庫(kù)爾勒香梨梨柄區(qū)域采摘損傷力學(xué)模型及試驗(yàn)研究

安 靜 王金東 蘭海鵬 劉文亮 李風(fēng)娟

(塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843000)

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庫(kù)爾勒香梨梨柄區(qū)域采摘損傷力學(xué)模型及試驗(yàn)研究

安 靜 王金東 蘭海鵬 劉文亮 李風(fēng)娟*

(塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843000)

為研究不同的采摘方式對(duì)庫(kù)爾勒香梨梨柄區(qū)域梨體的損傷程度，本研究基于靜力學(xué)思想建立了不同采摘方式對(duì)梨柄與梨體接觸位置作用的力學(xué)模型，并根據(jù)實(shí)際采摘要求進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：拉拽、扭轉(zhuǎn)、彎折三種采摘方式中，拉拽對(duì)庫(kù)爾勒香梨梨柄區(qū)域梨體的損傷程度最小，因此香梨的最佳采摘方式是拉拽，這與基于靜力學(xué)思想建立的力學(xué)模型分析結(jié)果相符。

香梨； 采摘； 損傷機(jī)理； 力學(xué)模型

香梨柄屬于肉質(zhì)果柄，即柄在靠近梨的部位有一小部分果肉，梨柄脫落會(huì)影響果肉的完整性，對(duì)香梨的品質(zhì)造成一定的影響。為降低采摘環(huán)節(jié)對(duì)香梨品質(zhì)的影響，要求采摘時(shí)把梨柄完好地保留在香梨上，如果采摘方式不當(dāng)會(huì)使梨柄脫落或松動(dòng)，使香梨腐爛速度加快，且會(huì)迅速傳染與其接觸的其它個(gè)體，這會(huì)給香梨產(chǎn)業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，水果的采收方法有手工采收、機(jī)械輔助采收和機(jī)械化采收3種[1-2]。我國(guó)從90 年代開(kāi)始，出現(xiàn)了簡(jiǎn)易采摘器，用于采摘蘋(píng)果、梨、桃等水果的便攜式水果分級(jí)采摘器，改變了過(guò)去勞動(dòng)強(qiáng)度大、水果損傷率高、勞動(dòng)成本高的缺點(diǎn)，使果農(nóng)的采摘正確率提高、采摘時(shí)間縮短[3-5]。隨著果園機(jī)械技術(shù)的進(jìn)一步融合，2007 年研制出了第一臺(tái)多功能果園作業(yè)機(jī)，即 LG-1 型多功能果園作業(yè)機(jī)[6]。2009年研制出了適宜單人操作使用的枸杞采摘機(jī)[7]。2010年研制出了4YS-24型紅棗收獲機(jī)[8]。總的來(lái)說(shuō)我國(guó)采摘機(jī)械得到迅速發(fā)展，在機(jī)械產(chǎn)品方面出現(xiàn)了采摘器、動(dòng)力剪枝采摘工具、多功能果園作業(yè)機(jī)械等，但是國(guó)內(nèi)水果采收機(jī)械大多功能單一、效率不高，容易損壞果實(shí)，產(chǎn)量損失大，容易采摘到不熟果實(shí)，且成本較高，果農(nóng)難以接受應(yīng)用[9]。

成熟后的香梨皮薄肉脆，不適合機(jī)械化采收和分級(jí)，所以現(xiàn)階段香梨的采收和分級(jí)主要依靠手工方式。本研究從香梨的不同采摘方式入手，研究不同的采摘方式對(duì)香梨梨柄的加壓方式，旨在為香梨最佳采摘方式的確定提供技術(shù)參考，對(duì)于推進(jìn)香梨產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步、降低采摘過(guò)程中的損傷率，具有十分重要的理論和實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料取材于塔里木大學(xué)西區(qū)梨園，選擇陽(yáng)光充足，長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)良的梨樹(shù)作為試驗(yàn)對(duì)象，在香梨采摘季節(jié)9月份采用不同的采摘方式隨機(jī)從梨樹(shù)上采摘香梨。

1.2 試驗(yàn)方法

手工方式進(jìn)行采摘作業(yè)時(shí)，常用的采摘方式有：拉拽香梨使梨柄與樹(shù)干分離即拉斷(圖1)；扭轉(zhuǎn)梨體使梨柄與樹(shù)干分離，即扭斷(圖2)；彎折香梨使梨柄中間折斷從而與樹(shù)干分離，即折斷(圖3)。

無(wú)論采用哪種采摘方式，由于香梨自身重力和人為施加外力的作用，都有可能使梨柄靠近梨肉的部分松動(dòng)，甚至脫落，梨柄的脫落帶掉一部分果肉，影響果肉的完整性，不利于保存，并對(duì)香梨的品質(zhì)造成一定的影響。為降低采摘環(huán)節(jié)對(duì)香梨品質(zhì)的影響，要求采摘時(shí)把梨柄完好地保留在香梨上。

1.3 力學(xué)模型的建立

采用拉拽香梨使梨柄與樹(shù)干分離的采摘方式時(shí)，五指分開(kāi)，分別握住香梨梨體中部不同的位置，向下拉拽梨體直至梨柄與樹(shù)干分離時(shí)，拉伸方式采摘圖和受力模型 (F1為使梨柄與樹(shù)枝分離時(shí)，樹(shù)枝對(duì)梨柄的最大拉力；五指對(duì)梨體的壓力使梨體處于平衡位置，向下的拉力簡(jiǎn)化為F2，F(xiàn)1=F2) 如圖1所示：

圖1 (a)拉拽方式采摘 圖1 (b)拉拽方式采摘受力模型

采用扭轉(zhuǎn)香梨使梨柄與樹(shù)干分離的采摘方式時(shí)，五指分開(kāi)，分別握住香梨梨體中部不同的位置，扭轉(zhuǎn)梨體直至梨柄與樹(shù)干分離，扭轉(zhuǎn)方式采摘圖和受力模型 (T1為使梨柄與樹(shù)枝分離樹(shù)枝對(duì)梨柄的最大扭矩；五指對(duì)梨體的壓力使梨體處于平衡位置，T2為使梨體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的扭矩，) 如圖2所示：

圖2 (a)扭轉(zhuǎn)方式采摘 圖2 (b)扭轉(zhuǎn)方式采摘受力模型

采用彎折香梨使梨柄與樹(shù)干分離的采摘方式時(shí)，五指分開(kāi)，分別握住香梨梨體中部不同的位置，彎折梨體直至梨柄與樹(shù)干分離，彎折方式采摘圖和受力模型 (M1為使梨柄與樹(shù)枝分離樹(shù)枝對(duì)梨柄的反向彎矩；五指對(duì)梨體的壓力使梨體處于平衡位置，M2為使梨柄與樹(shù)枝分離的彎矩，) 如圖3所示：

圖3 (a)彎折方式采摘 圖3 (b)彎折方式采摘受力模型

2 結(jié)果與討論

2.1 模型分析

把采摘過(guò)程看成是靜載過(guò)程，從靜力學(xué)角度分析不同采摘方式對(duì)梨柄的作用情況，從采摘實(shí)驗(yàn)觀察到，梨柄區(qū)域梨體的損傷范圍可近似為一圓形，設(shè)此圓的半徑為r，則不同的采摘方式對(duì)梨柄果肉的應(yīng)力分別可用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

拉伸應(yīng)力：

(1)

其中F—斷裂荷重(N)；A—梨柄區(qū)域梨體損傷面積(m2)，A=πr2。

扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力：

(2)

彎曲應(yīng)力：

(3)

分別采用艾德堡指針式推拉力計(jì)NK-20、艾德堡扭矩測(cè)試儀HT-20做采摘實(shí)驗(yàn)，測(cè)得斷裂荷重平均為11. 5 N，梨柄斷裂扭矩平均為0. 12 N·m，計(jì)算得梨柄斷裂彎矩為0. 30 N·m。分別代入上式計(jì)算得，拉拽方式梨柄區(qū)域所受應(yīng)力平均值為0. 46Mpa，扭轉(zhuǎn)方式梨柄區(qū)域所受應(yīng)力平均值為0. 61Mpa，彎折方式梨柄區(qū)域所受應(yīng)力平均值為1. 22Mpa。由此可以看出，拉拽方式對(duì)梨柄區(qū)域的應(yīng)力值最小，彎折方式對(duì)梨柄區(qū)域的應(yīng)力值最大。

2.2試驗(yàn)驗(yàn)證

每種采摘方式收集100顆香梨進(jìn)行儲(chǔ)存試驗(yàn)，為減少在運(yùn)輸過(guò)程中的機(jī)械損傷，采摘之后立即套袋后裝箱，在相同環(huán)境條件下(溫度10 ℃，相對(duì)濕度75%)存儲(chǔ)對(duì)照，觀察不同的采摘方式下，香梨的腐壞情況見(jiàn)圖4和圖5，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 香梨儲(chǔ)存試驗(yàn)結(jié)果

由上表可以看出，拉拽采摘方式中梨柄位置梨體的腐壞率為1%，總腐壞率為6%，梨柄區(qū)域梨體的腐壞率占總腐壞率的比為16. 67%；扭轉(zhuǎn)采摘方式中梨柄區(qū)域梨體的腐壞率為3%，總腐壞率為7%，梨柄區(qū)域梨體的腐壞率占總腐壞率的比為42. 86%；彎折采摘方式中梨柄區(qū)域梨體的腐壞率為6%，總腐壞率為19%，梨柄區(qū)域梨體的腐壞率占總腐壞率的比為31. 58%。

圖4 梨柄區(qū)域梨體腐壞實(shí)物圖

圖5 梨體其他部位腐壞實(shí)物圖

以上結(jié)果證明，拉拽方式采摘的香梨梨柄位置梨體的腐壞率最低，占總壞率的比例最小；扭轉(zhuǎn)方式采摘的香梨梨柄區(qū)域梨體的腐壞率占總腐壞率的比最大；折斷方式采摘的香梨造成梨柄區(qū)域梨體的腐壞率最高。

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)建立力學(xué)模型分析拉拽、扭轉(zhuǎn)、彎折三種采摘方式中梨柄位置梨體的應(yīng)力，得出拉拽方式中庫(kù)爾勒香梨梨柄區(qū)域梨體的應(yīng)力值最小，彎折方式中的梨柄區(qū)域梨體的應(yīng)力值最大。

(2) 儲(chǔ)存試驗(yàn)結(jié)果表明：采用拉拽方式摘的香梨，梨柄區(qū)域梨體的腐壞率最??；采用彎折方式摘的香梨，梨柄區(qū)域梨體的腐壞率最高。試驗(yàn)結(jié)果與基于靜力學(xué)思想建立的力學(xué)模型分析結(jié)果相符。

(3) 收獲香梨建議采用拉拽方式采摘。

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Experimental Study on the Mechanical Model of Picking Korla Fragrant Pear

An Jing Wang Jindong Lan Haipeng Liu Wenliang Li Fengjuan*

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Tarim University, Alar, XinJiang 843300)

To study the damages of the Korla fragrant pear for handling with different harvesting methods, in this study, the mechanical model of the effect of different picking methods on pear stem was established based on the static theory, and was verified according to the actual picking requirements. The results show that in the three picking ways of pulling, twisting and bending, the best picking way is pulling which causes the minimum degree of injury and it is in agreement with the analytical results of the mechanical model that established based on the static theory.

Korla fragrant pear; picking; damage mechanism; mechanical model

1009-0568(2016)04-0099-05

2015-12-18

塔里木大學(xué)校長(zhǎng)基金碩士項(xiàng)目(TDZKSS201323，TDZKSS201410)。

安靜(1985- )，女，講師，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化裝備。 E-mail：407398754@qq.com

*為通訊作者 E-mail：276390658@qq.com

G237.5

A

10.3969/j.issn.1009-0568.2016.04.016