杏果树激振收获能量传递的初步研究

罗建清

(新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐　830047)



杏果树激振收获能量传递的初步研究

罗建清

(新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐830047)

摘要：为解决杏果实机械振动式采收的问题，根据新疆实地果品采收要求，介绍了激振式收获过程能量传递试验的基本原理，并通过在果树不同位置外加激振力进行振动试验，利用应变数据采集系统进行数据采集输出，借助高速摄像对果树振动过程进行实时图像捕捉记录。通过对采集应变数据及图像进行运动分析处理可知：在振动式采收过程中，能量传递与夹持位置有关。当选取树枝上激振点距夹持点的最佳位置为27.5mm时，树枝上达到共振频率，获得的能量最大；能量在树枝传递的过程中存在能量的损失；分支与主枝干夹角越小，获得的能量越大，越有利于果实振动脱落。该研究可以为水果机械振动式的进一步研究提供理论基础和技术指导。

关键词：杏果树；能量传递；采收；振动式

0引言

新疆是果业原材料生产大省，也是新疆的特色优势产业之一。近年来，全疆水果业有了长足发展，但总体还是很不理想，全疆整体果业采收及后处理再加工能力明显落后。杏果的成熟期是6-7月份，受到杏果成熟期相对比较集中、出产量大、上市期时间紧迫的条件制约，杏果易腐烂变质；而冷冻保鲜贮藏手段成本较高，不利于长途运输，传统手工采收费时费力，效率低[1-2]。因此，进一步提升杏果采收过程中机械化程度刻不容缓。

国外对于机械振动式果品收获机的研究起步早，从理论机理到试验研究都有。Fridley和Adrian等[3]对果实采收的研究在20世纪60年代就已经开始，主要对振动式采收机理进行研究，通过提出一种理论模型并进行计算机仿真。Lang[4-7]总结建立了一种树木模型简化方法，提出能量传递功率的损失方程。Horcath等[8]由于建立的能量耗散函数方程过于理想化，不太符合实际情况。Savary等[9]通过有限元建模分析，仿真得到树木振动动态响应情况。Fabio等[10]利用品种不同的咖啡树做振动试验，并得到最佳的采收频率。和国外相比，国内在机械振动式果品采收方面的研究相对落后，但近几年还是取得了一定的研究成果。陈度等[11]对机械式振动采收樱桃的机理进行了初步的探讨，发现果实脱落是由惯性力产生的，当惯性力大于果实结合力时果实发生脱落。许林云等[12]通过对果树振动系统的模型进行分析及振动系统的参数计算研制出偏心式林果振动采收机，并进行田间试验；但目前对于果实在振动情况下脱落所需要的能量及树枝在振动过程中的能量传递这一方面还很欠缺。蔡菲、瞿维等[13]以连续振动方式作为试验前提，研究杏果实在振动脱落过程中的运动规律及对能量在果树传递有一定见解。因此，本文主要针对杏果树受外加激振力作用下的受迫振动过程，从不同条件出发，研究能量沿着树枝的传递分布规律，以期为机械振动式杏果采收设备的设计开发提供一定的理论指导。

1材料与方法

1.1材料

试验材料为新疆本地生长树龄6～8年的赛买提杏树。

1.2试验仪器

主要仪器有：激振器、ZJY-601A型振动教学试验仪、DH-3820静态应变测试系统、高速摄像仪、Phantom控制处理软件、卷尺、记号笔。

1.3试验原理

以冬眠期的杏果树为试验对象，给果树施加激振力，使激振力与果树树枝平面垂直，保证树枝运动在同一个平面内振动，并使果枝的受力始终在一个方向上。通过粘贴应变片测定果枝在振动过中的应变情况，利用应变能计算公式有

(1)

Vt=vtV

(2)

其中，vt为应变能密度(J/m3)；σ为应力(MPa)；E为弹性模量(MPa)；V为体积(m3)。由此计算出应变能，定性地研究果树能量传递过程。

1.4试验步骤

1) 选取成熟度较好、形态学相对规则的树枝作为试验对象，选取合适的点标记并在该点处粘贴应变片，将所需的试验仪器与果树枝连接完成后将树枝一端固定好。

2) 在杏果木的侧枝上夹持激振器，且振动侧枝的旁边放一参考比例尺，使振动过程中尽可能保证树枝在垂直于振动器的平面内运动，便于后期观察分析和数据后处理。

3) 对每一个标记点分别测量其距激振点的距离。借助DH-3820静态应变测试系统进行数据采集，将采集到的应变数据进行后续处理和分析。

4) 使用高速摄像仪对树枝振动过程进行实时图像捕捉记录，使用phantom软件对其进行后续的处理和分析。

2结果与分析

2.1同频率、不同激振点的能量传递

在试验过程中，通过调节激振器的夹持位置，分别采集在振动过程中沿树枝同一路径下能量传递过程中树枝产生应变的情况，并要保证树枝上能量只能沿一个方向传递；否则，能量变化差异很大，会在相当大程度上影响试验准确性和加大后期数据分析处理的难度。

图1是试验过程中拍摄的树枝图形。为了便于研究和问题说明，对树枝图形使用绘图软件进行了修整，并且标出树枝上能量传递的路径。

图1　树枝能量传递路径分布图

图2所示DH-3820静态应变测试系统仪器连接现场图，可实时记录同一时刻不同监测点应变大小。选取激振点的位置距夹持点的距离分别为17.5、27.5cm。为保证监测点在同一个树枝上，选取的监测点分别为2、3、5、6、8、10。为了获得树枝的最大应变能，对每个时间段的选取是至关重要的，通常选取共振点的时间点对其进行分析。假设每一个监测点的体积是不变的，使用式(1)、式(2)计算每点的应变能，绘制图形，如图3和图4所示。

图2　试验仪器连接与测量

图3　距夹持点17.5cm处的应变能

图4　距夹持点27.5cm处的应变能

由图3和图4可知：距夹持点27.5cm处的能量明显要比17.5cm处的应变能大。这是非常有利于果实的脱落的，说明能量传递与距夹持点的距离有关系。在机械式振动采收过程中，果实树枝通过外力获得能量，在一定范围内做摆动，才有利于果实的脱落。从图4中明显观察到：树枝在此点具有能量的积蓄，做大幅度摆动，这种能量传递方式较其他方式具有明显优势。在振动式机械的采收中，对于同一株树上果实的采收，为获得最大的采收率，对激振器的夹持位置的选取是至关重要的。

从图4还可以看出：监测点3的获取能量最大，波动也最大。由此可知，枝干在此时发生共振，而其它的位置却没有发生共振。

通过以往研究经验发现：不同的树枝段的共振频率是不同的。对于本试验研究对象的树枝，其最佳参考采收频率为5～40Hz。鉴于不同类型的树枝存在多因素的影响，导致共振频率是有差异性的，但此频率段对杏果实果树振动式机械设备的研究开发有一定的参考价值。

2.2对振动过程中树枝分叉点能量的研究

在实际采收过程中，每株果树枝叶繁多，并且树枝的分叉是随机的，无变化规律可循。为找到树枝分叉对能量传递的影响，选择分叉都在同一个平面内树枝进行研究，获取一个关键点进行重点分析。

在图1中选取第1个主要的分叉点为研究对象，不仅能分析在分叉点的能量传递情况，又能验证在树杈处的能量传递是否是基本守恒。选取监测点分别为3、5、14。对于第3个监测点的选取，应该尽可能离树枝分叉点近，因为能量在树枝上的传递会有一定损耗；如果应变片选取得太远，则不便于分析能量在传递过程中能量守恒的问题了，此时树枝上损失的能量较多。

通过DH-3820静态应变测试系统采集的数据，使用式(1)、式(2)计算出应变能，如图5所示。

图5　第1分叉点的应变能

由图5分析可得：树枝分叉前的总应变能要高于分叉后各个树枝的应变能总和，可判定能量在分枝处发生了分流。经过能量守恒的计算对比发现：分流之后的能量之和略小于分流之前的能量，这是一个正常的现象。因为树枝本身存在阻尼，导致能量在传递过程中出现了损耗，这些能量损失是不能避免的。由此发现：在研究振动式采收的机械计算输出功率时必须考虑能量的损失，这样可以高效准确地确定机器输出的功率。

2.3共振频率范围的分析

振动式机械采收杏果的过程中，对频率的要求特别高，频率的选取直接影响到果实的整体采收率。在实际情况中，树枝结构的非线性、几何形态的无序性将会影响不同树枝的采收频率。

为了更好地研究树枝的采摘最优频率的范围，通过ZJ—601A型振动教学试验仪来调节激振器来找到每段树枝的激振频率，使其达到每段树枝的共振频率。借助高速摄像仪拍下共振情况的树枝振动情况，进行分析对比。

经过多次的重复实验，根据高速摄像仪拍摄的结果，选取两个典型共振频率和两幅图像进行说明，如图6～图9所示。

图6　粗枝共振前

图7　粗枝共振时

图8　细枝共振前

图9　细枝共振时

选取的共振频率分别为8Hz和30Hz进行分析讨论。通过图6和图7可看出：当较粗的树枝达到共振时，振动频率较慢，而振幅却很大；对于较细的树枝，果枝共振时，振动频率快，振幅很小。

以上这两种情况都是果实最容易脱落的情况。因此，在比较粗的树枝上使用激振器调为低频高幅的振动方式进行采收，在细枝条上应该采用高频低幅的采收方式。

2.4同频率、同时间、不同角度的能量传递

根据在果园中观察发现：每株果树上的树枝多而杂乱，果实主要集中结在枝条上，而主枝干结果很少。这些果枝与主枝上的夹角也是不尽相同，为发现果枝与主枝的夹角对果实的采收效果的影响，对果枝与主枝干的夹角关系的研究就显得很有必要。

试验过程中，在枝干处施加激振力，前提是必须保证树枝的振动在同一个平面。同一时间段，在树枝上选取监测点分别为3、13、14。通过分析树枝与主枝夹角的关系，来讨论这3个关键点的能量传递分布。

在分析讨论前，假设路径Ⅰ为主枝路径，路径Ⅱ和Ⅲ为分支的路径。通过式(1)和式(2)计算应变能大小。主枝与主枝不同夹角的能量传递分布图如图10所示。

图10　主枝与主枝不同夹角的能量传递分布

由图10中可知：离激振点近的位置的能量明显大于树枝其他位置的能量。这说明，能量在传递的过程中是有损失的。讨论树枝的夹角与角度的关系：经测量，13号监测点处树枝与主枝的夹角为52°，14号监测点的树枝与主枝的夹角为40°。忽略阻尼对能量传递的影响，可得在14号监测点的树枝上获得的能量明显要大于13号监测点上的能量。由此发现，能量的传递与角度有很大的关系：树枝与主枝夹角越大，能量传递越分散，继而获得的能量越小；树枝与主枝夹角越小，获得能量越大，越有利于振动落果。

3结论

1) 在振动式采收过程中，能量传递与夹持位置有关。当选取树枝上激振点距夹持点的最佳位置为27.5mm时，树枝上达到共振频率，获得的能量最大。

2) 不同的树枝上、不同树段的共振频率是不同的，这主要与树枝自身特性有关。

3) 在杏果采收的过程中，对于采收粗枝上果实应采用低频高幅的方式，采收细枝上果实应使用高频低幅的方式。

4)树枝与主枝的夹角不同，所获得的能量也不同：树枝与主枝的夹角越小，获得的能量越大；夹角越大，获得的能量就越小。

参考文献：

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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

文章编号：1003-188X(2016)02-0128-05

中图分类号：S225.93

文献标识码：A

作者简介：罗建清(1986-)，男，重庆人，助理实验师，硕士，(E-mail)13999176530@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51465054)

收稿日期：2015-01-29