)桿，如圖2所示。結(jié)果枝振動(dòng)分離過程采用FASTEC-TS4型高速攝像儀（美國，F(xiàn)astec Imaging公司）進(jìn)行跟蹤拍攝。試驗(yàn)時(shí)間為2016月8月28日，結(jié)果枝采摘地點(diǎn)為新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第七師一二四團(tuán)一連，采用隨機(jī)抽樣的方法得到60枝結(jié)果枝，試驗(yàn)在采樣后當(dāng)天完成。試驗(yàn)過程：由電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)帶動(dòng)振動(dòng)桿提供激勵(lì)，枸杞結(jié)果枝枝條裝夾在振動(dòng)分離試驗(yàn)機(jī)架上，結(jié)果枝由直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)開始做勻速直線運(yùn)動(dòng)，離開振動(dòng)區(qū)域后停止，速度由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制，結(jié)果枝在勻速直線運(yùn)動(dòng)過程中受到振動(dòng)激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)果-蒂分離。

圖2 振動(dòng)分離試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Stracture diagram of vibration separation test bench

根據(jù)試驗(yàn)條件及預(yù)試驗(yàn)分析，確定了振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的激振頻率、激振振幅以及行進(jìn)速度3個(gè)因素的主要水平。試驗(yàn)采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方法，試驗(yàn)因素水平及編碼表如表1，共進(jìn)行20組試驗(yàn)，每組重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，采用Design—Expert 8.0.5軟件進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

表1 試驗(yàn)因素水平及編碼表Table 1 Test factor level and coding table

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Test protocol and results

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過Design-Expert 8.0.5 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，如表3所示。成熟果實(shí)分離率M和未成熟果實(shí)分離率I所對(duì)應(yīng)的回歸方程為式（2）和式（3）。

式中A、B、C為頻率、振幅和速度的編碼值。

表3 回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of regression models

由回歸方程中系數(shù)絕對(duì)值大小可知各因素對(duì)成熟果實(shí)分離率和未成熟果實(shí)分離率的影響，對(duì)成熟果實(shí)分離率各因素的影響大小關(guān)系為：A>B>C，對(duì)未成熟果實(shí)分離率各因素的影響大小關(guān)系為：A>B>C。

1.2.2 參數(shù)優(yōu)化

1.2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證最終優(yōu)化參數(shù)，從新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第七師一二四團(tuán)一連采摘結(jié)果枝條30枝，在振動(dòng)分離試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，并用高速攝像系統(tǒng)跟蹤拍攝。試驗(yàn)結(jié)果為：成熟果實(shí)分離率為95.18%，未成熟果實(shí)分離率為6.43%，與優(yōu)化參數(shù)對(duì)應(yīng)結(jié)果基本相符。

1.2.4 枸杞果-蒂分離條件

通過1.2.3驗(yàn)證試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每次果-蒂分離過程至少需要振動(dòng)桿激勵(lì)枝條10次以上，從驗(yàn)證試驗(yàn)的30段視頻中任選10段，每段中選取10次振動(dòng)桿激勵(lì)結(jié)果枝時(shí)結(jié)果枝的運(yùn)動(dòng)過程。利用ProAnalyst軟件分析結(jié)果枝的振動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分析可知結(jié)果枝每受到振動(dòng)桿一次激勵(lì)都會(huì)產(chǎn)生一系列加速度波動(dòng)，從而使得結(jié)果枝產(chǎn)生擺動(dòng)，這一系列加速度中會(huì)存在一個(gè)最大值，由此獲得結(jié)果枝被激振處的最大加速度值（共計(jì)100個(gè)）和結(jié)果枝末端的最大加速度值（共計(jì)100個(gè)），根據(jù)數(shù)據(jù)總量和極差大小確定組數(shù)與組距，分別做出頻數(shù)分布圖如圖3所示。

分析數(shù)據(jù)可知，結(jié)果枝被激振處頻數(shù)最大的最大加速度均值為534.73 m/s2，95%的置信區(qū)間為[518.38，551.06]；結(jié)果枝末端頻數(shù)最大的最大加速度均值為369.10 m/s2，95%置信區(qū)間[347.64，390.56]。由此獲得枸杞果-蒂分離條件：當(dāng)結(jié)果枝被直接激振時(shí)，被激振處加速度需要達(dá)到518.38～551.06 m/s2，結(jié)果枝末端加速度需要達(dá)到347.64～390.56 m/s2；當(dāng)結(jié)果枝未被直接激振時(shí)，需要通過直接激振三級(jí)枝將振動(dòng)能量傳遞到結(jié)果枝末端，保證結(jié)果枝末端加速度達(dá)到347.64～390.56 m/s2。

圖3 結(jié)果枝被激振處與末端最大加速度頻數(shù)分布Fig.3 Frequency number distribution of maximum acceleration for vibrated position and end of fruit branch

2 枸杞枝條振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)

振動(dòng)采收時(shí)通常利用振動(dòng)源直接激振結(jié)果枝實(shí)現(xiàn)果蒂分離，但當(dāng)結(jié)果枝未被直接激振時(shí)，需依靠三級(jí)枝的振動(dòng)能量傳遞來實(shí)現(xiàn)結(jié)果枝上果-蒂分離?，F(xiàn)已獲得枸杞果-蒂分離條件，需要對(duì)三級(jí)枝與結(jié)果枝的振動(dòng)傳遞響應(yīng)進(jìn)行研究。

本流域?qū)賮啛釒夂颍邷貪駶櫠嘤?，具有明顯的干濕季節(jié)。東江流域多年平均降水量在1 500 mm～2 400 mm之間，其中4月—9月占全年降雨的80%以上。東江洪水具有水情復(fù)雜、洪水遭遇種類繁多等特點(diǎn)。由鋒面雨造成的洪水峰型較肥碩，漲水緩慢。由臺(tái)風(fēng)雨造成的洪水峰型尖瘦，漲落變化快，一次洪水過程一般為6 d～8 d。東江三角洲的潮汐屬不規(guī)則半日潮，日潮不等現(xiàn)象顯著。由于受徑流和臺(tái)風(fēng)的影響，年最高潮位一般出現(xiàn)于汛期。

2.1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)儀器為FASTEC-TS4型高速攝像儀，分辨率1 280×1 024像素，幀速率250幀/s，采用高速運(yùn)動(dòng)分析軟件ProAnalyst進(jìn)行后期處理。激振源采用尼龍桿，長度為530 mm、直徑為15 mm。試驗(yàn)時(shí)間為2016年9月23日，試驗(yàn)地點(diǎn)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第七師一二四團(tuán)一連，枸杞品種為精杞一號(hào)，4 a生植株，選取樣本100組。

試驗(yàn)時(shí)，對(duì)枸杞植株三級(jí)枝施加單次隨機(jī)激勵(lì)，該激勵(lì)方向以地面為參考系，與地面平行且垂直于高速攝像儀拍攝平面。高速攝像標(biāo)記點(diǎn)位置如圖4所示，取兩個(gè)三級(jí)枝B1、B2的中點(diǎn)為標(biāo)記點(diǎn)1和標(biāo)記點(diǎn)2，因結(jié)果枝末端離激振源較遠(yuǎn)，果實(shí)脫落所需能量較大、時(shí)間較長[18]，為保證所有果實(shí)獲得足夠的激振能量，所以將結(jié)果枝B3末端處節(jié)點(diǎn)作為標(biāo)記點(diǎn)3。

試驗(yàn)分為2個(gè)內(nèi)容：1）為尋求結(jié)果枝與父級(jí)三級(jí)枝的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系，對(duì)標(biāo)記點(diǎn)2施加單次隨機(jī)激勵(lì)，獲取標(biāo)記點(diǎn)2和標(biāo)記點(diǎn)3的加速度響應(yīng)，選取100組樣本分別進(jìn)行試驗(yàn)。2）為尋求結(jié)果枝與相鄰三級(jí)枝的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系，對(duì)標(biāo)記點(diǎn)1施加單次隨機(jī)激勵(lì)，獲取標(biāo)記點(diǎn)1和標(biāo)記點(diǎn)3的加速度響應(yīng)，選取100組樣本分別進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 高速攝像標(biāo)記點(diǎn)位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of high-speed camera marking point position

激勵(lì)過大會(huì)對(duì)植株造成損傷，激勵(lì)過小結(jié)果枝末端加速度無法滿足果-蒂分離條件，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果本試驗(yàn)在2種激勵(lì)條件下進(jìn)行：1）在盡量不對(duì)植株造成損傷的情況下對(duì)植株施加激勵(lì)，按照試驗(yàn)內(nèi)容分別選取100組樣本進(jìn)行試驗(yàn)；2）在保證結(jié)果枝末端能滿足果-蒂分離條件情況下對(duì)植株施加激勵(lì)，為減少對(duì)植株的損傷，按照試驗(yàn)內(nèi)容分別選取20組樣本進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 結(jié)果枝與父級(jí)三級(jí)枝動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系

以單次隨機(jī)激勵(lì)為例，標(biāo)記點(diǎn)2與標(biāo)記點(diǎn)3的加速度響應(yīng)如圖5所示。由圖5可知，標(biāo)記點(diǎn)3的最大加速度產(chǎn)生時(shí)間相對(duì)于標(biāo)記點(diǎn)2存在滯后現(xiàn)象，分別獲取每組試驗(yàn)標(biāo)記點(diǎn)2和標(biāo)記點(diǎn)3的加速度響應(yīng)，對(duì)每組試驗(yàn)標(biāo)記點(diǎn)2和標(biāo)記點(diǎn)3產(chǎn)生最大加速度的時(shí)間差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到時(shí)間差平均值為0.032 s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.008 s，即對(duì)標(biāo)記點(diǎn)2進(jìn)行激勵(lì)后，振動(dòng)能量需要0.032 s才能傳遞到標(biāo)記點(diǎn)3。

圖5 單次激勵(lì)時(shí)標(biāo)記點(diǎn)2與標(biāo)記點(diǎn)3加速度響應(yīng)Fig.5 Point 2 and point 3 acceleration response for single excitation

對(duì)100組試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)記點(diǎn)2和標(biāo)記點(diǎn)3的最大加速度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到標(biāo)記點(diǎn)2和標(biāo)記點(diǎn)3最大加速度值的頻數(shù)分布如圖6。用SPSS軟件對(duì)標(biāo)記點(diǎn)2和標(biāo)記點(diǎn)3最大加速度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，經(jīng) Shapiro-Wilk[31]正態(tài)性檢驗(yàn)，其Sig.值均大于0.05，因此數(shù)據(jù)呈近似正態(tài)分布。分析數(shù)據(jù)得到標(biāo)記點(diǎn)2頻數(shù)最大的最大加速度的95%置信區(qū)間為[785.61，853.58]，標(biāo)記點(diǎn)3頻數(shù)最大的最大加速度的95%置信區(qū)間為[154.37，175.41]。將兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)頻數(shù)最大的最大加速度數(shù)據(jù)用SPSS軟件做相關(guān)性分析，其顯著性于0.05，表明數(shù)據(jù)顯著相關(guān)。分析可知，若想結(jié)果枝末端加速度達(dá)到果-蒂分離條件下所需加速度347.64～390.56 m/s2，需使標(biāo)記點(diǎn)2的加速度超過其5倍，即父級(jí)三級(jí)枝被激振處加速度需要達(dá)到1 738.20～1 952.80 m/s2。

圖6 標(biāo)記點(diǎn)2和標(biāo)記點(diǎn)3最大加速度頻數(shù)分布圖Fig.6 Maximum acceleration frequency number distribution for point 2 and point 3

2.2.2 結(jié)果枝與相鄰三級(jí)枝動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系

標(biāo)記點(diǎn)3的最大加速度產(chǎn)生時(shí)間相對(duì)于標(biāo)記點(diǎn)1也存在滯后現(xiàn)象，時(shí)間差的平均值為0.048 s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.019 s，即對(duì)標(biāo)記點(diǎn)1進(jìn)行單次隨機(jī)激勵(lì)后，振動(dòng)能量需要0.048 s才能傳遞到標(biāo)記點(diǎn)3。

標(biāo)記點(diǎn)1與標(biāo)記點(diǎn)3最大加速度響應(yīng)頻數(shù)分布如圖7所示。用SPSS軟件對(duì)標(biāo)記點(diǎn)1和標(biāo)記點(diǎn)3最大加速度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，經(jīng) Shapiro-Wilk正態(tài)性檢驗(yàn)，其Sig.值均大于0.05，因此數(shù)據(jù)呈近似正態(tài)分布。分析數(shù)據(jù)得到標(biāo)記點(diǎn)1頻數(shù)最大的最大加速度的95%置信區(qū)間為[728.22，797.03]，標(biāo)記點(diǎn)3頻數(shù)最大的最大加速度的95%置信區(qū)間為[117.58，131.42]。將2個(gè)標(biāo)記點(diǎn)最大加速度數(shù)據(jù)用SPSS軟件做相關(guān)性分析，其顯著性小于0.05，表明數(shù)據(jù)顯著相關(guān)。分析可知，若想結(jié)果枝末端加速度達(dá)到果-蒂分離條件下的加速度，需使標(biāo)記點(diǎn)1的加速度超過其6倍，即相鄰三級(jí)枝被激振處加速度需要達(dá)到2 085.84～2 343.36 m/s2。

考慮到激振加速度過大會(huì)對(duì)枸杞枝條造成損傷，建議在設(shè)計(jì)枸杞采收裝置時(shí)，結(jié)構(gòu)上盡量保證結(jié)果枝均被直接激振，至少保證三級(jí)枝均被直接激振；選材上振動(dòng)桿可選用尼龍等柔韌性較好的材料，減少對(duì)枝條的損傷。

圖7 標(biāo)記點(diǎn)1和標(biāo)記點(diǎn)3最大加速度頻數(shù)分布Fig.7 Maximum acceleration frequency number distribution for point1 and point 3

2.2.3 枸杞枝條振動(dòng)響應(yīng)關(guān)系驗(yàn)證

在保證結(jié)果枝末端能滿足果-蒂分離條件情況下對(duì)植株施加隨機(jī)激勵(lì)，獲得結(jié)果枝與父級(jí)三級(jí)枝最大加速度值和結(jié)果枝與相鄰三級(jí)枝最大加速度值各20組。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖8所示，虛線為各標(biāo)記點(diǎn)最大加速度數(shù)值的平均值。

由圖8可知，對(duì)于結(jié)果枝和父級(jí)三級(jí)枝的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系分析如下：標(biāo)記點(diǎn)2最大加速度均值為1 788.25 m/s2，標(biāo)記點(diǎn)3最大加速度均值為365.26 m/s2，標(biāo)記點(diǎn)2與標(biāo)記點(diǎn)3的最大加速度響應(yīng)關(guān)系為4.9倍；對(duì)于結(jié)果枝和相鄰三級(jí)枝的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系分析如下：標(biāo)記點(diǎn)1最大加速度均值為2 119.71 m/s2，標(biāo)記點(diǎn)3最大加速度均值為368.27 m/s2，標(biāo)記點(diǎn)1與標(biāo)記點(diǎn)3的最大加速度響應(yīng)關(guān)系為5.76倍。結(jié)果枝末端加速度值均在枸杞果-蒂分離條件所需范圍內(nèi)，枝條間加速度響應(yīng)關(guān)系也與2.2.1和2.2.2枝條間加速度響應(yīng)關(guān)系一致。

圖8 各標(biāo)記點(diǎn)最大加速度統(tǒng)計(jì)Fig.8 Maximum acceleration statistics for each point

3 結(jié) 論

通過枸杞結(jié)果枝果-蒂振動(dòng)分離試驗(yàn)，得到最優(yōu)采摘效果的振動(dòng)組合參數(shù)，即激振頻率18.22 Hz、振幅7.87 mm和枝條通過裝置的行進(jìn)速度20.93 mm/s，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，可使成熟果實(shí)分離率達(dá)到最大95.18 %，未成熟果實(shí)分離率達(dá)到最小6.43%。枸杞果蒂分離條件為：為使枸杞果-蒂分離效果達(dá)到最優(yōu)，需保證結(jié)果枝末端加速度達(dá)到347.64～390.56 m/s2。

1）振動(dòng)能量從三級(jí)枝到結(jié)果枝的傳遞具有明顯的衰減，父級(jí)三級(jí)枝到結(jié)果枝最大加速度值衰減5倍，相鄰三級(jí)枝到結(jié)果枝最大加速度值衰減6倍。

2）枸杞振動(dòng)采收條件：當(dāng)所有結(jié)果枝均被直接激振時(shí)，被激振處的加速度需要達(dá)到518.38～551.06 m/s2；當(dāng)所有三級(jí)枝均被直接激振，存在結(jié)果枝不能被直接激振時(shí)，三級(jí)枝被激振處的加速度需要達(dá)到1 738.20～1 952.80 m/s2。

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Mechanism analysis and experiment on vibration harvesting of wolfberry

He Miao, Kan Za, Li Chengsong※, Wang Lihong, Yang Lantao, Wang Zhe
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832003, China)

Wolfberry acreage is growing increasingly year by year in China. However, artificial harvesting is labor intensive and inefficient, so harvest problem has become a bottleneck in the development of Chinese wolfberry industry. Literature shows that vibration device in fruit harvest has obvious advantages. In order to further study the mechanism of wolfberry vibration harvesting, fruit-pedicle separation conditions and dynamic transfer characteristics of wolfberry branch were analyzed, and then harvest conditions of wolfberry were obtained. Vibration harvesting usually uses vibration source to directly vibrate fruit branch (fourth branch) to achieve fruit separation, but when fruit branch is not directly vibrated, it needs to rely on vibration energy of third branch to achieve fruit-pedicle separation. Vibration separation test bench was set up, which included electric vibration test system, motion control system, vibration separation test rack, and so on. Vibratory separation test device was used to carry out fruit-pedicle vibration separation test of fruit branch, which was designed by quadratic regression universal rotary combination design method. The main factors affecting fruit-pedicle separation rate were as follows: excitation frequency, excitation amplitude and vibration time (replaced by branches travelling speed), with mature fruit separation rate and immature fruit separation rate as response index. Searching for the optimum vibration parameter combination of fruit-pedicle separation, high-speed camera system was used to analyze acceleration response of vibrated part and end part, and as a result vibration separation conditions of wolfberry were obtained. The experimental results showed that the optimal combination parameters were the excitation frequency of 18.22 Hz, the excitation amplitude of 7.87 mm and the branches traveling speed of 20.93 mm/s. And the results showed that the separation rate of mature fruit was 95.18% and the separation rate of immature fruit was 6.43%. Dynamic responses of the optimal vibration combination parameters were analyzed, and the results showed that the acceleration of vibration was 518.38-551.06 m/s2when fruit branch was directly vibrated; the vibration energy was transferred to end of fruit branch by direct excitation of third branch when fruit branch was not vibrated, and fruit branch acceleration was required to reach 347.64-390.56 m/s2. In this experiment, a single random stimulus was used to wolfberry third branch, vibration transfer of third and fruit branch was tracked by high-speed camera system, and wolfberry branch dynamic response was analyzed by a high speed motion analysis software ProAnalyst. The Shapiro-Wilk’s normal test was performed with acceleration data of third branch and fruit branch of wolfberry, corresponding confidence intervals were calculated, and then acceleration response relationship of third branch and fruit branch was obtained. The acceleration required for wolfberry vibration harvesting under different excitation conditions was obtained. Firstly, when all the fruit branches were directly vibrated, acceleration of vibration was required to reach 518.38-551.06 m/s2; secondly, when all third branches (parent third branch and adjacent third branch) were directly vibrated and part of fruit branches could not be vibrated, only the dynamic response of parent third branch and fruit branch needed to be considered, and the maximum acceleration from parent third branch to fruit branch was reduced by 5 times, with the lag time of 0.032 s, and the acceleration of parent third branches vibration needed to reach 1 738.20-1 952.80 m/s2; thirdly, when partial fruit branch and third branch (adjacent third branch) were not vibrated, the maximal acceleration value from adjacent third branch to fruit branch was attenuated by 6 times and the lag time was 0.048 s. Acceleration of adjacent third branch vibration needed to reach 2 085.84-2 343.36 m/s2. As large vibration acceleration can cause wolfberry branch injury, in the design of wolfberry harvesting device, the structure should ensure that all fruit branches are directly vibrated as far as possibly, and at least ensure that all third branches are directly vibrated; vibrating rods can use nylon and other flexible material with less damage to branches. The results of this study can provide theoretical basis for the mechanized harvest of wolfberry.

crops; mechanization; vibrations; wolfberry; dynamic response

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.006

S225.99

A

1002-6819(2017)-11-0047-07

何 苗，坎 雜，李成松，王麗紅，楊蘭濤，王 哲. 枸杞振動(dòng)采收機(jī)理分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(11)：47－53.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.006 http://www.tcsae.org

He Miao, Kan Za, Li Chengsong, Wang Lihong, Yang Lantao, Wang Zhe. Mechanism analysis and experiment on vibration harvesting of wolfberry[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11): 47－53. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.006 http://www.tcsae.org

2016-11-15

2017-05-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51541509）

何 苗，女，重慶巫山人，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。石河子石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，832003。Email：hm_8311@163.com

※通信作者：李成松，男，四川西充人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化工程。石河子 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，832003。Email：lcs_shz@163.com