李亞萍，李成松，坎 雜，蒙賀偉，路士興

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.山東省濰坊監(jiān)獄，山東 濰坊 261011)

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釀酒葡萄振動分離試驗(yàn)研究

李亞萍1，李成松1，坎 雜1，蒙賀偉1，路士興2

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.山東省濰坊監(jiān)獄，山東 濰坊 261011)

隨著新疆釀酒葡萄種植面積的不斷擴(kuò)大，人工收獲存在的勞動強(qiáng)度大、效率低等問題日益突出，已成為制約釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展的重要方面。為此，在自制的振動分離率測定裝置上，以電機(jī)轉(zhuǎn)速、偏心距離及搖桿長度作為影響因素，分離率為性能指標(biāo)，確立了試驗(yàn)方案并進(jìn)行了振動分離試驗(yàn)，分析了影響振動采收效果的主要因素，確定了各參數(shù)最優(yōu)組合。試驗(yàn)結(jié)果表明：影響釀酒葡萄分離率的主次順序?yàn)槠木嚯x、搖桿長度和電機(jī)轉(zhuǎn)速，最優(yōu)參數(shù)組合為偏心距離75mm、搖桿長度320mm、轉(zhuǎn)速245r/min。試驗(yàn)結(jié)果為設(shè)計(jì)基于葡萄藤蔓振動的釀酒葡萄振動分離裝置提供了理論依據(jù)。

釀酒葡萄；振動分離；最優(yōu)參數(shù)

0 引言

葡萄產(chǎn)業(yè)是新疆特色林果產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。近年來，依托新疆農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)大調(diào)整和大力發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)契機(jī)，新疆葡萄種植面積、產(chǎn)量和深加工能力均得到大幅提高[1]。目前，新疆葡萄種植用工量占葡萄生產(chǎn)用工量近50%的收獲環(huán)節(jié)完全依靠人工，存在著勞動強(qiáng)度大、效率低等突出問題，嚴(yán)重制約了釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)的健康、快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)釀酒葡萄機(jī)械化采收勢在必行[2-4]。

目前，國內(nèi)外針對釀酒葡萄、藍(lán)莓等林果的機(jī)械化收獲作業(yè)主要采用振動方式，其主要通過裝置產(chǎn)生一定頻率和振幅的振動，迫使枝干上的果實(shí)與樹枝或果蒂分離，從而實(shí)現(xiàn)果實(shí)的采收[5-8]。國外開展此類研究的有Pezzi、Polat、 Loghavi、Sessiz及Queiroz等[9-13]，國內(nèi)有王業(yè)成、陳海濤、王長勤及杜小強(qiáng)等[14-17]。

以上研究表明：振動是進(jìn)行林果收獲的有效途徑。為此，本文針對新疆釀酒葡萄主要種植品種，在自制振動分離率測定裝置上進(jìn)行了振動分離試驗(yàn)[18]，分析了影響振動采收效果的主要因素，確定了各參數(shù)最優(yōu)組合，為設(shè)計(jì)基于葡萄藤蔓振動的釀酒葡萄振動分離裝置提供了理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)測定裝置結(jié)構(gòu)與功能分析

1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

振動分離率測定裝置主要由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、Y100L-6型電機(jī)及HDII.5E4L變頻器等組成，如圖1(a)所示。其中，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為核心部件，主要為振動機(jī)構(gòu)提供一定頻率和振幅的變速運(yùn)動，主要由搖桿、連桿、偏心盤等組成，如圖1(b)所示。

1.2 工作原理

工作過程中，葡萄串通過夾具夾持固定在搖桿上，當(dāng)電機(jī)啟動后，驅(qū)動偏心盤轉(zhuǎn)動，偏心盤通過連桿、調(diào)節(jié)片、搖桿等帶動夾持的葡萄串產(chǎn)生擺動運(yùn)動。試驗(yàn)過程中，裝置擺動頻率、偏心距以及搖桿長度等參數(shù)可調(diào)。

1.變頻器 2.機(jī)架 3.偏心盤 4.連桿 5.電機(jī)

1.3 裝置功能分析

由于葡萄果粒單重較小且果柄相對較粗，因此葡萄串的主要運(yùn)動形式為擺動。基于此，建立葡萄分離原理圖如圖2所示。

Lz—葡萄枝干 Ls—葡萄果穗梗

圖2中，A處采用剛性連接并有一定的彈性，并在兩者連接處A點(diǎn)施加一個(gè)強(qiáng)迫振動，由此帶動葡萄果粒懸掛點(diǎn)B在水平面內(nèi)進(jìn)行振動。

基于此原理，通過對釀酒葡萄振動運(yùn)動進(jìn)行分析，得出葡萄振動分離條件為

m0A2ω2l′-1cos2ωt>F0

(1)

式中F0—葡萄粒同果蒂臨界連接力，由試驗(yàn)測得F0=5～13N；

m0—葡萄單粒質(zhì)量(kg)；

A—強(qiáng)迫振幅(mm)；

ω—強(qiáng)迫振動頻率(Hz)；

l′—果粒中心與B的連線長度(mm)。

由此可知：葡萄實(shí)現(xiàn)有效分離與強(qiáng)迫振動幅度、強(qiáng)迫振動頻率與果粒中心與B的連線長度等有關(guān)。因此，設(shè)計(jì)完成的試驗(yàn)裝置應(yīng)實(shí)現(xiàn)葡萄振動分離過程中擺動頻率、偏心距及搖桿長度等參數(shù)的可調(diào)。

1.4 功能實(shí)現(xiàn)

1)頻率調(diào)整：試驗(yàn)裝置動力由Y100L-6型電機(jī)提供動力，電機(jī)額定電壓380V，額定頻率50Hz，采用Y接法聯(lián)接。為了實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)整功能，本裝置采用HDII.5E4L變頻器對交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)頻，從而完成葡萄串?dāng)[動頻率的調(diào)整。

2)偏心距調(diào)整：偏心距即連桿與偏心盤間的距離，本試驗(yàn)裝置采用在偏心盤的不同位置開孔，并通過調(diào)整連桿與偏心盤孔間安裝位置，從而實(shí)現(xiàn)距離的調(diào)整。依據(jù)設(shè)計(jì)要求，本試驗(yàn)裝置偏心距調(diào)整范圍為35～75mm。偏心距調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 偏心距調(diào)整機(jī)構(gòu)圖

3)搖桿長度調(diào)整：搖桿長度調(diào)整機(jī)構(gòu)主要由調(diào)節(jié)片、搖桿以及聯(lián)接件等組成，調(diào)節(jié)片上設(shè)置有一定間距的調(diào)節(jié)孔。工作過程中，通過調(diào)整調(diào)節(jié)片與搖桿的安裝位置實(shí)現(xiàn)搖桿長度的調(diào)整。本裝置搖桿長度調(diào)整范圍為200～60mm，搖桿長度調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 搖桿長度調(diào)整機(jī)構(gòu)圖

4)夾持機(jī)構(gòu)：葡萄串夾持機(jī)構(gòu)主要由動、定夾頭和夾緊螺栓組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。試驗(yàn)過程中，通過夾持機(jī)構(gòu)將葡萄串穗柄夾持固定在搖桿末端。

圖5 葡萄串夾持機(jī)構(gòu)

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 材料

1)釀酒葡萄品種：赤霞珠。

2)產(chǎn)地：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師152團(tuán)。

3)采樣日期：9月14日。

2.2 儀器與設(shè)備

振動分離率測定裝置、變頻器(北京唯天創(chuàng)杰電氣設(shè)備有限公司NVF2-5.5)。

2.3 評價(jià)指標(biāo)

通過分離率考核振動分離質(zhì)量，分離率通過計(jì)數(shù)法獲得，即振動分離率測定裝置停止工作后，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算振動落果個(gè)數(shù)占果?？倲?shù)的比例，則

Pr=Nr/(Nr+Nu)×100%

(2)

式中Pr—分離率(%)；

Nr—振動落果個(gè)數(shù)(個(gè))；

Nu—振動未脫落果實(shí)個(gè)數(shù)(個(gè))。

2.4 試驗(yàn)安排

試驗(yàn)選取電機(jī)轉(zhuǎn)速G、偏心距H、搖桿長度Q三因素為考察因素，對裝置分離率進(jìn)行試驗(yàn)，并設(shè)定作用時(shí)間為10s。試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

試驗(yàn)過程中，通過變頻器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)裝置振動頻率的調(diào)整，通過夾具將釀酒葡萄串穗柄夾持固定在搖桿末端，按照L9(34)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)。其中，每組分離試驗(yàn)進(jìn)行3次，取其均值作為試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)安排如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素與水平

表2 試驗(yàn)安排表

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

按照表2進(jìn)行試驗(yàn)，測定分離率數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.2 極差分析

利用SPSS對其進(jìn)行極差分析，各因素影響分離率曲線如圖6所示，極差分析結(jié)果如表4所示。

圖6 各因素影響曲線

水平電機(jī)轉(zhuǎn)速G圓盤偏心距H搖桿長度Q178.5174.3088.92282.9682.5786.85386.9891.5972.68極差8.4717.2716.24排秩312

由此可知：各因素極差的大小順序?yàn)椋篟H>RQ>RG，即因素H(偏心距離)為釀酒葡萄分離率的主要影響因素，其次為因素Q(搖桿長度)和因素G(轉(zhuǎn)速)。K3G>K2G>K1G，K3H>K2H>K1H，K1Q>K2Q>K3Q。因此，振動分離最優(yōu)組合為：G3H3Q1。

3.3 討論

通過以上分析可知，正交試驗(yàn)各影響因素的最優(yōu)方案G3H3Q1，即搖桿長度為320mm、轉(zhuǎn)速為245r/min、偏心距離為75mm，此時(shí)釀酒葡萄分離達(dá)到95.2%。

4 結(jié)論

1)以自制葡萄串振動分離率測定裝置為基礎(chǔ)，將電機(jī)轉(zhuǎn)速、偏心距離及搖桿長度作為試驗(yàn)影響因素，以分離率為性能指標(biāo)，確立了試驗(yàn)方案，并進(jìn)行了正交試驗(yàn)。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明：影響釀酒葡萄分離率的主次順序?yàn)槠木嚯x、搖桿長度和電機(jī)轉(zhuǎn)速。在此基礎(chǔ)上，確立了最優(yōu)參數(shù)，即當(dāng)偏心距離為75mm、搖桿長度為320mm、轉(zhuǎn)速為245r/min時(shí)分離率最優(yōu)。

[1] 趙中華.新疆葡萄生產(chǎn)機(jī)械應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2008(4):33-34.

[2] 曲淑麗,楊先遇.煙臺市葡萄生產(chǎn)機(jī)械化實(shí)踐與探討[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2010(14):22-23.

[3] 胡志超,田立佳,彭寶良，等.國內(nèi)外葡萄生產(chǎn)機(jī)械化的研究與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2005(9):62-63.

[4] 馮玉磊,坎雜,李成松,等.基于振動原理的釀酒葡萄采摘試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(11):404-406.

[5] 陳度,杜小強(qiáng),王書茂,等.振動式果品收獲技術(shù)機(jī)理分析及研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(8):195-200．

[6] 王業(yè)成,陳海濤,邱立春.黑加侖干枝的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(S2):45-49．

[7] 李國英.振動采種機(jī)振動參數(shù)的選擇與計(jì)算[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,1984,8(1):101-114.

[8] Adrian P A, Fridley R B.Dynamics and design criteria of inertia type tree shakers[J].Transactions of the ASAE, 2005,8(1):12-14.

[9] Pezzi F, Caprara C. Mechanical grape harvesting: Investigation of the transmission of vibrations[J].Biosystems Engineering, 2009,103(3): 281-286.

[10] Polat R, Gezer I, Guner M, et al. Mechanical harvesting of pistachionuts[J].Journal of Food Engineering,2007,79(4):1131-1135.

[11] Loghavi M, Mohseni S H. The effects of shaking frequencyand amplitude on detachment of lime fruits[J]. IranAgricultural Research, 2006, 24(2):27-38.

[12] Sessiz A, Ozcan M T. Olive removal with plneumatic branch shaker and abscission chemical[J]. Journal of Food Engineering, 2006, 76(2):148-153.

[13] Queiroz D M, Santos F L, Assis F.Analysis of coffee harvesting process by vibration[J]. American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2007, 76(2):178-153.

[14] 王業(yè)成,陳海濤,林青.黑加侖采收裝置參數(shù)的優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(3)：79-83.

[15] 王長勤,許林云,周宏平,等.偏心式林果振動才收集的研制與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(16):10-16.

[16] Du X Q, Chen D, Zhang Q, et al. Response of UFO (Upright Fruiting Offshoots) on cherry trees to mechanical harvest by dynamic vibratory excitation[J].Transactions of the ASABE, 2013, 56(2): 345-354.

[17] Du X Qg, Chen D, Zhang Q, et al. Dynamic responses of sweet cherry trees under vibratory excitations[J]. Biosystems Engineering, 2012, 111(3):305-314.

[18] 李成松,高振江,坎雜,等.釀酒葡萄果-蒂振動分離試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(9):39-44.

Testing and Study on Vibration Separate of Wine Grapes

Li Yaping1, Li Chengsong1, Kan Za1, Meng Hewei1, Lu Shixing2

(1.College of Mechanical and Electronical Engineering, Shihezi University,Shihezi 832000, China; 2.Shandong Province's Weifang Prison, Weifang 261011, China)

With the ever increase of Xinjiang wine grapes planting area, there are some prominent problems with manual harvesting, high labor intensity and low efficiency, which has been an important aspects that restricting wine grapes industry healthy and rapid development. In this paper, self-made measurement equipment of vibration separation rate was accomplished, motor speed, eccentric distance and the length of rocking bar were viewed as test factors, and separation rate as performance indicators, the experimental scheme was established, and made an orthogonal test. The vibration separation experiment was carried out. What is more, this paper analyzes main factors to influence the effect of vibration picking, and the optimal parameters combination was determined. The results showed that the order of primary and secondary factors influencing the separation radio of wine grape was eccentric distance, the length rocking bar and motor speed, respectively. The optimal combination parameters were 75mm of eccentric distance, 320mm of rocker arm length, 245r/min of rotating speed. It provided theoretical basis of the test results for the design of the vibration separation device of wine grape based on the vibration grape vines.

wine grapes; vibration separate;optimal parameter

2016-09-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465051)；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)工業(yè)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2013BA009)

李亞萍(1980-)，女，黑龍江虎林人，副教授，碩士，(E-mail)lyp_shz@shzu.edu.cn。

蒙賀偉(1982-)，男，新疆伊犁人，副教授，碩士， (E-mail)mhw_mac@shzu.edu.cn。

S225.93；S220.3

A

1003-188X(2017)10-0029-05