桑葚主干低阶共振频率试验及振动采摘装置设计

丁红星，李敏通，薛忠民

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院， 陕西 杨凌 712100)



桑葚主干低阶共振频率试验及振动采摘装置设计

丁红星，李敏通，薛忠民

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院， 陕西 杨凌 712100)

随着桑葚产业的多元化发展，桑葚的种植面积逐年增加，仅依靠人工实现桑葚采收难以满足生产需求，因而机械化采摘成为桑葚采摘的发展方向。振动采收桑葚是机械化采收的有效方法[1]，研究桑葚振动脱落特性及设计相关振动采收设备对桑葚产业的健康发展具有重要价值。为此，通过桑葚主干低阶共振频率试验，获取了桑葚主干的低阶共振频率；完成便携式桑葚振动采摘装置的设计和试制，并进行验证试验。结果表明：当采收的桑葚二级主干直径为40～50mm范围、激振频率大于6.11Hz时，虽然能实现较高的桑果收获率，却造成未成熟桑果脱落；当激振频率大于8Hz时，造成桑葚植株树皮外表面破裂；激振频率较小时，则获得较低的桑果收获率。因此，建议当振动采摘的二级主干直径在40～50mm范围内时，桑果振动采收的最适宜激振频率范围为5～6Hz，即电机实时转速为900～1 100r/min。

桑葚；共振频率；振动采收装置

0 引言

我国桑果的采摘作业仍然依靠人工采摘作业方式完成，成本高昂，且我国的桑葚果树大多种植于山坡、丘陵、田野等处，以低矮密植方式种植[2-6]，采摘环节存在采摘环境复杂、工作时间长、收获效率有限和大面积落果等问题[7-9]。所以，急需研发桑葚机械化收获机具，保证收获效率和果品质量，缓解采摘时劳力短缺、雇佣成本高、收获效率低下及落果严重等问题，以促进桑葚产业的健康发展，实现林果的机械化采收作业。

1 桑葚主干低阶共振频率试验

林果振动采收中，激振频率的选取对林果的收获率具有重要影响。研究桑葚主干振动采收中的低阶共振频率，可以有效地导引振动采摘设备的输出频率，使桑葚主干以共振频率振动，以实现最佳的桑果收获率。

1.1 试验装置与方法

试验选用LC-01力锤、1A302E压电式三轴加速度传感器、DH5920动态信号测试分析系统组成振动加速数据采集系统，以完成低阶共振频率试验。试验中，使用力锤输出一定的外部锤击力作用于桑葚主干，并通过力传感器对锤击力度进行测量，同时通过采集系统DH5920对加速度传感器拾取的振动加速度数据进行存储。

1.2 传感器布置

选择力锤锤击方向为主振方向，传感器布置时，三轴加速度传感器的X轴与主干水平生长方向垂直，Y轴与主干生长方向平行，Z轴方向与主干生长方向在竖平面相互垂直。传感器具体布置如图1～图4所示。其中，C、D、E、F这4点为力锤的锤击点，C～C1、C1～C2之间的间距为150mm，C2～C3之间间距为200mm；D、E、F主干各测点距离与C主干测点间距离一致。

图1 C主干传感器布置

图2 D主干传感器布置

图3 E主干传感器布置

图4 F主干传感器布置

1.3 试验结果

各测点共振频率统计如表1所示。通过低阶共振频率试验发现：C主干所呈现的1阶共振频率范围为5.31～5.60Hz，2阶共振频率范围为10.59～11.17Hz；D主干所呈现的1阶共振频率范围为4.72～5.13Hz，2阶共振频率范围为9.43～10.23Hz；E主干所呈现的1阶共振频率范围为5.16～5.62Hz，2阶共振频率范围为10.25～11.24Hz；F主干的1阶共振频率范围为5.33～5.76Hz，2阶主振频率范围为10.59～11.44Hz；测试主干的低阶共振频率范围为4.72～5.76Hz；测试主干的2阶共振频率范围为9.43～11.44Hz。

表1 各测点共振频率统计

续表1

2 振动采摘装置设计

2.1 桑葚振动采摘装置组成结构

结合桑葚低矮密植的种植模式设计了一种专门用于桑葚二级主干振动采摘的便携式电动振动采摘装置，如图5所示。桑葚振动采摘装置主要由电池组、直流电机、换向器、连接杆、振动夹持头、电机转速调控板、实时转速显示屏、转速调节旋钮及电源开关组成。通过减速齿轮副，将直流电机的旋转运动转换为水平旋转运动，曲柄滑块机构将水平旋转运动转化为直线往复运动；通过实时转速显示屏可对直流电机的实时转速进行了解，旋转转速调节旋钮实现实时转速的快慢调控，且当调控到某一指定转速后，设备将以调节转速恒速运转。振动夹持头为U型卡口结构，在使用时只需将振动侧枝置于U型振动头内部，接通电机，调节实时转速就可以实现林果的振动采摘。桑葚振动设备的连接杆为可拆卸连杆，便于携带。

1.电池组 2.电机 3.换向器 4.连接杆 5.振动夹持头 6.PWM调速板 7.实时转速显示屏 8.调节旋钮 9.电源开关

2.2 桑葚振动采摘装置工作原理

桑葚振动采摘装置使用换向器将竖直旋转运动转化为水平旋转运动，通过曲柄滑块机构将旋转运动转化为所需要的直线往复运动。工作时，将振动采摘侧枝置于振动夹持头内，打开电开关，接通电源，旋转调速旋钮将振动装置实时频率调节至所需的往复运动频率，实时频率可以通过转速显示屏获取。通过振动夹持头将输出的往复振动力传递至桑葚二级主干，使侧枝在往复振动力的作用下做被迫运动，侧枝桑果业随之做被迫运动，并在极限位置受到惯性力制约；当桑果所受到的惯性力大于桑果与果柄或果柄与侧枝的结合力时，桑果从母枝脱落，从而完成桑葚振动脱落采摘的目的。

3 室外振动采收试验

3.1 振动采摘设备

选用ABS树脂材料为壳体加工材料，并选用D-775直流电机、CCM5D数显电机调速器等完成便携式桑葚振动采摘装置的研制。加工完成的便携式桑葚振动采摘装置如图6所示。桑葚振动采摘装置的具体技术参数如表2所示。

图6 振动采摘装置制作

名称长度/mm宽度/mm整体质量/gU型头卡口尺寸/mm激振频率范围/Hz振幅/mm振动采摘装置1150802400501．33～16．6718

3.2 室外振动采收试验

为测量便携式桑葚振动采摘装置在激振频率范围内的输处惯性力，选用CY-YD-312拉压力传感器，制作加工了可实时测量输出惯性力的振动夹持装置(见图7)，进行桑葚室外振动采收试验。

图7 惯性力力测取装置

3.2.1 试验目的

测取不同激振频率条件下桑葚振动采摘装置的输出惯性力，统计不同激振频率条件下成熟桑果的收获率，确定适宜桑葚振动采收的最佳激振频率范围。

3.2.2 试验材料

选用陕西省周至县桑葚种植试验田的4年生桑葚植株为试验对象。

3.2.3 试验装置与方法

使用东华DH5920对不同激振频率条件下的实时输出惯性力进行测量记录。

1)选择二级主干直径在40～50mm之间桑葚植株为振动采收试验对象；

2)提前对振动采收侧枝上所有的成熟桑果颗数进行统计；

3)设定桑葚振动采摘设备的激振频率分别为3.88、4.44、5.00、5.56、6.11、6.67、7.22、7.78Hz，在各种激振频率条件下进行桑葚振动采收试验；

4)当一种激振频率振动试验结束后，对振动采收侧枝的剩余成熟桑果进行统计。

3.2.4 试验结果

通过桑葚振动采收装置室外试验，测取了不同激振频率条件下振动设备的输出惯性力，对不同激振频率条件下的成熟桑果机械振动收获颗数进行统计，并进一步完成成熟桑果收获率的计算。试验结果如表3所示。其中，成熟桑果收获率计算公式为

式中R—桑葚侧枝成熟桑果总颗数；

L—桑葚侧枝成熟桑果剩余颗数。

表3 振动采摘收获率统计

试验结果证明：激振频率越大，振动设备输出的惯性力越大，与振动采收动力学模型分析结果相一致；随着激振频率增加，成熟桑果的收获率增大；在设定激振频率(即4.44～7.22Hz)范围内，桑果的振动收获率在79%～92.4%之间，达到了振动采摘装置的成熟桑果75%的收获率的设计要求；在设定的激振频率范围内，振动设备输出的惯性力范围为44.74～115.39N。

4 结果与讨论

通过周至室外实际操作试验发现：当采收的桑葚二级主干直径为40～50mm范围、激振频率大于6.11Hz时，虽然能实现较高的桑果收获率，却造成未成熟桑果脱落；当激振频率大于8Hz时，造成桑葚植株树皮外表面破裂；激振频率较小时，则获得较低的桑果收获率。因此，建议当振动采摘的二级主干直径在40～50mm范围内时，桑果振动采收的最适宜激振频率范围为5～6Hz，即电机实时转速为900～1 100r/min。

[1] 范忠仁，陆康年.振动式采种机的研究[J].东北林学院学报,1982(10):45-51．

[2] 傅隆生.日本高灌蓝莓采摘最适线锅振动速度(摘选)[J].农业工程,2012(2):119-121.

[3] 郭辉，韩长杰，鲁亚云.气动果树剪枝机的设计与研究[J].农机化研究, 2009,31(11):148-149．

[4] 郭艳玲,鲍玉冬,何培庄.手推式矮丛蓝莓采摘机设计与试验[J].农业工程学报，2012(7):40-45.

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[6] 霍强.蓝莓采摘车采摘系统及植株振动模型仿真分析[D].哈尔滨：东北林业大学，2013.

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[9] 李志鹏.蓝莓采摘机采摘策略及轨迹规划研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2011.

The Test Device Design and Vibration of Main Low Order Resonance Frequency of Picking Mulberry

Ding Hongxing, Li Mintong, Xue Zhongmin

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

With the diversified development of mulberry industry, mulberry planting area has increased year by year, only rely on the artificial mulberry harvesting is difficult to meet the production demand today, so the mechanization of mulberry picking is the direction of development of mulberry picking. Vibration harvesting mulberry is mechanized harvesting effective method[1], the mulberry of vibration shedding characteristics and design of vibration harvesting equipment, of mulberry industry healthy development has important value. Through the mulberry trunk is low order resonance frequency test, access to the low order resonance frequencies of the mulberry trunk; portable mulberry vibration picking device design and manufacture, and outdoor experiments. The results show that when the harvest of mulberry secondary trunk diameter to 40-50 mm range, excitation frequency is greater than 6.11Hz, although can achieve higher mulberry fruit harvest rate, but caused abscission of immature mulberry. When the excitation frequency is greater than 8 Hz, resulting in rupture of mulberry tree plant on the outer surface; the excitation frequency is small, lower the mulberry fruit harvest rate, it is recommended when picking vibration secondary trunk diameter in the range of 40-50 mm, picking mulberry vibration optimum excitation frequency range for the 5-6Hz (i.e., the motor speed is 900-1 100r/min).

mulberry; resonance frequency; vibration recovery device

2016-06-24

农业科技创新与攻关项目(2015NY050)

丁红星(1991-)，男，新疆奎屯人，硕士研究生， (E-mail)726177827@qq.com。

李敏通(1968-)，男，陕西武功人，副教授，(E-mail)lmtyd@nwsuaf.cn。

S225.93

A

1003-188X(2017)08-0159-06