桑葚振動采摘參數的試驗研究

丁紅星，李敏通，彭　俊，劉志杰

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌　712100)

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桑葚振動采摘參數的試驗研究

丁紅星，李敏通，彭俊，劉志杰

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌712100)

摘要：我國大部分桑葚種植于山丘地區，存在采摘作業環境復雜、勞動強度大、人力支出費用高昂等問題。因此，必須對桑葚的脫落特性進行試驗研究，探尋桑葚振動采摘的適宜參數，為實現桑葚的機械化采收提供指導，以此促進桑葚產業的健康發展。通過高速相機設備及東華動態測試系統對桑葚的振動脫落規律進行研究，探尋桑葚振動采收的最佳振動參數。試驗結果表明：桑葚在振幅為18mm、轉速為1 700r/min、主振頻率為28Hz時，果實獲得最佳的采摘率，且果樹樹體無損傷，無生果落果；過大的振幅將引起果樹樹干的劇烈振動，同時生果將隨熟果一起脫落；過大的振動頻率將對樹體造成破壞，振動裝置與樹體的接觸部位出現明顯損傷；過小的頻率或振幅所獲得果實收獲率較低。

關鍵詞：桑葚；動態測試系統；振動采摘

0引言

隨著特色效益農業的深入發展，蠶桑業開始向蠶桑綜合應用的方向發展，尤其是桑葚的營養成分、醫療保健作用被研究者深入研究。研究者在保留桑葚營養的基礎上，逐漸研發了桑葚酒、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品，將桑葚資源充分利用[1]。然而在桑葚系列產品的生產過程中所需求的桑果收獲環節是最重要的環節，所用勞動力占整個生產過程中所用勞動力的33%～50%[2-4]。同時，我國大部分桑葚種植于山丘地區，導致桑果采摘作業環境復雜、勞動強度大、人力支出費用高昂等問題[5-9]，所以目前的人工采摘作業已經無法完成桑葚的大面積采摘作業需求，反而常因采摘人員的短缺，造成大面積的落果，導致嚴重的經濟損失[6-9]。因此，必須對桑葚的振動脫落特性進行一定的試驗研究，探尋桑葚振動采摘的適宜參數，為實現桑葚的機械化采收提供指導，以此促進桑葚產業的健康發展[10-11]。

1材料與方法

1.1　材料

選取陜西省興平試驗站4年生蠶桑樹。

1.2　試驗儀器

主要儀器：往復振動發生器、功率放大器、信號源、東華5920動態信號測試系統、壓電式三軸加速度傳感器、i-SPEEDTR高速相機及i-speed處理軟件等。

1.3　試驗方法

試驗以4年生蠶桑植株為實驗對象，通往復振動發生器為植株的受迫運動提供源動力，利用壓電式三軸加速度傳感器對受迫運動下的蠶桑植株加速度數據進行采集，與之相連接的東華測試測系統對數據進行跟蹤記錄和儲存。試驗中，采用高速相機對蠶桑植株的運動過程及果實的瞬間脫落過程進行捕捉。試驗裝置圖如圖1所示。

圖1　桑葚振動脫落試驗裝置圖

1.4　試驗過程

1)以盛果期的4年生蠶桑樹為實驗對象，通過信號源選擇合適的激振信號，經功率放大器傳遞給往復振動發生器，最終將作用力傳遞給蠶桑樹樹枝。

2)選擇合適的振點拾取位置，按照一定的順序和方向布置壓電式加速度傳感器，對振動過程中的振動數據進行拾取。

3)通過往復振動發生器產生往復振動力并施加于采摘枝干，采摘樹干在外力的影響下產生運動。通過布置于采摘樹干的三軸加速度傳感器，對運動時刻下的樹枝加速度進行跟蹤采集；通過數據處理得到相應的速度值，以便于對蠶桑樹體振動規律做進一步的研究。

4)振動裝置連接桿部位布置加速度傳感器，對實時轉速下的采摘裝置加速度值采集。

5)通過i-SPEEDTR高速相機對振動樹枝上的成熟果實的脫落過程進行捕捉，通過軟件處理對果蒂部位的運動軌跡進行跟蹤繪制，對振動過程中果蒂與主干的夾角進行統計分析，研究蠶桑葚實在脫落過程中的果蒂運動軌跡，從而為果實振動設備的研發提供必要的理論數據。

2結果分析與評價

2.1　桑葚脫落過程瞬時速度分析

試驗中，使用高速相機對靈果振動脫落過程中桑葚果實運動軌跡進行追蹤記錄,利用軟件i-SPEED Software Suite軟件對追蹤記錄的桑葚側枝上桑葚運動軌跡進行處理分析。選取多組熟果和生果生長于同一枝干的樹枝作為桑葚運動軌跡的研究對象，分別選取熟果和生果的果實與主干的連接處、果實的果蒂部位作為特征部位進行標記，對其的運動軌跡進行追蹤分析。運動軌跡特征標記點選取如圖2所示。

圖2　運動軌跡特征標記點

試驗中，將桑葚熟果脫落時刻的前后10幀作為分析時間序列，共選取21幀作為研究對象，對桑葚的運動規律進行分析。分析中，將熟果果實與主干的連接處及果蒂部位分別標記為Track Point 1 speed和Track Point 2 speed；將生果的果實與主干的連接處果蒂部位的標記分別記為Track Point 3 speed和Track Point 4 speed。利用軟件Matlab對熟果和生果脫落瞬間的瞬時速度繪制速度曲線圖，如圖3所示。

圖3　桑葚時刻速度曲線圖

由圖3可知：遠離振動源端的主干振動速度明顯小于靠近主干端的運動速度，整個過程中主干的振動速度在0～2 000mm/s的范圍內變化;生果與熟果果蒂部位的瞬時速度變化明顯大于主干的瞬時運動速度，起伏變化明顯。通過逐幀分析發現：熟果是在729ms時徹底斷裂，與果樹主干分離；在725ms時與主干連接處出現明顯裂痕，此時刻各標記點的速度值基本都在1 100mm/s左右；在后一時刻，熟果的果蒂部位瞬時速度直線增加，而生果的果蒂部位瞬時速度也相應增加，單增加幅度遠小于熟果果蒂部位的速度變化量；在729ms時，熟果從主干脫落，熟果果蒂部位的瞬時速度在脫離主干后直線急劇增加，在730ms時達到了最大瞬時速度8 238.932 0mm/s，隨后熟果的瞬時速度也相應減小；而生果的果蒂部位在脫落瞬間的瞬時速度突然增加，但幅值較小，因此在熟果脫落后生果繼續在振動源的影響下做被迫運動，但未從主干脫離；在熟果脫落瞬間，熟果所在處主干瞬時速度達到主干最大瞬時速度2 340.940 0mm/s，而生果所在的主干其瞬時速度在這一刻與其他3個特征點相比較，瞬時速度最小。

因此，熟果與生果的果蒂部位的脫落力大小是不同的，在同等運動條件下，熟果更容易從主干脫離。熟果在脫離的時刻，生果、熟果與主干連接處的速度達到同等的瞬時速度。在脫落后，熟果的瞬時速度達到最大值，而其所在的主干瞬時速度達到最小值；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速度較之前相對減小。

2.2　桑葚脫落特性分析

林果的機械化采收作業中，果實的收獲率主要取決于振動采摘裝置的振蕩頻率和振動幅度。過大的振動頻率或振幅雖然也能實現果實振動采收的目的，但將對果樹的正常生長造成傷害；過小的振動頻率或振幅將也能實現果實機械化采收的目的，但收獲效率較低。表1為采摘裝置在不同振幅下的頻率、收獲率統計表。

表1　采摘裝置不同振幅下的頻率、收獲率統計表

續表1

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

振幅—頻率變化關系圖如圖4所示，振幅—收獲率變化關系圖如圖5所示。由圖4和圖5可知：當振幅為13mm時，轉速從1 250r/min逐漸增加，當增至2 000r/min時，振動裝置的主振頻率從16.4Hz增至31.28Hz，桑葚收獲率也逐漸增加，在最大轉速時收獲率為89.7%。當振幅為13mm、轉速為1 850r/min時，振動裝置與果樹的接觸部位樹皮破裂；當振幅為18mm時，隨著轉速的增加振動裝置主振頻率也隨之增加，在測量范圍內，振動裝置的主振頻率從20.63Hz增加至31.28Hz，最大收獲率為92.4%；當振幅為18mm、轉速為1 850r/min時，接觸部位的樹皮破損；當振幅為23mm時，主振頻率和收獲率隨轉速增加而增加，在最大轉速時收獲率為95.7%；當振幅為23mm、轉速為1 550r/min時，樹體主干出現劇烈的振動，同時生果也從主干脫落。

由分析得知：振幅過大時，會引起樹體主干的劇烈振動，同時生果隨熟果一起從主干脫落，對果樹的生長造成了一定的損傷，也不利于果實的健康生長；振幅過小時，采摘效率低下，也不符合機械化作業的設計要求。振動裝置主振頻率過大時，振動裝置與樹體的接觸部位的樹皮組織破損，造成樹體破損；振動裝置主振頻率過小時，采摘效率較低，不符合機械化作業要求。在桑葚振動采摘試驗中，當振幅為18mm、轉速為1 700r/min時，主振頻率為28Hz，收獲率為90.4%，采摘的果實無生果，采摘裝置與樹體接觸部位無損傷，為桑葚振動采摘的最理想采摘參數。

圖4　振幅-頻率變化曲線圖

圖5　振幅-收獲率變化曲線圖

3結論

1)在一定轉速范圍內，振動裝置的轉速越大，果實的收獲率越高。

2)振動裝置的主振頻率隨著轉速的增大而增大。

3)振動裝置振幅過大，會引起樹體主干的劇烈振動，同時生果也將隨熟果一起脫落；振幅過小，采摘效率較低。振動裝置主振頻率過大，將對果樹的樹皮組織造成損傷；主振頻率過小，采摘效率較低。

4)桑葚振動采摘的最理想參數為振幅18mm，轉速1 700r/min ,主振頻率28Hz，果實收獲率90.4%，落果中無生果，振動裝置與主干的接觸部位無明顯損傷。

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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

中圖分類號：S225.93

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0183-04

作者簡介：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。

基金項目：農業科技創新與攻關項目(2015NY050)

收稿日期：2015-10-02