杏果树激振收获能量传递的初步研究

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

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。


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。

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。



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。

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（略）