王亞磊，陳 云，韓 冰，陳 軍

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

枸杞子含有豐富的胡蘿卜素、多種維生素和鈣、鐵等健康眼睛的必需營養(yǎng)物質(zhì)，對我國西北地區(qū)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)有巨大貢獻(xiàn)，目前在全國種植面積早已達(dá)到幾十萬公頃；枸杞屬無限花序植物，采摘周期長，夏枸杞果的采收時間在6-8月；秋枸杞果的采果期在9-11月。枸杞樹多荊棘、果實(shí)小、種類繁多，主要以人工采收為主。由于在收獲季節(jié)勞動資源短缺，成熟的枸杞未及時采收而爛在地里，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此迫切希望出現(xiàn)一種能滿足采收要求的機(jī)械。

果實(shí)機(jī)械化采收技術(shù)廣泛應(yīng)用于發(fā)達(dá)國家，如美國、西班牙、意大利和英國等，采收對象主要為藍(lán)莓、樹莓、扁桃、油橄欖、銀枸杞、核桃和柑橘等，以振動式機(jī)械采收技術(shù)應(yīng)用最為普遍[1-4]。

2007年，Refik Polat等人進(jìn)行了開心果的采收試驗(yàn)，得到了激振頻率20Hz、振幅60mm、作用時間10s時，采收率可達(dá)100%[5]。2009年，BlancoRoldan等人利用樹干振動采收機(jī)進(jìn)行了油橄欖采收試驗(yàn)，并提出以不同振動參數(shù)分批采收的方法以提高采收率[6]。2012年，LongshengFu等人為了找出采收率高且效果最好的高叢藍(lán)莓采收最適振動速度，利用高速攝影記錄采用具有5個調(diào)速擋的18mm線鋸對藍(lán)莓樹枝進(jìn)行變速振動的采收過程，表明激振頻率為1 670次/min時可分離87%成熟和24%未成熟的藍(lán)莓[7]。

目前，接觸式振動采收機(jī)械廣泛用于收獲藤本水果,如藍(lán)莓、樹莓、沙棘和黑莓等[8-13]；但收獲的果實(shí)損傷嚴(yán)重，主要用于生產(chǎn)果醬類食品。通過研究枸杞振動采收運(yùn)動規(guī)律可進(jìn)一步對果實(shí)在脫落瞬間瞬時速度進(jìn)行分析,對減小振動采收果實(shí)的損傷率有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)時間為2017年6月15日，地點(diǎn)為寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市中寧縣(7°32'48.2"N 105°40'25.9"E)，品種為寧夏枸杞7號，樹齡在4～5年。

1.2 試驗(yàn)儀器

主要儀器：振動發(fā)生器、傳感器、功率放大器、數(shù)據(jù)采集儀、OLYMPUS高速相機(jī)及i-speed Control Software處理軟件等。

高速攝影機(jī)型號為i-speed LT，最大分辨率為1 280×1 024，最大分辨率下幀數(shù)為10 000幀，具有較高的分辨率和靈敏度。與其配套的i-speed處理軟件可以對采集后的圖片與影像進(jìn)行實(shí)時跟蹤、圖像處理及數(shù)據(jù)分析等。

振動發(fā)生器的工作原理是通過多排振動尼龍棒直接插入樹冠，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)使其產(chǎn)生振動,進(jìn)而使果實(shí)與枝條分離。

1.3 試驗(yàn)過程

1)選擇成熟度合適、生長狀態(tài)良好的寧杞7號果樹為試驗(yàn)對象，選擇性去除周圍多余的枝葉以免在振動跟蹤過程中形成盲區(qū)[14-18]。

2)由于枸杞果實(shí)體積較小，對待跟蹤枸杞果實(shí)做沿果實(shí)縱向標(biāo)記線，以便在i-speed處理軟件中進(jìn)行跟蹤與果實(shí)運(yùn)動分析處理。

3)將待測果樹側(cè)枝按照一定順序與方向安裝加速度傳感器，利用數(shù)據(jù)采集儀對受迫振動下的枸杞側(cè)枝瞬時速度進(jìn)行采集處理。

4)布置振動發(fā)生器的位置，使待測枝條能夠順利進(jìn)行往復(fù)振動，振動拍打頻率為6Hz，振動幅度為30mm。當(dāng)枸杞側(cè)枝受到激振力作用后在空間進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，側(cè)枝的振動方式可視為自由振動與強(qiáng)迫簡諧振動的組合。

5) 利用i-speed高速相機(jī)對枸杞側(cè)枝熟果脫落過程進(jìn)行跟蹤，考慮到試驗(yàn)現(xiàn)場的光照條件和工作環(huán)境，選用每秒500幀、1 280×1 024像素進(jìn)行跟蹤拍攝。利用i-speed處理軟件回放高速視頻并進(jìn)行處理計(jì)算，研究枸杞果實(shí)在振動脫落過程中的運(yùn)動規(guī)律，為振動采收設(shè)備提供理論依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 枸杞果實(shí)脫落瞬時速度變化分析

2.1.1同高度同側(cè)枝不同位置的枸杞果實(shí)瞬時速度變化規(guī)律

圖1為一組枸杞果實(shí)與所在側(cè)枝的位置分布圖。枸杞果實(shí)所在的側(cè)枝直徑為4.5mm，枸杞果實(shí)從左至

右依次為1、2、3號，枸杞果實(shí)1、2、3號生物力學(xué)特性相似，與振動排齒作用點(diǎn)距離為80～100mm其位置關(guān)系如圖1所示。試驗(yàn)中，將枸杞熟果脫落時刻的前后40幀作為時間分析序列，共選取80幀作為研究對象，利用i-speed處理軟件對枸杞果實(shí)振動脫落的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行處理分析?；胤欧治鲋?，將枸杞果實(shí)質(zhì)心處分別標(biāo)記為point1 、point2和point3，通過逐幀跟蹤計(jì)算果實(shí)1、2、3號的瞬時速度并利用Origin軟件對果實(shí)脫落瞬間繪制時間速度曲線圖，如圖2所示。

圖1 枸杞果實(shí)1、2、3號位置關(guān)系圖Fig.1 The location of wolfberries

圖2 枸杞果實(shí)脫落前瞬時速度曲線圖Fig.2 The instantaneous velocity changes of wolfberries before falling off completely

由圖2可知：枸杞果實(shí)1、2、3號瞬時速度的變化規(guī)律主要分為3個階段。第1階段為0～44ms,枸杞果實(shí)的瞬時速度范圍為0.2～1.4m/s，瞬時速度出現(xiàn)波動，整體趨于增大趨勢；第2階段為44～70ms,枸杞果實(shí)的瞬時速度范圍為1.2～2.97m/s，果實(shí)的瞬時速度變化幅度較大，1、2、3號果實(shí)瞬時速度分別在56、62、64ms時出現(xiàn)峰值2.58、2.97、2.83m/s；第3階段為70～86ms,果實(shí)瞬時速度再次進(jìn)入波動階段，整體趨于降低趨勢，枸杞果實(shí)的瞬時速度范圍為0.5～1.8m/s。

通過對果實(shí)脫落運(yùn)動的逐幀分析可知：在44～70ms時間段，枸杞果實(shí)1、2、3號的瞬時速度變化明顯，在56、62、64ms時枸杞果實(shí)1、2、3號瞬時速度達(dá)到峰值，此時果實(shí)與果柄處出現(xiàn)斷裂，果柄與側(cè)枝連接處未出現(xiàn)明顯斷裂；同一側(cè)枝的不同位置的枸杞果實(shí)脫落順序不同，距離振源較近的果實(shí)脫落時刻早于距離振源較遠(yuǎn)的果實(shí)；由于本組枸杞果實(shí)1、2、3 號為同振幅、同頻率條件下振動，故在果實(shí)脫落過程中1、2、3號果實(shí)瞬時速度的變化規(guī)律較為相似，果實(shí)的瞬時速度隨著振動作用時間的增加呈先增大后減少的趨勢，其3個階段運(yùn)動時間分別為44、26、16ms。

2.1.2 枸杞果實(shí)與所在側(cè)枝瞬時速度對比

整理枸杞果實(shí)與側(cè)枝分離的瞬時速度數(shù)據(jù)，選取果柄與側(cè)枝連接處為側(cè)枝運(yùn)動的跟蹤點(diǎn)，果實(shí)質(zhì)心為果實(shí)運(yùn)動的跟蹤點(diǎn)，繪制枸杞果實(shí)與所在側(cè)枝的瞬時速度對比曲線，如圖3所示。進(jìn)一步研究枸杞振動采收過程中,枸杞果實(shí)與所在枝干的相對運(yùn)動，為振動采果參數(shù)提供理論參考。

圖3 果實(shí)與枝干脫落前瞬時速度對比曲線圖Fig.3 Comparison of instantaneous velocities between Fruit and branch of wolfberries

由圖3可知：枸杞果實(shí)與所在側(cè)枝分離過程瞬時速度的變化規(guī)律整體可以分為3個階段來分析。第1階段：在0～45ms枸杞果實(shí)與所在側(cè)枝瞬時速度變化趨勢一致，二者瞬時速度變化存在波動，整體呈周期性增大趨勢；第2階段：在45～100ms枸杞果實(shí)與所在側(cè)枝的瞬時速度變化明顯，分別在54ms與78ms枸杞側(cè)枝與枸杞果實(shí)的瞬時速度達(dá)到最大值1.75 m/s與2.62 m/s，在76ms時果實(shí)與側(cè)枝的瞬時速度差值最大，枸杞果實(shí)與側(cè)枝完成分離；第3階段：在100～120ms枸杞果實(shí)與所在枝干的瞬時速度變化趨勢一致，二者瞬時速度變化存在波動，整體呈周期性減小趨勢。

通過逐幀分析可知：枸杞果實(shí)的瞬時速度與側(cè)枝的瞬時速度變化趨勢大致相同，先周期性增大至最大值后周期性減?。昏坭絺?cè)枝瞬時速度的數(shù)值整體低于果實(shí)的瞬時速度，由于振動排齒作用于枸杞側(cè)枝，側(cè)枝的瞬時速度變化早于果實(shí)的瞬時速度變化。

2.2 枸杞果實(shí)脫落過程運(yùn)動特性分析

為研究枸杞果實(shí)在脫落瞬間的運(yùn)動情況，采用高速攝影機(jī)以1 000幀/s及每隔1ms拍攝的一組枸杞果實(shí)脫落過程圖。圖4分別為枸杞果實(shí)完全脫落前10、5、脫落時刻，以及脫落后5、10ms的的運(yùn)動情況圖。在跟蹤拍攝前利用黑色記號筆標(biāo)記待跟蹤枸杞果實(shí)與果柄、果柄與側(cè)枝以及枸杞果實(shí)相對側(cè)枝的位置，以便觀察枸杞果實(shí)在脫落過程中的運(yùn)動過程。

(a) 脫落前10ms (b) 脫落前5ms (c) 脫落時刻 (d) 脫落后5ms (e) 脫落后10ms圖4 枸杞果實(shí)脫落分離過程圖Fig.4 Diagram of separalion process between wolfberry and stalk

由圖4可知：枸杞側(cè)枝在激振力的作用下枸杞果實(shí)與果柄發(fā)生分離而果柄與側(cè)枝連接部分未發(fā)生明顯斷裂情況，故枸杞果實(shí)與果柄處的結(jié)合力小于果柄與枝干的結(jié)合力。通過觀察枸杞果實(shí)縱向標(biāo)記線可知枸杞果實(shí)在脫落過程中存在以下3種運(yùn)動形式：

1) 直線往復(fù)運(yùn)動。當(dāng)枸杞側(cè)枝受到外加激振力作用時，側(cè)枝產(chǎn)生與激振力方向一致的直線往復(fù)運(yùn)動，掛果側(cè)枝與果實(shí)產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而果實(shí)隨之產(chǎn)生空間內(nèi)的直線往復(fù)振動，果實(shí)與果柄、果柄與側(cè)枝之間主要受剪力作用。

2) 定點(diǎn)搖擺運(yùn)動。由于枸杞側(cè)枝、果柄與果實(shí)在生物力學(xué)特性存在差異，在振動采收過程中枸杞果實(shí)在慣性力的作用下，產(chǎn)生以果柄與側(cè)枝連接處為中心、果柄長為轉(zhuǎn)動半徑的定點(diǎn)搖擺運(yùn)動，果實(shí)相對側(cè)枝產(chǎn)生變加速的單擺運(yùn)動，果實(shí)與果柄之間主要受拉力作用。

3) 扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。枸杞果實(shí)質(zhì)量較輕，在振動狀態(tài)下產(chǎn)生以果實(shí)縱向中軸線為中心的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，果實(shí)與側(cè)枝之間主要受到扭轉(zhuǎn)力作用。

3 結(jié)論

1) 在果實(shí)脫落的過程中，枸杞果實(shí)的瞬時速度變化主要分為3個階段，整體呈周期性先增大后減小的趨勢。

2) 在相同振幅、頻率的條件下，同一側(cè)枝的不同位置的枸杞果實(shí)脫落順序不同，其距離振源較近的果實(shí)優(yōu)先脫落。

3) 在相同振幅、頻率的條件下，枸杞側(cè)枝的瞬時間速度與枸杞果實(shí)的瞬時速度存在一定的時間差，二者的運(yùn)動趨勢大致相同即呈先周期性增大至最大值后周期性減小，當(dāng)二者的相對速度最大時，枸杞果實(shí)所受加速度最大并與側(cè)枝發(fā)生分離。

4) 枸杞果實(shí)在脫落中存在沿振動方向的直線往復(fù)運(yùn)動、相對果柄與側(cè)枝連接處的定點(diǎn)搖擺運(yùn)動及繞自身中軸線為中心的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。

5) 枸杞果實(shí)與果柄的結(jié)合力小于果柄與側(cè)枝的結(jié)合力，當(dāng)枸杞果實(shí)所受剪切力、扭轉(zhuǎn)力與拉力的合力大于果實(shí)與果柄的結(jié)合力時，果實(shí)與果柄完成分離。