桑葚主干低階共振頻率試驗及振動采摘裝置設計

丁紅星，李敏通，薛忠民

(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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桑葚主干低階共振頻率試驗及振動采摘裝置設計

丁紅星，李敏通，薛忠民

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院， 陜西 楊凌 712100)

隨著桑葚產業的多元化發展，桑葚的種植面積逐年增加，僅依靠人工實現桑葚采收難以滿足生產需求，因而機械化采摘成為桑葚采摘的發展方向。振動采收桑葚是機械化采收的有效方法[1]，研究桑葚振動脫落特性及設計相關振動采收設備對桑葚產業的健康發展具有重要價值。為此，通過桑葚主干低階共振頻率試驗，獲取了桑葚主干的低階共振頻率；完成便攜式桑葚振動采摘裝置的設計和試制，并進行驗證試驗。結果表明：當采收的桑葚二級主干直徑為40～50mm范圍、激振頻率大于6.11Hz時，雖然能實現較高的桑果收獲率，卻造成未成熟桑果脫落；當激振頻率大于8Hz時，造成桑葚植株樹皮外表面破裂；激振頻率較小時，則獲得較低的桑果收獲率。因此，建議當振動采摘的二級主干直徑在40～50mm范圍內時，桑果振動采收的最適宜激振頻率范圍為5～6Hz，即電機實時轉速為900～1 100r/min。

桑葚；共振頻率；振動采收裝置

0 引言

我國桑果的采摘作業仍然依靠人工采摘作業方式完成，成本高昂，且我國的桑葚果樹大多種植于山坡、丘陵、田野等處，以低矮密植方式種植[2-6]，采摘環節存在采摘環境復雜、工作時間長、收獲效率有限和大面積落果等問題[7-9]。所以，急需研發桑葚機械化收獲機具，保證收獲效率和果品質量，緩解采摘時勞力短缺、雇傭成本高、收獲效率低下及落果嚴重等問題，以促進桑葚產業的健康發展，實現林果的機械化采收作業。

1 桑葚主干低階共振頻率試驗

林果振動采收中，激振頻率的選取對林果的收獲率具有重要影響。研究桑葚主干振動采收中的低階共振頻率，可以有效地導引振動采摘設備的輸出頻率，使桑葚主干以共振頻率振動，以實現最佳的桑果收獲率。

1.1 試驗裝置與方法

試驗選用LC-01力錘、1A302E壓電式三軸加速度傳感器、DH5920動態信號測試分析系統組成振動加速數據采集系統，以完成低階共振頻率試驗。試驗中，使用力錘輸出一定的外部錘擊力作用于桑葚主干，并通過力傳感器對錘擊力度進行測量，同時通過采集系統DH5920對加速度傳感器拾取的振動加速度數據進行存儲。

1.2 傳感器布置

選擇力錘錘擊方向為主振方向，傳感器布置時，三軸加速度傳感器的X軸與主干水平生長方向垂直，Y軸與主干生長方向平行，Z軸方向與主干生長方向在豎平面相互垂直。傳感器具體布置如圖1～圖4所示。其中，C、D、E、F這4點為力錘的錘擊點，C～C1、C1～C2之間的間距為150mm，C2～C3之間間距為200mm；D、E、F主干各測點距離與C主干測點間距離一致。

圖1 C主干傳感器布置

圖2 D主干傳感器布置

圖3 E主干傳感器布置

圖4 F主干傳感器布置

1.3 試驗結果

各測點共振頻率統計如表1所示。通過低階共振頻率試驗發現：C主干所呈現的1階共振頻率范圍為5.31～5.60Hz，2階共振頻率范圍為10.59～11.17Hz；D主干所呈現的1階共振頻率范圍為4.72～5.13Hz，2階共振頻率范圍為9.43～10.23Hz；E主干所呈現的1階共振頻率范圍為5.16～5.62Hz，2階共振頻率范圍為10.25～11.24Hz；F主干的1階共振頻率范圍為5.33～5.76Hz，2階主振頻率范圍為10.59～11.44Hz；測試主干的低階共振頻率范圍為4.72～5.76Hz；測試主干的2階共振頻率范圍為9.43～11.44Hz。

表1 各測點共振頻率統計

續表1

2 振動采摘裝置設計

2.1 桑葚振動采摘裝置組成結構

結合桑葚低矮密植的種植模式設計了一種專門用于桑葚二級主干振動采摘的便攜式電動振動采摘裝置，如圖5所示。桑葚振動采摘裝置主要由電池組、直流電機、換向器、連接桿、振動夾持頭、電機轉速調控板、實時轉速顯示屏、轉速調節旋鈕及電源開關組成。通過減速齒輪副，將直流電機的旋轉運動轉換為水平旋轉運動，曲柄滑塊機構將水平旋轉運動轉化為直線往復運動；通過實時轉速顯示屏可對直流電機的實時轉速進行了解，旋轉轉速調節旋鈕實現實時轉速的快慢調控，且當調控到某一指定轉速后，設備將以調節轉速恒速運轉。振動夾持頭為U型卡口結構，在使用時只需將振動側枝置于U型振動頭內部，接通電機，調節實時轉速就可以實現林果的振動采摘。桑葚振動設備的連接桿為可拆卸連桿，便于攜帶。

1.電池組 2.電機 3.換向器 4.連接桿 5.振動夾持頭 6.PWM調速板 7.實時轉速顯示屏 8.調節旋鈕 9.電源開關

2.2 桑葚振動采摘裝置工作原理

桑葚振動采摘裝置使用換向器將豎直旋轉運動轉化為水平旋轉運動，通過曲柄滑塊機構將旋轉運動轉化為所需要的直線往復運動。工作時，將振動采摘側枝置于振動夾持頭內，打開電開關，接通電源，旋轉調速旋鈕將振動裝置實時頻率調節至所需的往復運動頻率，實時頻率可以通過轉速顯示屏獲取。通過振動夾持頭將輸出的往復振動力傳遞至桑葚二級主干，使側枝在往復振動力的作用下做被迫運動，側枝桑果業隨之做被迫運動，并在極限位置受到慣性力制約；當桑果所受到的慣性力大于桑果與果柄或果柄與側枝的結合力時，桑果從母枝脫落，從而完成桑葚振動脫落采摘的目的。

3 室外振動采收試驗

3.1 振動采摘設備

選用ABS樹脂材料為殼體加工材料，并選用D-775直流電機、CCM5D數顯電機調速器等完成便攜式桑葚振動采摘裝置的研制。加工完成的便攜式桑葚振動采摘裝置如圖6所示。桑葚振動采摘裝置的具體技術參數如表2所示。

圖6 振動采摘裝置制作

名稱長度/mm寬度/mm整體質量/gU型頭卡口尺寸/mm激振頻率范圍/Hz振幅/mm振動采摘裝置1150802400501．33～16．6718

3.2 室外振動采收試驗

為測量便攜式桑葚振動采摘裝置在激振頻率范圍內的輸處慣性力，選用CY-YD-312拉壓力傳感器，制作加工了可實時測量輸出慣性力的振動夾持裝置(見圖7)，進行桑葚室外振動采收試驗。

圖7 慣性力力測取裝置

3.2.1 試驗目的

測取不同激振頻率條件下桑葚振動采摘裝置的輸出慣性力，統計不同激振頻率條件下成熟桑果的收獲率，確定適宜桑葚振動采收的最佳激振頻率范圍。

3.2.2 試驗材料

選用陜西省周至縣桑葚種植試驗田的4年生桑葚植株為試驗對象。

3.2.3 試驗裝置與方法

使用東華DH5920對不同激振頻率條件下的實時輸出慣性力進行測量記錄。

1)選擇二級主干直徑在40～50mm之間桑葚植株為振動采收試驗對象；

2)提前對振動采收側枝上所有的成熟桑果顆數進行統計；

3)設定桑葚振動采摘設備的激振頻率分別為3.88、4.44、5.00、5.56、6.11、6.67、7.22、7.78Hz，在各種激振頻率條件下進行桑葚振動采收試驗；

4)當一種激振頻率振動試驗結束后，對振動采收側枝的剩余成熟桑果進行統計。

3.2.4 試驗結果

通過桑葚振動采收裝置室外試驗，測取了不同激振頻率條件下振動設備的輸出慣性力，對不同激振頻率條件下的成熟桑果機械振動收獲顆數進行統計，并進一步完成成熟桑果收獲率的計算。試驗結果如表3所示。其中，成熟桑果收獲率計算公式為

式中R—桑葚側枝成熟桑果總顆數；

L—桑葚側枝成熟桑果剩余顆數。

表3 振動采摘收獲率統計

試驗結果證明：激振頻率越大，振動設備輸出的慣性力越大，與振動采收動力學模型分析結果相一致；隨著激振頻率增加，成熟桑果的收獲率增大；在設定激振頻率(即4.44～7.22Hz)范圍內，桑果的振動收獲率在79%～92.4%之間，達到了振動采摘裝置的成熟桑果75%的收獲率的設計要求；在設定的激振頻率范圍內，振動設備輸出的慣性力范圍為44.74～115.39N。

4 結果與討論

通過周至室外實際操作試驗發現：當采收的桑葚二級主干直徑為40～50mm范圍、激振頻率大于6.11Hz時，雖然能實現較高的桑果收獲率，卻造成未成熟桑果脫落；當激振頻率大于8Hz時，造成桑葚植株樹皮外表面破裂；激振頻率較小時，則獲得較低的桑果收獲率。因此，建議當振動采摘的二級主干直徑在40～50mm范圍內時，桑果振動采收的最適宜激振頻率范圍為5～6Hz，即電機實時轉速為900～1 100r/min。

[1] 范忠仁，陸康年.振動式采種機的研究[J].東北林學院學報,1982(10):45-51．

[2] 傅隆生.日本高灌藍莓采摘最適線鍋振動速度(摘選)[J].農業工程,2012(2):119-121.

[3] 郭輝，韓長杰，魯亞云.氣動果樹剪枝機的設計與研究[J].農機化研究, 2009,31(11):148-149．

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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

農業科技創新與攻關項目(2015NY050)

丁紅星(1991-)，男，新疆奎屯人，碩士研究生， (E-mail)726177827@qq.com。

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

S225.93

A

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