桑葚振动采摘参数的试验研究

丁红星，李敏通，彭　俊，刘志杰

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌　712100)



桑葚振动采摘参数的试验研究

丁红星，李敏通，彭俊，刘志杰

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌712100)

摘要：我国大部分桑葚种植于山丘地区，存在采摘作业环境复杂、劳动强度大、人力支出费用高昂等问题。因此，必须对桑葚的脱落特性进行试验研究，探寻桑葚振动采摘的适宜参数，为实现桑葚的机械化采收提供指导，以此促进桑葚产业的健康发展。通过高速相机设备及东华动态测试系统对桑葚的振动脱落规律进行研究，探寻桑葚振动采收的最佳振动参数。试验结果表明：桑葚在振幅为18mm、转速为1 700r/min、主振频率为28Hz时，果实获得最佳的采摘率，且果树树体无损伤，无生果落果；过大的振幅将引起果树树干的剧烈振动，同时生果将随熟果一起脱落；过大的振动频率将对树体造成破坏，振动装置与树体的接触部位出现明显损伤；过小的频率或振幅所获得果实收获率较低。

关键词：桑葚；动态测试系统；振动采摘

0引言

随着特色效益农业的深入发展，蚕桑业开始向蚕桑综合应用的方向发展，尤其是桑葚的营养成分、医疗保健作用被研究者深入研究。研究者在保留桑葚营养的基础上，逐渐研发了桑葚酒、桑葚醋、桑葚糖、桑葚蜜饯、桑葚蜜膏及桑葚果酱等系列保健产品，将桑葚资源充分利用[1]。然而在桑葚系列产品的生产过程中所需求的桑果收获环节是最重要的环节，所用劳动力占整个生产过程中所用劳动力的33%～50%[2-4]。同时，我国大部分桑葚种植于山丘地区，导致桑果采摘作业环境复杂、劳动强度大、人力支出费用高昂等问题[5-9]，所以目前的人工采摘作业已经无法完成桑葚的大面积采摘作业需求，反而常因采摘人员的短缺，造成大面积的落果，导致严重的经济损失[6-9]。因此，必须对桑葚的振动脱落特性进行一定的试验研究，探寻桑葚振动采摘的适宜参数，为实现桑葚的机械化采收提供指导，以此促进桑葚产业的健康发展[10-11]。

1材料与方法

1.1　材料

选取陕西省兴平试验站4年生蚕桑树。

1.2　试验仪器

主要仪器：往复振动发生器、功率放大器、信号源、东华5920动态信号测试系统、压电式三轴加速度传感器、i-SPEEDTR高速相机及i-speed处理软件等。

1.3　试验方法

试验以4年生蚕桑植株为实验对象，通往复振动发生器为植株的受迫运动提供源动力，利用压电式三轴加速度传感器对受迫运动下的蚕桑植株加速度数据进行采集，与之相连接的东华测试测系统对数据进行跟踪记录和储存。试验中，采用高速相机对蚕桑植株的运动过程及果实的瞬间脱落过程进行捕捉。试验装置图如图1所示。

图1　桑葚振动脱落试验装置图

1.4　试验过程

1)以盛果期的4年生蚕桑树为实验对象，通过信号源选择合适的激振信号，经功率放大器传递给往复振动发生器，最终将作用力传递给蚕桑树树枝。

2)选择合适的振点拾取位置，按照一定的顺序和方向布置压电式加速度传感器，对振动过程中的振动数据进行拾取。

3)通过往复振动发生器产生往复振动力并施加于采摘枝干，采摘树干在外力的影响下产生运动。通过布置于采摘树干的三轴加速度传感器，对运动时刻下的树枝加速度进行跟踪采集；通过数据处理得到相应的速度值，以便于对蚕桑树体振动规律做进一步的研究。

4)振动装置连接杆部位布置加速度传感器，对实时转速下的采摘装置加速度值采集。

5)通过i-SPEEDTR高速相机对振动树枝上的成熟果实的脱落过程进行捕捉，通过软件处理对果蒂部位的运动轨迹进行跟踪绘制，对振动过程中果蒂与主干的夹角进行统计分析，研究蚕桑葚实在脱落过程中的果蒂运动轨迹，从而为果实振动设备的研发提供必要的理论数据。

2结果分析与评价

2.1　桑葚脱落过程瞬时速度分析

试验中，使用高速相机对灵果振动脱落过程中桑葚果实运动轨迹进行追踪记录,利用软件i-SPEED Software Suite软件对追踪记录的桑葚侧枝上桑葚运动轨迹进行处理分析。选取多组熟果和生果生长于同一枝干的树枝作为桑葚运动轨迹的研究对象，分别选取熟果和生果的果实与主干的连接处、果实的果蒂部位作为特征部位进行标记，对其的运动轨迹进行追踪分析。运动轨迹特征标记点选取如图2所示。

图2　运动轨迹特征标记点

试验中，将桑葚熟果脱落时刻的前后10帧作为分析时间序列，共选取21帧作为研究对象，对桑葚的运动规律进行分析。分析中，将熟果果实与主干的连接处及果蒂部位分别标记为Track Point 1 speed和Track Point 2 speed；将生果的果实与主干的连接处果蒂部位的标记分别记为Track Point 3 speed和Track Point 4 speed。利用软件Matlab对熟果和生果脱落瞬间的瞬时速度绘制速度曲线图，如图3所示。

图3　桑葚时刻速度曲线图

由图3可知：远离振动源端的主干振动速度明显小于靠近主干端的运动速度，整个过程中主干的振动速度在0～2 000mm/s的范围内变化;生果与熟果果蒂部位的瞬时速度变化明显大于主干的瞬时运动速度，起伏变化明显。通过逐帧分析发现：熟果是在729ms时彻底断裂，与果树主干分离；在725ms时与主干连接处出现明显裂痕，此时刻各标记点的速度值基本都在1 100mm/s左右；在后一时刻，熟果的果蒂部位瞬时速度直线增加，而生果的果蒂部位瞬时速度也相应增加，单增加幅度远小于熟果果蒂部位的速度变化量；在729ms时，熟果从主干脱落，熟果果蒂部位的瞬时速度在脱离主干后直线急剧增加，在730ms时达到了最大瞬时速度8 238.932 0mm/s，随后熟果的瞬时速度也相应减小；而生果的果蒂部位在脱落瞬间的瞬时速度突然增加，但幅值较小，因此在熟果脱落后生果继续在振动源的影响下做被迫运动，但未从主干脱离；在熟果脱落瞬间，熟果所在处主干瞬时速度达到主干最大瞬时速度2 340.940 0mm/s，而生果所在的主干其瞬时速度在这一刻与其他3个特征点相比较，瞬时速度最小。

因此，熟果与生果的果蒂部位的脱落力大小是不同的，在同等运动条件下，熟果更容易从主干脱离。熟果在脱离的时刻，生果、熟果与主干连接处的速度达到同等的瞬时速度。在脱落后，熟果的瞬时速度达到最大值，而其所在的主干瞬时速度达到最小值；而生果所在的主干及生果的果蒂部位，在熟果脱落后其瞬时速度较之前相对减小。

2.2　桑葚脱落特性分析

林果的机械化采收作业中，果实的收获率主要取决于振动采摘装置的振荡频率和振动幅度。过大的振动频率或振幅虽然也能实现果实振动采收的目的，但将对果树的正常生长造成伤害；过小的振动频率或振幅将也能实现果实机械化采收的目的，但收获效率较低。表1为采摘装置在不同振幅下的频率、收获率统计表。

表1　采摘装置不同振幅下的频率、收获率统计表

续表1

表1表明：随着转速的增加，收获率逐渐增大，转速越大，收获率越高；采摘装置主振频率也随振幅的增大而增大。当振幅为13mm时，果实收获率小于振幅为23mm时的果实收获率；振幅的大小严重影响果实的收获率，随着振幅的增加果实的收获率也会随之增加。振动装置的主振频率也在15～32Hz的范围内变化，随着振动装置转速的变化，主振频率也随之发生变化。不同振幅、相同转速下，振幅大的振动装置的果实收获率较为理想；相同振幅、不同转速下，转速越大，果实的收获率越理想。

振幅—频率变化关系图如图4所示，振幅—收获率变化关系图如图5所示。由图4和图5可知：当振幅为13mm时，转速从1 250r/min逐渐增加，当增至2 000r/min时，振动装置的主振频率从16.4Hz增至31.28Hz，桑葚收获率也逐渐增加，在最大转速时收获率为89.7%。当振幅为13mm、转速为1 850r/min时，振动装置与果树的接触部位树皮破裂；当振幅为18mm时，随着转速的增加振动装置主振频率也随之增加，在测量范围内，振动装置的主振频率从20.63Hz增加至31.28Hz，最大收获率为92.4%；当振幅为18mm、转速为1 850r/min时，接触部位的树皮破损；当振幅为23mm时，主振频率和收获率随转速增加而增加，在最大转速时收获率为95.7%；当振幅为23mm、转速为1 550r/min时，树体主干出现剧烈的振动，同时生果也从主干脱落。

由分析得知：振幅过大时，会引起树体主干的剧烈振动，同时生果随熟果一起从主干脱落，对果树的生长造成了一定的损伤，也不利于果实的健康生长；振幅过小时，采摘效率低下，也不符合机械化作业的设计要求。振动装置主振频率过大时，振动装置与树体的接触部位的树皮组织破损，造成树体破损；振动装置主振频率过小时，采摘效率较低，不符合机械化作业要求。在桑葚振动采摘试验中，当振幅为18mm、转速为1 700r/min时，主振频率为28Hz，收获率为90.4%，采摘的果实无生果，采摘装置与树体接触部位无损伤，为桑葚振动采摘的最理想采摘参数。

图4　振幅-频率变化曲线图

图5　振幅-收获率变化曲线图

3结论

1)在一定转速范围内，振动装置的转速越大，果实的收获率越高。

2)振动装置的主振频率随着转速的增大而增大。

3)振动装置振幅过大，会引起树体主干的剧烈振动，同时生果也将随熟果一起脱落；振幅过小，采摘效率较低。振动装置主振频率过大，将对果树的树皮组织造成损伤；主振频率过小，采摘效率较低。

4)桑葚振动采摘的最理想参数为振幅18mm，转速1 700r/min ,主振频率28Hz，果实收获率90.4%，落果中无生果，振动装置与主干的接触部位无明显损伤。

参考文献：

[1]蔡菲，卫舂耀，七学农.基于高速摄像技术的振动落果惯性力研究[J].西北农林科技大学学报:自然科学版, 2013(4):208-212.

[2]吴婧婧，梁桂秋，陆春霞.果桑及桑葚开发利用研究进展[J].资源与生, 2011(17):319-320.

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

[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, 2012(7)：40-45.

[5]祁高展.我国桑葚资源开发与利用综述[J].工业技术, 2012(1):37-43.

[6]汤智辉，沈从举，孟祥金,等.4YS-24 型红枣收获机的研制[J].新疆农机化,2010(1):30-32．

[7]翁凌云，许林云. Y型果树动力学模型假设与分析[J].农机化研究, 2013,35(4):19-24.

[8]王敏，曹肆林，何义川,等.机械振动式沙棘采收机的设计[J].农机化研究, 2013,35(1):109-111．

[9]王业成，袁威，陈海涛,等．便携式小浆果采收器[J].农业机械学报,2011(S1):181-183．

[10]王业成，陈海涛，邱立春.黑加仑干枝的试验模态分析[J].农业工程学报,2011(S2):45-49.

[11]王长勤，许林云，周宏平.偏心式林果振动收机的研制与试验[J].农业工程,2012(16):18-24.

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

中图分类号：S225.93

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0183-04

作者简介：丁红星(1991-)，男，新疆奎屯人，硕士研究生，(E-mail)726177827@qq.com。通讯作者：李敏通(1968-)，男，陕西武功人，副教授，(E-mail)lmtyd@nwsuaf.edu.cn。

基金项目：农业科技创新与攻关项目(2015NY050)

收稿日期：2015-10-02