羅建清

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊　830047)

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杏果樹激振收獲能量傳遞的初步研究

羅建清

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊830047)

摘要：為解決杏果實機械振動式采收的問題，根據新疆實地果品采收要求，介紹了激振式收獲過程能量傳遞試驗的基本原理，并通過在果樹不同位置外加激振力進行振動試驗，利用應變數據采集系統(tǒng)進行數據采集輸出，借助高速攝像對果樹振動過程進行實時圖像捕捉記錄。通過對采集應變數據及圖像進行運動分析處理可知：在振動式采收過程中，能量傳遞與夾持位置有關。當選取樹枝上激振點距夾持點的最佳位置為27.5mm時，樹枝上達到共振頻率，獲得的能量最大；能量在樹枝傳遞的過程中存在能量的損失；分支與主枝干夾角越小，獲得的能量越大，越有利于果實振動脫落。該研究可以為水果機械振動式的進一步研究提供理論基礎和技術指導。

關鍵詞：杏果樹；能量傳遞；采收；振動式

0引言

新疆是果業(yè)原材料生產大省，也是新疆的特色優(yōu)勢產業(yè)之一。近年來，全疆水果業(yè)有了長足發(fā)展，但總體還是很不理想，全疆整體果業(yè)采收及后處理再加工能力明顯落后。杏果的成熟期是6-7月份，受到杏果成熟期相對比較集中、出產量大、上市期時間緊迫的條件制約，杏果易腐爛變質；而冷凍保鮮貯藏手段成本較高，不利于長途運輸，傳統(tǒng)手工采收費時費力，效率低[1-2]。因此，進一步提升杏果采收過程中機械化程度刻不容緩。

國外對于機械振動式果品收獲機的研究起步早，從理論機理到試驗研究都有。Fridley和Adrian等[3]對果實采收的研究在20世紀60年代就已經開始，主要對振動式采收機理進行研究，通過提出一種理論模型并進行計算機仿真。Lang[4-7]總結建立了一種樹木模型簡化方法，提出能量傳遞功率的損失方程。Horcath等[8]由于建立的能量耗散函數方程過于理想化，不太符合實際情況。Savary等[9]通過有限元建模分析，仿真得到樹木振動動態(tài)響應情況。Fabio等[10]利用品種不同的咖啡樹做振動試驗，并得到最佳的采收頻率。和國外相比，國內在機械振動式果品采收方面的研究相對落后，但近幾年還是取得了一定的研究成果。陳度等[11]對機械式振動采收櫻桃的機理進行了初步的探討，發(fā)現果實脫落是由慣性力產生的，當慣性力大于果實結合力時果實發(fā)生脫落。許林云等[12]通過對果樹振動系統(tǒng)的模型進行分析及振動系統(tǒng)的參數計算研制出偏心式林果振動采收機，并進行田間試驗；但目前對于果實在振動情況下脫落所需要的能量及樹枝在振動過程中的能量傳遞這一方面還很欠缺。蔡菲、瞿維等[13]以連續(xù)振動方式作為試驗前提，研究杏果實在振動脫落過程中的運動規(guī)律及對能量在果樹傳遞有一定見解。因此，本文主要針對杏果樹受外加激振力作用下的受迫振動過程，從不同條件出發(fā)，研究能量沿著樹枝的傳遞分布規(guī)律，以期為機械振動式杏果采收設備的設計開發(fā)提供一定的理論指導。

1材料與方法

1.1材料

試驗材料為新疆本地生長樹齡6～8年的賽買提杏樹。

1.2試驗儀器

主要儀器有：激振器、ZJY-601A型振動教學試驗儀、DH-3820靜態(tài)應變測試系統(tǒng)、高速攝像儀、Phantom控制處理軟件、卷尺、記號筆。

1.3試驗原理

以冬眠期的杏果樹為試驗對象，給果樹施加激振力，使激振力與果樹樹枝平面垂直，保證樹枝運動在同一個平面內振動，并使果枝的受力始終在一個方向上。通過粘貼應變片測定果枝在振動過中的應變情況，利用應變能計算公式有

(1)

Vt=vtV

(2)

其中，vt為應變能密度(J/m3)；σ為應力(MPa)；E為彈性模量(MPa)；V為體積(m3)。由此計算出應變能，定性地研究果樹能量傳遞過程。

1.4試驗步驟

1) 選取成熟度較好、形態(tài)學相對規(guī)則的樹枝作為試驗對象，選取合適的點標記并在該點處粘貼應變片，將所需的試驗儀器與果樹枝連接完成后將樹枝一端固定好。

2) 在杏果木的側枝上夾持激振器，且振動側枝的旁邊放一參考比例尺，使振動過程中盡可能保證樹枝在垂直于振動器的平面內運動，便于后期觀察分析和數據后處理。

3) 對每一個標記點分別測量其距激振點的距離。借助DH-3820靜態(tài)應變測試系統(tǒng)進行數據采集，將采集到的應變數據進行后續(xù)處理和分析。

4) 使用高速攝像儀對樹枝振動過程進行實時圖像捕捉記錄，使用phantom軟件對其進行后續(xù)的處理和分析。

2結果與分析

2.1同頻率、不同激振點的能量傳遞

在試驗過程中，通過調節(jié)激振器的夾持位置，分別采集在振動過程中沿樹枝同一路徑下能量傳遞過程中樹枝產生應變的情況，并要保證樹枝上能量只能沿一個方向傳遞；否則，能量變化差異很大，會在相當大程度上影響試驗準確性和加大后期數據分析處理的難度。

圖1是試驗過程中拍攝的樹枝圖形。為了便于研究和問題說明，對樹枝圖形使用繪圖軟件進行了修整，并且標出樹枝上能量傳遞的路徑。

圖1　樹枝能量傳遞路徑分布圖

圖2所示DH-3820靜態(tài)應變測試系統(tǒng)儀器連接現場圖，可實時記錄同一時刻不同監(jiān)測點應變大小。選取激振點的位置距夾持點的距離分別為17.5、27.5cm。為保證監(jiān)測點在同一個樹枝上，選取的監(jiān)測點分別為2、3、5、6、8、10。為了獲得樹枝的最大應變能，對每個時間段的選取是至關重要的，通常選取共振點的時間點對其進行分析。假設每一個監(jiān)測點的體積是不變的，使用式(1)、式(2)計算每點的應變能，繪制圖形，如圖3和圖4所示。

圖2　試驗儀器連接與測量

圖3　距夾持點17.5cm處的應變能

圖4　距夾持點27.5cm處的應變能

由圖3和圖4可知：距夾持點27.5cm處的能量明顯要比17.5cm處的應變能大。這是非常有利于果實的脫落的，說明能量傳遞與距夾持點的距離有關系。在機械式振動采收過程中，果實樹枝通過外力獲得能量，在一定范圍內做擺動，才有利于果實的脫落。從圖4中明顯觀察到：樹枝在此點具有能量的積蓄，做大幅度擺動，這種能量傳遞方式較其他方式具有明顯優(yōu)勢。在振動式機械的采收中，對于同一株樹上果實的采收，為獲得最大的采收率，對激振器的夾持位置的選取是至關重要的。

從圖4還可以看出：監(jiān)測點3的獲取能量最大，波動也最大。由此可知，枝干在此時發(fā)生共振，而其它的位置卻沒有發(fā)生共振。

通過以往研究經驗發(fā)現：不同的樹枝段的共振頻率是不同的。對于本試驗研究對象的樹枝，其最佳參考采收頻率為5～40Hz。鑒于不同類型的樹枝存在多因素的影響，導致共振頻率是有差異性的，但此頻率段對杏果實果樹振動式機械設備的研究開發(fā)有一定的參考價值。

2.2對振動過程中樹枝分叉點能量的研究

在實際采收過程中，每株果樹枝葉繁多，并且樹枝的分叉是隨機的，無變化規(guī)律可循。為找到樹枝分叉對能量傳遞的影響，選擇分叉都在同一個平面內樹枝進行研究，獲取一個關鍵點進行重點分析。

在圖1中選取第1個主要的分叉點為研究對象，不僅能分析在分叉點的能量傳遞情況，又能驗證在樹杈處的能量傳遞是否是基本守恒。選取監(jiān)測點分別為3、5、14。對于第3個監(jiān)測點的選取，應該盡可能離樹枝分叉點近，因為能量在樹枝上的傳遞會有一定損耗；如果應變片選取得太遠，則不便于分析能量在傳遞過程中能量守恒的問題了，此時樹枝上損失的能量較多。

通過DH-3820靜態(tài)應變測試系統(tǒng)采集的數據，使用式(1)、式(2)計算出應變能，如圖5所示。

圖5　第1分叉點的應變能

由圖5分析可得：樹枝分叉前的總應變能要高于分叉后各個樹枝的應變能總和，可判定能量在分枝處發(fā)生了分流。經過能量守恒的計算對比發(fā)現：分流之后的能量之和略小于分流之前的能量，這是一個正常的現象。因為樹枝本身存在阻尼，導致能量在傳遞過程中出現了損耗，這些能量損失是不能避免的。由此發(fā)現：在研究振動式采收的機械計算輸出功率時必須考慮能量的損失，這樣可以高效準確地確定機器輸出的功率。

2.3共振頻率范圍的分析

振動式機械采收杏果的過程中，對頻率的要求特別高，頻率的選取直接影響到果實的整體采收率。在實際情況中，樹枝結構的非線性、幾何形態(tài)的無序性將會影響不同樹枝的采收頻率。

為了更好地研究樹枝的采摘最優(yōu)頻率的范圍，通過ZJ—601A型振動教學試驗儀來調節(jié)激振器來找到每段樹枝的激振頻率，使其達到每段樹枝的共振頻率。借助高速攝像儀拍下共振情況的樹枝振動情況，進行分析對比。

經過多次的重復實驗，根據高速攝像儀拍攝的結果，選取兩個典型共振頻率和兩幅圖像進行說明，如圖6～圖9所示。

圖6　粗枝共振前

圖7　粗枝共振時

圖8　細枝共振前

圖9　細枝共振時

選取的共振頻率分別為8Hz和30Hz進行分析討論。通過圖6和圖7可看出：當較粗的樹枝達到共振時，振動頻率較慢，而振幅卻很大；對于較細的樹枝，果枝共振時，振動頻率快，振幅很小。

以上這兩種情況都是果實最容易脫落的情況。因此，在比較粗的樹枝上使用激振器調為低頻高幅的振動方式進行采收，在細枝條上應該采用高頻低幅的采收方式。

2.4同頻率、同時間、不同角度的能量傳遞

根據在果園中觀察發(fā)現：每株果樹上的樹枝多而雜亂，果實主要集中結在枝條上，而主枝干結果很少。這些果枝與主枝上的夾角也是不盡相同，為發(fā)現果枝與主枝的夾角對果實的采收效果的影響，對果枝與主枝干的夾角關系的研究就顯得很有必要。

試驗過程中，在枝干處施加激振力，前提是必須保證樹枝的振動在同一個平面。同一時間段，在樹枝上選取監(jiān)測點分別為3、13、14。通過分析樹枝與主枝夾角的關系，來討論這3個關鍵點的能量傳遞分布。

在分析討論前，假設路徑Ⅰ為主枝路徑，路徑Ⅱ和Ⅲ為分支的路徑。通過式(1)和式(2)計算應變能大小。主枝與主枝不同夾角的能量傳遞分布圖如圖10所示。

圖10　主枝與主枝不同夾角的能量傳遞分布

由圖10中可知：離激振點近的位置的能量明顯大于樹枝其他位置的能量。這說明，能量在傳遞的過程中是有損失的。討論樹枝的夾角與角度的關系：經測量，13號監(jiān)測點處樹枝與主枝的夾角為52°，14號監(jiān)測點的樹枝與主枝的夾角為40°。忽略阻尼對能量傳遞的影響，可得在14號監(jiān)測點的樹枝上獲得的能量明顯要大于13號監(jiān)測點上的能量。由此發(fā)現，能量的傳遞與角度有很大的關系：樹枝與主枝夾角越大，能量傳遞越分散，繼而獲得的能量越?。粯渲εc主枝夾角越小，獲得能量越大，越有利于振動落果。

3結論

1) 在振動式采收過程中，能量傳遞與夾持位置有關。當選取樹枝上激振點距夾持點的最佳位置為27.5mm時，樹枝上達到共振頻率，獲得的能量最大。

2) 不同的樹枝上、不同樹段的共振頻率是不同的，這主要與樹枝自身特性有關。

3) 在杏果采收的過程中，對于采收粗枝上果實應采用低頻高幅的方式，采收細枝上果實應使用高頻低幅的方式。

4)樹枝與主枝的夾角不同，所獲得的能量也不同：樹枝與主枝的夾角越小，獲得的能量越大；夾角越大，獲得的能量就越小。

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Initial Research of Apricot Fruit Harvesting Vibration Energy Transfer

Luo Jianqing

Abstract：In order to solve the problem of the apricot fruit harvest mechanical vibration. According to the Xinjiang field fruit harvesting requirements, introduces the basic principle of energy transfer test vibration harvesting process, through vibration test of fruit trees in different position of external excitation force, data acquisition output by using the strain data acquisition system, with high-speed photography of apricot trees dynamic real-time image capture process record.Through the acquisition of strain data and image motion analysis processing.Obtained in process of vibration type recovery,energy transfer and the clamping position on. When selecting the excitation point branch holding the best location point is 27.5mm, the branches reach resonance frequency, obtain the maximum energy; energy loss processes in the branches in the energy transfer; the angle of branch and trunk is of the smaller to get more energy, more conducive to fruit vibration off. To provide theoretical basis and technical guidance for the further research of vibration type fruit mechanical.

Key words：apricot fruit; energy transfer; harvest; vibration type

文章編號：1003-188X(2016)02-0128-05

中圖分類號：S225.93

文獻標識碼：A

作者簡介：羅建清(1986-)，男，重慶人，助理實驗師，碩士，(E-mail)13999176530@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51465054)

收稿日期：2015-01-29