CN107436284A - 一种基于振动采收的果实振动响应模态的振动参数测试装置 - Google Patents

Abstract

本技术提供一种基于振动采收的果实振动响应模态的振动参数测试装置，它包括试验台架、变频电机、变速箱、曲柄滑块机构、旋转装置；曲柄滑块机构中的直线导轨水平安装时实现果实的摆动，直线导轨竖直安装时实现果实的垂直运动；旋转装置实现果实的扭转运动。本技术实现了果实的摆动、垂直运动，扭转运动三个主要振动响应模态，并实现调频调幅，可广泛适用于银杏、核桃、红枣、杏、柑橘等林果振动采收的果实振动响应模态，适用于各种水果及振动采收机，通用性强。通过试验可获得各种果实三种主要振动响应模态下振落的最佳振动参数，得出果实与果柄分离的最优条件，以及所对应的最优激振方式，从而为林果采摘机械的设计提供理论依据。

Description

一种基于振动采收的果实振动响应模态的振动参数测试装置

技术领域

本申请涉及水果振动采收技术，具体地说，是一种基于振动频率、振幅及果实脱落时间三个振动参数应用于果实振动采收时果实振动响应形成水平摆动、垂直振动或跳动、水平扭转运动三种主要振动响应模态最终导致果实脱落的测试装置。

背景技术

目前，我国果品总种植面积和产量均占世界第1位，已成为种植业中位列粮食、蔬菜之后的第三大产业。截止2013年底，我国林果种植总面积已突破1237万hm²，水果总产量已超过2．5亿t，林果产业的迅猛发展提升了果园机械的市场需求。

林果收获作业是林果生产全过程中最重要的环节，季节性强，劳动密集，所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的35%～45%。成熟果实如不能及时采收，果实品质将会受到直接的影响，并造成严重的经济损失。林果机械化收获主要是依靠不同的振动方式使果实从果树上分离，并收集，林果机械化收获可提高工作效率及保障品质。对于规模化大面积种植的果园来说这种收获方式收获速度快效率高，并且能够有效降低生产成本。因此林果机械的研究与应用，对于我国林果业有着重要的意义。

果园采摘机械的理论研究和设计首先要确定采摘机械的工作参数，合适的工作参数对采收效果起着决定性的作用。通过对果树动态特性的研究选择采摘机械工作参数，一般采用动力学建模分析和实验两种方式获得，果树动态特性研究对振动工作参数的选择具有重要意义。

因为各种激振装置所引起的果实振动响应模态是不同的，果实脱落条件也不唯一。研究果实与果柄分离的最优条件，以及所对应的最优激振方式的可重复性试验的组合式果实振动实验台还未有人研制出来。为了给研究不同果实的动态果柄结合力与分离力提供一种实验方法和装置，设计出符合振动响应模态的果实振动实验台显得尤为重要。

发明内容

本技术的目的是提供一种能够结构简单、重复性好，能够实现水果振动采收时水平摆动、垂直运动、水平旋转或扭转运动三种振动响应模态的振动参数测试装置。

本技术所述的基于振动采收的果实振动响应模态的振动参数测试装置，包括试验台架、变频电机、变速箱、曲柄滑块机构；曲柄滑块机构包括连接在变速箱的输出轴上的曲柄、滑动设置直线导轨上的滑块、两端分别与滑块和曲柄铰接的连杆，直线导轨既能够水平安装于实验台架上，也可以竖直安装于试验台架上；在滑块上设置水平状态夹紧机构和竖直状态夹紧机构；当直线导轨水平安装时，水平状态夹紧机构能够把连接有果实的果枝夹紧并沿水平方向振动果实；当直线导轨竖直安装时，竖直状态夹紧机构能够把连接有果实的果枝夹紧并沿垂直方向振动果实。

本申请的有益效果：当曲柄滑块机构的直线导轨水平安装时，通过水平状态夹紧机构把果枝夹紧，变频电机通过变速箱驱动滑块水平直线往复运动，带动果实摆动；当曲柄滑块机构的直线导轨竖直安装时，通过竖直状态夹紧机构把果枝夹紧，滑块竖直直线往复运动，带动果实垂直运动。也就是说，本技术是只需一个机构，调整安装位置即可实现了果实的两个运动模式。

作为对上述的振动参数测试装置的进一步改进，它还包括旋转装置，所述旋转装置包括竖直向下的旋转轴、连接在旋转轴下端的、能够把基本处于水平状态的且通过果柄连接有果实的果枝夹紧的旋转夹紧装置；所述变速箱为具有两个输出轴的变速箱；变速箱的一输出轴与所述曲柄相连，另一输出轴通过传动机构与所述旋转轴相连。使用时，通过旋转夹紧装置把果枝夹紧，变频电机通过变速箱的另一输出轴带动旋转轴转动，实现果实的扭转运动。变速箱将变频电机竖直平面转动扭矩转变为竖直和水平面的转动扭矩，分别驱动旋转装置和曲柄滑块机构。

作为对上述的振动参数测试装置的进一步改进，所述旋转装置还包括开有水平方向延伸的滑槽的滑槽板；滑槽板连接在旋转轴下端，旋转夹紧装置移动地设置在所述滑槽内。通过调整旋转夹紧装置在滑槽中的安装位置能够改变旋转夹紧装置绕旋转轴轴线转动的曲率半径，进而改变果实扭转运动中绕旋转轴轴线旋转的曲率半径。最好，滑槽在旋转轴的径向方向延伸，旋转夹紧装置可以带动被其夹紧的果枝沿着滑槽移动到连接在所述果枝上的果柄与旋转轴同轴的位置。这样，当果柄与旋转轴同轴时，果实扭转运动中绕旋转轴轴线旋转的曲率半径即为零。优选，旋转夹紧装置包括通过螺栓与所述滑槽滑动连接的滑板，对称连接在滑板上的两个能够同步开合的夹板，旋转轴轴线与两个夹板的对称面共面。这样，两个夹板的同步开合，可以实现把位于两个夹板之间的果枝夹紧或松开，同时夹紧果枝时，果枝的位置始终位于对称面上，这种结构能够保证在旋转夹紧装置在滑槽中移动时，可以移动到果枝与旋转轴同轴的位置。

作为对上述的振动参数测试装置的进一步改进，旋转轴与所述另一输出轴通过带传动机构相连；旋转轴通过轴承座连接在实验台架上的槽中，从而实现旋转装置在试验台架上的安装；改变轴承座在试验台架上的槽中的安装位置来调整带传动机构中的传动带的张紧。调整中心距的方式张紧带轮，结构简单，便于调整。

作为对上述的振动参数测试装置的进一步改进，曲柄与所述输出轴相连的结构为：所述输出轴通过胀套与开有曲柄滑槽的过渡套连接；曲柄可移动地设置在曲柄滑槽内；当曲柄相对于曲柄滑槽移动时，可以改变曲柄与连杆相铰接的铰接轴线相对于所述输出轴轴线的距离。这样可以改变滑块在直线导轨上的振幅。最好，曲柄滑槽在输出轴的径向方向延伸，曲柄可以沿着竖直轴的径向方向相对于曲柄滑槽移动。这样，当曲柄与连杆相铰接的铰接轴线正好位于输出轴轴线上时，滑块的振幅即为零。

作为对上述的振动参数测试装置的进一步改进，水平状态夹紧机构和竖直状态夹紧机构是合二为一的合体夹紧机构，所述合体夹紧机构包括固定在滑块上的固定夹片、与固定夹片相对移动的活动夹片；活动夹片通过螺栓与固定夹片相连；当转动螺栓，活动夹片相对于固定夹片移动时，能够把位于固定夹片与活动夹片之间的果枝夹紧；活动夹片能够绕螺栓轴线相对于固定夹片转动。水平状态夹紧机构和竖直状态夹紧机构合二为一，结构更加简单。最好，固定夹片上具有两对夹爪，活动夹片上具有一对夹爪；当直线导轨水平安装时，固定夹片上的一对夹爪向下延伸，当直线导轨竖直安装时，固定夹片上的另一对夹爪向下延伸；活动夹片上的一对夹爪可绕螺栓轴线转动至向下延伸状态，并与固定夹片上向下延伸的那一对夹爪相对；当转动螺栓，活动夹片相对于固定夹片移动时，能够把位于活动夹片上的一对向下延伸的夹爪与固定夹片上那一对向下延伸的夹爪之间的果枝夹紧。这样，通过两对相对的夹爪把果枝夹紧，更加可靠。

本技术具有如下优点：

1．适用于各种大小不一的林果及振动采收的参数测试，通用性强。

2．只用一个装置实现振动采收时果实的三种主要运动模态，分别为水平摆动、垂直运动、旋转或扭转运动，并实现精确调幅调频。

3．振动的可调幅值范围大，即可满足微小幅值振动，又可满足大幅值振动。

4．调整曲柄滑块机构的直线导轨安装位置，即可分别实现果实的水平摆动和上下垂直运动。

5．驱动装置选用具有变频器的变频电机驱动。相比于采用液压系统无极调速，结构与操作简单，只需调节变频器的频率，改变电机的转速，实现无极调速，从而实现振动的无极调频。

本申请的基于振动采收的果实振动响应模态的振动参数测试装置，直线导轨水平安装时实现果实的摆动，直线导轨竖直安装时实现果实的垂直运动；旋转装置实现果实的扭转运动。本技术实现了果实的水平摆动、垂直运动、旋转或扭转运动三个主要振动响应模态，并实现调频调幅。试验台振动的可调频域为0-46Hz,果实垂直运动和摆动的直线往复运动振动机构可调幅域为0-150mm,扭转运动的旋转运动振动机构可调曲率半径为0-100mm。本技术可广泛适用于银杏、核桃、红枣、杏、柑橘等林果振动采收的果实振动响应模态，适用于各种水果及振动采收机，通用性强。通过试验可获得各种果实三种主要振动响应模态下振落的最佳振动参数，得出果实与果柄分离的最优条件，以及所对应的最优激振方式，从而为林果采摘机械的设计提供理论依据。

附图说明

图1是振动参数测试装置的直线导轨水平安装时的立体图。

图2是振动参数测试装置的直线导轨竖直安装时的立体图。

图3是振动参数测试装置的机构原理图。

图4是果实夹持方式示意简图。

图5是曲柄滑块机构的立体图。

图6是直线导轨水平安装时合体夹紧机构示意图。

图7是直线导轨竖直安装时合体夹紧机构示意图。

图8是旋转装置的立体图。

图9是旋转装置的二维侧视图。

图10是旋转装置的二维主视图。

图11是旋转装置的旋转夹紧装置的示意图。图12是果实摆动时的振动响应模态图。

图13是果实扭转时的振动响应模态图。

图14是果实垂直运动时的一种振动响应模态图。

图15是果实垂直运动时的另一种振动响应模态图。

其中，1为变频电机，2为旋转装置，3为试验台架，4为变速箱，5为曲柄滑块机构，6为联轴器，7为滑块。

21为胀套，22为同步带轮，23为轴承座，24为导向轴支座，25为滑槽板，26为滑板，27为夹板一，271为夹板一的一对夹爪，28为夹板二，281为夹板二的一对夹爪，29为骨架防尘圈，双头螺柱30，同步带31。

51为曲柄，52为曲柄滑槽，53为紧定螺钉，54为胀套，55为连杆，56为滑块，57为直线导轨，58为固定夹片，581为固定夹片的一对夹爪，582为固定夹片的另一对夹爪，59为活动夹片，591为活动夹片的一对夹爪，60为螺栓。

81为果实，82为果柄，83为果枝。

具体实施方式

下面结合附图对本技术作详细说明。

参见图1-3所述的振动测试装置，它由变频电机1、旋转装置2、试验台架3、变速箱4、曲柄滑块机构5等几部分组成。曲柄滑块机构有两种安装方式，分别为水平和竖直安装。

参见图1，曲柄滑块机构3的直线导轨57水平安装时实现果实的摆动。

参见图2,曲柄滑块机构3的直线导轨57竖直安装时实现果实的垂直运动。

参见图1-2，图8-9，旋转装置2实现果实的扭转运动。

参见图4所示的果实夹持方式，将通过果柄82连接有果实81的一小段果枝83剪下，两对夹爪夹住果枝的两端，从而带动果实实现三种运动形式。

参见图5，曲柄滑块机构3包括曲柄51、具有曲柄滑槽52的过渡套、紧定螺钉53、胀套54、连杆55、滑块56、直线导轨57、固定夹片58、固定夹片的一对夹爪581、固定夹片的另一对夹爪582、活动夹片59、活动夹片的一对夹爪591。用内六角螺钉将直线导轨57与试验台架3相连接，具有曲柄滑槽52的的过渡套通过胀套54与变速箱4侧部的输出轴相连传递扭矩；通过改变曲柄51在曲柄滑槽52中的安装位置改变曲柄长度，并用紧定螺钉53固定，从而改变滑块在直线导轨上的振幅，通过曲柄滑槽的刻度表精确调幅。当直线导轨水平安装于试验台架时，滑块水平直线往复运动，带动果实摆动；当直线导轨竖直安装于试验台架时，滑块竖直直线往复运动，带动果实垂直运动。

参见图6-7，合体夹紧机构主要由固定夹片58、活动夹片59、螺栓60等组成，固定夹片上具有两对夹爪581、582，活动夹片上具有一对夹爪591。固定夹片58用螺钉连接在滑块56上，活动夹片通过螺栓60与固定夹片相连；活动夹片59可绕螺栓60轴线相对于固定夹片58转动90度。

当直线导轨由水平安装变为竖直安装时，活动夹片相对固定夹片转动90度，完成对果实的夹持。当转动螺栓，活动夹片相对于固定夹片移动时，能够把位于固定夹片与活动夹片之间的果枝夹紧；活动夹片能够绕螺栓轴线相对于固定夹片转动。

当直线导轨水平安装时，固定夹片上的一对夹爪581向下延伸，活动夹片59上的一对夹爪591也向下延伸，并且一对夹爪581与一对夹爪591相对。当转动螺栓60，活动夹片相对于固定夹片移动时，能够把位于一对夹爪581与一对夹爪591之间的果枝83夹紧。

当直线导轨竖直安装时，固定夹片上的另一对夹爪582向下延伸；把活动夹片59绕螺栓60轴线转动90°，使得活动夹片59上的一对夹爪591翻转至向下延伸的状态，此时，另一对夹爪582与一对夹爪591相对。当转动螺栓60，活动夹片相对于固定夹片移动时，能够把位于另一对夹爪582与一对夹爪591之间的果枝83夹紧。

参见图1-2，图8-10，旋转装置3包括胀套21、同步带轮22、轴承座23、导向轴支座24、滑槽板25、旋转夹紧装置（主要包括滑板26，夹板一27，夹板二28，双头螺柱30等），骨架防尘圈29、同步带31等。同步带轮22传递变速箱4上端输出轴水平转动扭矩，导向轴支座连接旋转轴与滑槽板，实现滑槽板绕旋转轴轴线的转动，从而带动旋转夹紧装置转动，使得被夹紧的果实绕旋转轴轴线扭转。轴承座采用骨架防尘圈进行防尘。

双头螺柱30的两端具有与夹板一27、夹板二28配合的反向螺纹，双头螺柱30的中间空套在滑板26上。夹板一27、夹板二28以滑板对称。当转动双头螺柱30时，因夹板一27、夹板二28不能转动，只能沿着双头螺柱30轴线相对移动，实现同步开合，把位于夹板一27上向下延伸的一对夹爪271和夹板二28上向下延伸的一对夹爪281之间的果枝夹紧（可参考图4）。

滑槽板开有滑槽，滑板通过螺栓与连接在滑槽内，松开螺栓可以调节滑板在滑槽内的位置，通过调整滑板在滑槽板中的安装位置改变果实绕旋转轴旋转的曲率半径，通过滑槽板的刻度精确调幅。

旋转轴轴线与夹板一27和夹板二28的对称面（即滑板26）共面。滑板26始终处于通过旋转轴轴线的平面上，通过滑板在滑槽中位置，可以使得被夹板一27和夹板二28夹持的果实处于通过旋转轴的轴线上。

试验台架3上开槽，用螺栓将旋转装置2的轴承座23连接在实验台架上的槽中，从而实现旋转装置在试验台架上的安装；改变旋转装置的安装位置来调整同步带传动的中心距，实现带传动的张紧。

根据果实受到振动的运动情况，本设计提供一种基于振动采收的果实振动响应模态的振动参数测试装置，能够适应于各种林果及林果振动采摘机械的振动参数测试，通过试验可获得各种果实摆动、垂直运动、扭转三种主要振动响应模态下振落的最佳振动参数，得出果实与果柄分离的最优条件，以及所对应的最优激振方式，从而为林果采摘机械的设计提供理论依据。

Claims (10)

1.一种基于振动采收的果实振动响应模态的振动参数测试装置，它包括试验台架、变频电机、变速箱、曲柄滑块机构；曲柄滑块机构包括连接在变速箱的输出轴上的曲柄、滑动设置直线导轨上的滑块、两端分别与滑块和曲柄铰接的连杆，其特征在于：直线导轨既能够水平安装于实验台架上，也可以竖直安装于试验台架上；在滑块上设置水平状态夹紧机构和竖直状态夹紧机构；当直线导轨水平安装时，水平状态夹紧机构能够把连接有果实的果枝夹紧并沿水平方向振动果实；当直线导轨竖直安装时，竖直状态夹紧机构能够把连接有果实的果枝夹紧并沿垂直方向振动果实。

2.如权利要求1所述的振动参数测试装置，其特征是：它还包括旋转装置，所述旋转装置包括竖直向下的旋转轴、连接在旋转轴下端的、能够把连接有果实的果枝夹紧的旋转夹紧装置；所述变速箱为具有两个输出轴的变速箱；变速箱的一输出轴与所述曲柄相连，另一输出轴通过传动机构与所述旋转轴相连。

3.如权利要求2所述的振动参数测试装置，其特征是：所述旋转装置还包括开有水平方向延伸的滑槽的滑槽板；滑槽板连接在旋转轴下端，旋转夹紧装置可移动的设置在所述滑槽内。

4.如权利要求3所述的振动参数测试装置，其特征是：滑槽在旋转轴的径向方向延伸，旋转夹紧装置可以带动被其夹紧的果枝沿着滑槽移动到连接在所述果枝上的果柄与旋转轴同轴的位置。

5.如权利要求4所述的振动参数测试装置，其特征是：旋转夹紧装置包括通过螺栓与所述滑槽滑动连接的滑板，对称连接在滑板上的两个能够同步开合的夹板，旋转轴轴线与两个夹板的对称面共面。

6.如权利要求2所述的振动参数测试装置，其特征是：旋转轴与所述另一输出轴通过带传动机构相连；旋转轴通过轴承座连接在实验台架上的槽中，从而实现旋转装置在试验台架上的安装；改变轴承座在试验台架上的槽中的安装位置来调整带传动机构中的传动带的张紧。

7.如权利要求1或2所述的振动参数测试装置，其特征是：曲柄与所述输出轴相连的结构为：所述输出轴通过胀套与开有曲柄滑槽的过渡套连接；曲柄可移动的设置在曲柄滑槽内；当曲柄相对于曲柄滑槽移动时，可以改变曲柄与连杆相铰接的铰接轴线相对于所述输出轴轴线的距离。

8.如权利要求7所述的振动参数测试装置，其特征是：曲柄滑槽在输出轴的径向方向延伸，曲柄可以沿着竖直轴的径向方向相对于曲柄滑槽移动。

9.如权利要求1或2所述的振动参数测试装置，其特征是：水平状态夹紧机构和竖直状态夹紧机构是合二为一的合体夹紧机构，所述合体夹紧机构包括固定在滑块上的固定夹片、与固定夹片相对移动的活动夹片；活动夹片通过螺栓与固定夹片相连；当转动螺栓，活动夹片相对于固定夹片移动时，能够把位于固定夹片与活动夹片之间的果枝夹紧；活动夹片能够绕螺栓轴线相对于固定夹片转动。

10.如权利要求9所述的振动参数测试装置，其特征是：固定夹片上具有两对夹爪，活动夹片上具有一对夹爪；当直线导轨水平安装时，固定夹片上的一对夹爪向下延伸，当直线导轨竖直安装时，固定夹片上的另一对夹爪向下延伸；活动夹片上的一对夹爪可绕螺栓轴线转动至向下延伸状态，并与固定夹片上向下延伸的那一对夹爪相对；当转动螺栓，活动夹片相对于固定夹片移动时，能够把位于活动夹片上的一对向下延伸的夹爪与固定夹片上那一对向下延伸的夹爪之间的果枝夹紧。