杏果樹激振收獲能量傳遞的初步研究

羅建清

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊830047)

摘要：為解決杏果實(shí)機(jī)械振動式采收的問題，根據(jù)新疆實(shí)地果品采收要求，介紹了激振式收獲過程能量傳遞試驗(yàn)的基本原理，并通過在果樹不同位置外加激振力進(jìn)行振動試驗(yàn)，利用應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集輸出，借助高速攝像對果樹振動過程進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像捕捉記錄。通過對采集應(yīng)變數(shù)據(jù)及圖像進(jìn)行運(yùn)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(guān)。當(dāng)選取樹枝上激振點(diǎn)距夾持點(diǎn)的最佳位置為27.5mm時(shí)，樹枝上達(dá)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(shí)振動脫落。該研究可以為水果機(jī)械振動式的進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)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(chǎn)大省，也是新疆的特色優(yōu)勢產(chǎn)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(chǎn)量大、上市期時(shí)間緊迫的條件制約，杏果易腐爛變質(zhì)；而冷凍保鮮貯藏手段成本較高，不利于長途運(yùn)輸，傳統(tǒng)手工采收費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低[1-2]。因此，進(jìn)一步提升杏果采收過程中機(jī)械化程度刻不容緩。

國外對于機(jī)械振動式果品收獲機(jī)的研究起步早，從理論機(jī)理到試驗(yàn)研究都有。Fridley和Adrian等[3]對果實(shí)采收的研究在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始，主要對振動式采收機(jī)理進(jìn)行研究，通過提出一種理論模型并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。Lang[4-7]總結(jié)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(shù)方程過于理想化，不太符合實(shí)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(yīng)情況。Fabio等[10]利用品種不同的咖啡樹做振動試驗(yàn)，并得到最佳的采收頻率。和國外相比，國內(nèi)在機(jī)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(jī)械式振動采收櫻桃的機(jī)理進(jìn)行了初步的探討，發(fā)現(xiàn)果實(shí)脫落是由慣性力產(chǎn)生的，當(dāng)慣性力大于果實(shí)結(jié)合力時(shí)果實(shí)發(fā)生脫落。許林云等[12]通過對果樹振動系統(tǒng)的模型進(jìn)行分析及振動系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算研制出偏心式林果振動采收機(jī)，并進(jìn)行田間試驗(yàn)；但目前對于果實(shí)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(yàn)前提，研究杏果實(shí)在振動脫落過程中的運(yùn)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(jī)械振動式杏果采收設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)提供一定的理論指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1材料

試驗(yàn)材料為新疆本地生長樹齡6～8年的賽買提杏樹。

1.2試驗(yàn)儀器

主要儀器有：激振器、ZJY-601A型振動教學(xué)試驗(yàn)儀、DH-3820靜態(tài)應(yīng)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(yàn)原理

以冬眠期的杏果樹為試驗(yàn)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(yùn)動在同一個平面內(nèi)振動，并使果枝的受力始終在一個方向上。通過粘貼應(yīng)變片測定果枝在振動過中的應(yīng)變情況，利用應(yīng)變能計(jì)算公式有

(1)

Vt=vtV

(2)

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

1.4試驗(yàn)步驟

1) 選取成熟度較好、形態(tài)學(xué)相對規(guī)則的樹枝作為試驗(yàn)對象，選取合適的點(diǎn)標(biāo)記并在該點(diǎn)處粘貼應(yīng)變片，將所需的試驗(yàn)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(cè)枝上夾持激振器，且振動側(cè)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(nèi)運(yùn)動，便于后期觀察分析和數(shù)據(jù)后處理。

3) 對每一個標(biāo)記點(diǎn)分別測量其距激振點(diǎn)的距離。借助DH-3820靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行實(shí)時(shí)圖像捕捉記錄，使用phantom軟件對其進(jìn)行后續(xù)的處理和分析。

2結(jié)果與分析

2.1同頻率、不同激振點(diǎn)的能量傳遞

在試驗(yàn)過程中，通過調(diào)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(chǎn)生應(yīng)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(dāng)大程度上影響試驗(yàn)準(zhǔn)確性和加大后期數(shù)據(jù)分析處理的難度。

圖1是試驗(yàn)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(jìn)行了修整，并且標(biāo)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(yīng)變測試系統(tǒng)儀器連接現(xiàn)場圖，可實(shí)時(shí)記錄同一時(shí)刻不同監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)變大小。選取激振點(diǎn)的位置距夾持點(diǎn)的距離分別為17.5、27.5cm。為保證監(jiān)測點(diǎn)在同一個樹枝上，選取的監(jiān)測點(diǎn)分別為2、3、5、6、8、10。為了獲得樹枝的最大應(yīng)變能，對每個時(shí)間段的選取是至關(guān)重要的，通常選取共振點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)對其進(jìn)行分析。假設(shè)每一個監(jiān)測點(diǎn)的體積是不變的，使用式(1)、式(2)計(jì)算每點(diǎn)的應(yīng)變能，繪制圖形，如圖3和圖4所示。

圖2　試驗(yàn)儀器連接與測量

圖3　距夾持點(diǎn)17.5cm處的應(yīng)變能

圖4　距夾持點(diǎn)27.5cm處的應(yīng)變能

由圖3和圖4可知：距夾持點(diǎn)27.5cm處的能量明顯要比17.5cm處的應(yīng)變能大。這是非常有利于果實(shí)的脫落的，說明能量傳遞與距夾持點(diǎn)的距離有關(guān)系。在機(jī)械式振動采收過程中，果實(shí)樹枝通過外力獲得能量，在一定范圍內(nèi)做擺動，才有利于果實(shí)的脫落。從圖4中明顯觀察到：樹枝在此點(diǎn)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(jī)械的采收中，對于同一株樹上果實(shí)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(guān)重要的。

從圖4還可以看出：監(jiān)測點(diǎn)3的獲取能量最大，波動也最大。由此可知，枝干在此時(shí)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(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：不同的樹枝段的共振頻率是不同的。對于本試驗(yàn)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(dǎo)致共振頻率是有差異性的，但此頻率段對杏果實(shí)果樹振動式機(jī)械設(shè)備的研究開發(fā)有一定的參考價(jià)值。

2.2對振動過程中樹枝分叉點(diǎn)能量的研究

在實(shí)際采收過程中，每株果樹枝葉繁多，并且樹枝的分叉是隨機(jī)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(nèi)樹枝進(jìn)行研究，獲取一個關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析。

在圖1中選取第1個主要的分叉點(diǎn)為研究對象，不僅能分析在分叉點(diǎn)的能量傳遞情況，又能驗(yàn)證在樹杈處的能量傳遞是否是基本守恒。選取監(jiān)測點(diǎn)分別為3、5、14。對于第3個監(jiān)測點(diǎn)的選取，應(yīng)該盡可能離樹枝分叉點(diǎn)近，因?yàn)槟芰吭跇渲ι系膫鬟f會有一定損耗；如果應(yīng)變片選取得太遠(yuǎn)，則不便于分析能量在傳遞過程中能量守恒的問題了，此時(shí)樹枝上損失的能量較多。

通過DH-3820靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，使用式(1)、式(2)計(jì)算出應(yīng)變能，如圖5所示。

圖5　第1分叉點(diǎn)的應(yīng)變能

由圖5分析可得：樹枝分叉前的總應(yīng)變能要高于分叉后各個樹枝的應(yīng)變能總和，可判定能量在分枝處發(fā)生了分流。經(jīng)過能量守恒的計(jì)算對比發(fā)現(xiàn)：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(xiàn)象。因?yàn)闃渲Ρ旧泶嬖谧枘?，?dǎo)致能量在傳遞過程中出現(xiàn)了損耗，這些能量損失是不能避免的。由此發(fā)現(xiàn)：在研究振動式采收的機(jī)械計(jì)算輸出功率時(shí)必須考慮能量的損失，這樣可以高效準(zhǔn)確地確定機(jī)器輸出的功率。

2.3共振頻率范圍的分析

振動式機(jī)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(shí)的整體采收率。在實(shí)際情況中，樹枝結(jié)構(gòu)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(xué)試驗(yàn)儀來調(diào)節(jié)激振器來找到每段樹枝的激振頻率，使其達(dá)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(jìn)行分析對比。

經(jīng)過多次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)高速攝像儀拍攝的結(jié)果，選取兩個典型共振頻率和兩幅圖像進(jìn)行說明，如圖6～圖9所示。

圖6　粗枝共振前

圖7　粗枝共振時(shí)

圖8　細(xì)枝共振前

圖9　細(xì)枝共振時(shí)

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

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

2.4同頻率、同時(shí)間、不同角度的能量傳遞

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

試驗(yàn)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(shí)間段，在樹枝上選取監(jiān)測點(diǎn)分別為3、13、14。通過分析樹枝與主枝夾角的關(guān)系，來討論這3個關(guān)鍵點(diǎn)的能量傳遞分布。

在分析討論前，假設(shè)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(jì)算應(yīng)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(diǎn)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(guān)系：經(jīng)測量，13號監(jiān)測點(diǎn)處樹枝與主枝的夾角為52°，14號監(jiān)測點(diǎn)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(diǎn)的樹枝上獲得的能量明顯要大于13號監(jiān)測點(diǎn)上的能量。由此發(fā)現(xiàn)，能量的傳遞與角度有很大的關(guān)系：樹枝與主枝夾角越大，能量傳遞越分散，繼而獲得的能量越小；樹枝與主枝夾角越小，獲得能量越大，越有利于振動落果。

3結(jié)論

1) 在振動式采收過程中，能量傳遞與夾持位置有關(guān)。當(dāng)選取樹枝上激振點(diǎn)距夾持點(diǎn)的最佳位置為27.5mm時(shí)，樹枝上達(dá)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(guān)。

3) 在杏果采收的過程中，對于采收粗枝上果實(shí)應(yīng)采用低頻高幅的方式，采收細(xì)枝上果實(shí)應(yīng)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(xiàn)標(biāo)識碼：A

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

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465054)

收稿日期：2015-01-29