海棠振動采收試驗

魯 飛， 王春耀， 羅建清， 郭 笑， 范雷剛， 魏 朋

(新疆大學機械工程學院，新疆烏魯木齊 830047)

海棠振動采收試驗

魯 飛， 王春耀， 羅建清， 郭 笑， 范雷剛， 魏 朋

(新疆大學機械工程學院，新疆烏魯木齊 830047)

選取海棠果樹為材料，通過激振果樹主干不同的位置和施加不同力采集樹體各個位置的加速度信號，并將采集的加速度信號通過Matlab進行FFT變換得到果樹的共振頻率。FFT轉換得到的海棠果樹的前四階共振頻率分別為3.0、8～9、16～17、23～25 Hz。激振過程中，能量在無分叉主干部分能量衰減率為-1.5%～3%，能量在直徑較大和偏離角度較小樹枝分流較大。當沖擊點距離地面40～60 cm位置和激振力為900 N時，落果率最佳。

海棠；采收；能量傳遞；激振；加速度信號；共振頻率

新疆自古就有瓜果之鄉(xiāng)的美譽，在西部大開發(fā)中，特色林果得到了大發(fā)展，已成為新疆支柱產(chǎn)業(yè)之一。截至2012年，新疆果樹種植面積已達到117.34萬hm2，林果總產(chǎn)量接近500萬t，總產(chǎn)值近200億元[1]。全疆主要有三大林果主產(chǎn)區(qū)，以杏、核桃、葡萄、香梨、紅棗、石榴、蘋果、巴旦木為主的南疆特色林果主產(chǎn)區(qū)，以葡萄、大棗為主的東疆吐哈盆地優(yōu)質林果生產(chǎn)區(qū)，以枸杞、釀酒和鮮食葡萄、小漿果等為主的北疆沿天山北坡和伊犁河谷林果生產(chǎn)區(qū)[2]。果樹樹體高大，采摘費時費力，為了改變古老的人工采摘果品的傳統(tǒng)，把機械化生產(chǎn)的理念融入到林果采摘行業(yè)中，不僅能夠提高采摘效率，更能夠降低勞動力成本，使得果品更具有市場價格競爭優(yōu)勢[3-5]。在機械化采摘應用過程中，還存在一些難題有待解決，問題集中發(fā)生在采摘果品品質不達標和對果樹的損傷等方面。振動采收是目前國內外應用較多的一種林果采收模式，林果類振動采收機械的工作參數(shù)對采收效果起決定性作用[6-11]。本研究以海棠為試材，確定果實振動采收的參數(shù)，為林果機械化采收提供準確的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料選自1株樹齡為8年的海棠果樹，樹質量 18.6 kg，高近3 m。試驗時間為7月中旬，海棠果部分成熟。

1.2 設備

東華測試DHDAS動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)，若干加速度傳感器、壓力傳感器及壓力傳感器信號采集系統(tǒng)，自制沖擊裝置(包括工業(yè)鋁型材40 mm×40 mm、軸承、軸承座、鋼管、沖擊頭)等。

1.3 試驗方法

1.3.1 果樹的固定方法 將海棠果樹移植到試驗室，把果樹垂直固定在彈性支撐上，彈性支撐和虎鉗相連固定在地基上，保證果樹具有一定的剛性，在受到振動沖擊時，使其受力狀態(tài)與果園里類似。

1.3.2 自制沖擊裝置標定 采用鋁制40 mm×40 mm型材制作的單擺沖擊裝置標定。在單擺沖擊裝置的軸承旋轉軸位置上安裝刻度盤，每次將單擺上抬一定角度，然后釋放砝碼進行自由旋轉落體，砝碼下落到水平位置沖擊到安放在果樹沖擊位置的壓力傳感器，壓力傳感器信號采集系統(tǒng)會顯示沖擊到樹干那一時刻的沖擊力的峰值，即沖擊力大小如圖1所示，從圖1中可以看出沖擊力與角度成線性關系。

1.3.3 沖擊試驗 本次試驗選取果樹的樹形分2層，第1層2主枝，第2層2主枝分叉呈“Y”字形。將果樹夾持穩(wěn)固之后，在果樹上選取15個合適的監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)采集，如表1、圖2所示。

試驗選擇的果樹主干和主要分枝近似處于同一平面。沖擊方式是垂直果樹平面進行沖擊，試驗步驟是首先在距果樹根部夾持位置10 cm處開始到90 cm為止，從5°到90°沖擊樹干，砝碼每次提高5°并記錄1次加速度信號；然后提高沖擊高度，每上升10 cm都進行從5°到90°沖擊。

2 結果與分析

2.1 不同位置振動曲線

果樹不同位置振動曲線如圖3所示，Ⅰ號是靠近沖擊位置的加速度傳感器信號采集曲線，Ⅱ號是遠離沖擊位置的加速度傳感器信號采集曲線。分析2條曲線得知紅色是沖擊的信號曲線，綠色是振動信號曲線。由此可知，果樹的樹干、分枝、細小分枝以及果實的振動類型不同，需要多個坐標才能描述該振型，因此沖擊果樹時產(chǎn)生的振動是一個復雜的非線性多自由度的振動系統(tǒng)。

表1 不同監(jiān)測點枝干直徑

2.2 共振頻率測試及驗證

利用加速度傳感器得到的多組加速度信號在Matlab軟件中經(jīng)過FFT傅立葉變換，得到海棠果樹振動的前四階共振頻率分別為3.0、9.2、16.4、25.1 Hz，其中一組FFT頻譜圖如圖4所示。通過激振器掃頻模式激振果樹，觀察果樹突然發(fā)生劇烈振動時發(fā)生的共振，此時的激振頻率也就是果樹的共振頻率。果樹突然發(fā)生劇烈振動的海棠共振頻率是3.1、8.9、16.9、24.6 Hz。從2組共振頻率數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)， 海棠果樹的前四階共振頻率分布為3.0、9.0、16～17、24～25 Hz。

FFT傅立葉變換matab程序：

fs=10 000；

N=10 143；

n=0：N-1；

t=n/fs；

x=Data；

figure(1)；

subplot(231)；

plot(t，x，‘r’，‘linewidth’，1.5)；

xlabel(‘t’)；

ylabel(‘y’)；

title(‘果樹振動FFT頻譜圖’)；

grid；

y=fft(x，N)；

mag=abs(y)；

f=(0：length(y)-1)′*fs/length(y)；

figure(2)；

(1) 在抗滑樁間距為最佳樁間距時，樁后土拱與樁側土拱聯(lián)合并存，聯(lián)合的土拱可分解為兩個單獨的土拱[14]。

plot(f，mag*10，‘r’，‘linewidth’，2)；

axis([0，50，0，8 000])；

xlabel(‘頻率(Hz)’)；

ylabel(′幅值)；

title；

grid；

2.3 樹干主體位置能量傳遞試驗研究

表2 樹干主體5個位置測點加速度峰值數(shù)據(jù)

2.4 樹體第1層位置能量傳遞

試驗果樹的第1層主枝與主干夾角約為45°，直徑和加速度峰值如表3所示。第12個監(jiān)測點處位于中心干部分，6點處和9點處是屬于2個主枝，這3個位置都是距離第1層主枝與主干分叉點20 cm處。監(jiān)測點12處的加速度峰值略小于監(jiān)測點5處加速度峰值，但是12點處的直徑為 45.8 mm，較5點處直徑(56.5 mm)小許多，不符合上述的能量損失率，所以能量在第1層分枝處出現(xiàn)了分流。監(jiān)測點9處加速度峰值比6點處峰值又略大，監(jiān)測點9處的直徑為23.4 mm，比6處直徑29.52 mm 略小?？梢?，在分叉處傳遞時，直徑越大，能量的分流也就越大。

表3 三分叉加速度數(shù)據(jù)

2.5 第2層能量傳遞

該試驗的第2層有2個主枝，其中14號傳感器所在主枝與主干中心軸角度為19°，16號監(jiān)測點所在主枝與主干中心軸角度為12°。2測定點所在主枝的直徑、加速度峰值數(shù)據(jù)如表4所示。第2層2個監(jiān)測點直徑相近，14點處的加速度峰值明顯小于16點處，可見，樹干角度大，能量在傳遞時分流較小。比較2層峰值可知，第2層2個監(jiān)測點(14點、16點)加速度峰值之和較第1層加速度峰值之和出現(xiàn)了較大幅度降低。13號點和12號點同在主干上，能量從12號點傳遞到3號監(jiān)測點損失率比主干位置損失率略大。能量傳遞時，越往上面?zhèn)鬟f，果樹自身的側枝越會消耗一些能量，損失越多，在以下三向傳感器試驗數(shù)據(jù)得到進一步驗證。

表4 二分叉加速度數(shù)據(jù)

2.6 樹干x、y、z3個方向的能量

表5為樹干x、y、z等3個方向傳感器的試驗數(shù)據(jù)，是從試驗數(shù)據(jù)中選擇沖擊位置為10、60 cm的2組數(shù)據(jù)。從表5中可見，當沖擊距離較低時，x、y方向的加速度數(shù)值比z方向小很多。當沖擊距離較高時x、y方向的加速度數(shù)值隨著沖擊距離的增加與z方向的差距逐漸減小。但是當沖擊距離較高(距地面60 mm)時，3個方向的沖擊加速度峰值會有回落，可見最佳的沖擊距離在沖擊點距離地面40～60 cm時最佳。當沖擊力逐漸增加時，x、y、z這3個方向加速度峰值都在逐漸增加，且x、y等2個方向的加速度峰值與z方向峰值差距在逐漸減小。當沖擊力在900 N時，三向傳感器的xy方向的數(shù)值有較大的突變，此時果樹產(chǎn)生了共振。

表5 10、60 cm三向加速度數(shù)據(jù)

3 結論

通過Matlab的快速傅立葉變化分析，得出海棠果樹的前四階共振頻率在3.0、8～9、16～17、23～25 Hz處。

能量在果樹主干部分傳遞時能量衰減率為-1.5%～3%。在傳遞過程中，越遠離樹根部分，能量損失就越大。在果樹第1層會有部分能量分流到第2層，且主枝直徑越大，能量分流也就越大，主枝與主干中心軸夾角角度越小，分流越大。

比較樹干x、y、z等3個方向能量傳感數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在低位置小沖擊時，z向峰值明顯大于x、y方向的峰值。當處于高位置大沖擊時，z向峰值與x、y方向峰值的差距在減小。當沖擊位置距離地面為40～60 cm，沖擊力為900 N時，樹干發(fā)生了共振，此時的落果率最高。

[1]羅萬杰. 新疆特色林果業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題及對策[J]. 新疆農墾科技，2012(8)：16-18.

[2]張敏敏. 果樹粘彈性振動結構模型的研究[D]. 烏魯木齊：新疆大學，2015：9-30.

[3]Paolo A，Catalano P，F(xiàn)erruccio G，et al. Vibration analysis of an olives mechanical harvesting system[J]. Agricultural Engineering International，2007(9)：1-9.

[4]He L，Zhou J F，Du X Q，et al. Energy efficacy analysis of a mechanical shaker in sweet cherry harvesting[J]. Biosystems Engineering，2013，116(4)：309-315.

[5]Awady M E，Genaidy M I，Rashowan M，et al. Modeling and simulating of olive-tree harvesting mechanism[J]. Farm Machinery and Power，2008，25(3)：712-722.

[6]賀磊盈. 面向振動采收的果樹枝干三維重建方法及動力學特性研究[D]. 杭州：浙江理工大學，2014：30-65.

[7]翁凌云. 林果采收振動系統(tǒng)動態(tài)特性傳遞研究[D]. 南京：南京林業(yè)大學，2013：12-19.

[8]鐘 聲. 動態(tài)沖擊實驗中信號測試與結果分析[D]. 武漢：武漢理工大學，2013：16-24.

[9]Polat R，Gezer I，Guner M，et al. Mechanical harvesting of pistachio nuts[J]. Journal of Food Engineering，2007，79(4)：1131-1135.

[10]Ferguson L，Rosa U A，Castro-Garcia S，et al. Mechanical harvesting of California table and oil olives[J]. Adv Hort Sci，2010，24(1)：53-63.

[11]de Silva C W. 振動阻尼、控制和設計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2013：56-91.

10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.060

2015-12-15

國家自然科學基金(編號：51465054)。

魯 飛(1989—)，男，安徽滁州人，碩士研究生，主要從事機械動力學研究。E-mail：lufei_ah@126.com。

王春耀，教授，主要從事力學研究。E-mail：wangchun_yao@126.com。

S233.74

A

1002-1302(2017)02-0207-03

魯 飛，王春耀，羅建清，等. 海棠振動采收試驗[J]. 江蘇農業(yè)科學，2017，45(2)：207-210.