海棠果樹動(dòng)力學(xué)特性的研究

劉子龍,王春耀,許正芳,張 智,張姚斌

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

海棠果樹動(dòng)力學(xué)特性的研究

劉子龍,王春耀,許正芳,張 智,張姚斌

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

研究了果樹在外界載荷作用下，果樹形態(tài)結(jié)構(gòu)(果枝直徑，分叉角度)對(duì)能量傳播速度及能量在分叉位置處分流情況的影響。選擇1棵“Y”型果樹進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，激振載荷選擇沖擊載荷和正弦連續(xù)振動(dòng)載荷。在沖擊試驗(yàn)中，得出各測(cè)點(diǎn)加速度曲線第1次出現(xiàn)波峰或波谷的時(shí)間差，從而計(jì)算出能量從某一測(cè)點(diǎn)傳遞到相鄰測(cè)點(diǎn)的傳播速度；在連續(xù)試驗(yàn)中，對(duì)得到的加速度信號(hào)進(jìn)行曲線擬合，將得到的加速度擬合函數(shù)進(jìn)行積分得到速度函數(shù)，進(jìn)而求出果枝上各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)能，將這部分動(dòng)能視為振動(dòng)傳遞到各測(cè)點(diǎn)的能量。根據(jù)得出的擬合函數(shù)可知：在正弦激振載荷作用下，果枝上的加速度信號(hào)呈正弦函數(shù)分布，并且激振頻率與果枝加速度頻率幾乎一致。研究表明：能量在主干上的傳播速度大于在枝干上的傳播速度，分叉角度越小，能量傳播速度越大；能量在流經(jīng)分叉點(diǎn)處時(shí)，產(chǎn)生分流，能量更多地流向枝干直徑大的一側(cè)。

海棠果樹；動(dòng)力學(xué)特性；能量分流；曲線擬合

0 引言

豐富的土地資源、充足的光熱條件等優(yōu)勢(shì)，使林果業(yè)成為新疆當(dāng)?shù)鬲?dú)具特色的支柱性產(chǎn)業(yè)[1]。傳統(tǒng)的人工收獲水果的速度緩慢且成本較高，部分成熟果實(shí)因不能及時(shí)采摘而壞掉，給果農(nóng)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響了果農(nóng)的種植積極性。若要大面積發(fā)展水果種植業(yè)，可通過(guò)依靠機(jī)械化來(lái)提高采摘效率[2]。目前，比較常用的機(jī)械化振動(dòng)采收器械是通過(guò)振動(dòng)式或沖擊式激振果樹，使果實(shí)脫落。振動(dòng)式收獲能夠快速、有效地分離成熟果實(shí)，適合大面積、規(guī)?；飞a(chǎn)[3]。機(jī)械采收技術(shù)自20世紀(jì)60年代開始研究，到目前取得了一定的研究成果。Fridley(1965)發(fā)現(xiàn)，果樹能量的傳遞與激振頻率、位置和振幅有關(guān)[4]。Yung和Fridley(1975)為了分析整棵樹的動(dòng)態(tài)特性與振動(dòng)激勵(lì)參數(shù)關(guān)系，將果樹簡(jiǎn)化為由樹干—枝條、樹葉—嫩枝、果實(shí)—果柄3種不同力學(xué)特性單元組成的集合體進(jìn)行研究[5]。Shi-Shuenn Chen、S.K.J.U.Savary、Long He(2006、2010、2013)等人認(rèn)為，果樹不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)會(huì)不同程度影響振動(dòng)能量的傳遞，對(duì)果樹進(jìn)行合理的修剪，可以提高果實(shí)采摘效率[6-8]。Erdogˇan和Jianfeng Zhou(2003、2014)等人發(fā)現(xiàn)，樹枝的剛度隨著直徑的增大而增大，振動(dòng)能量在剛度大的區(qū)域傳遞效率更高，進(jìn)一步說(shuō)明果實(shí)采摘效率與果枝的激振位置相關(guān)[9-10]。Castro-Garcia(2008)等人運(yùn)用模態(tài)分析研究了果樹的振動(dòng)參數(shù)、固有頻率和阻尼比[11]。J.A.Gil-Ribes(2008)等人認(rèn)為，果樹振動(dòng)的衰減受內(nèi)部阻尼及外部空氣阻力影響，果樹振動(dòng)可以視為耦合阻尼振動(dòng)，在激振過(guò)程中出現(xiàn)樹枝局部共振區(qū)[12]。鄭甲紅(2014)等人對(duì)樹體枝干進(jìn)行三維實(shí)體建模、模態(tài)分析和頻率諧響應(yīng)分析，得出激振頻率為24Hz時(shí)振幅較好[13]。

本文從能量傳播速度和能量在果枝分叉點(diǎn)處分流情況著手，探究能量傳播速度與分叉點(diǎn)處能量分流多少與果樹形態(tài)結(jié)構(gòu)(果枝直徑、分叉角度)的關(guān)系，進(jìn)一步研究果樹動(dòng)態(tài)特性。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用果樹樣本選擇新疆大學(xué)校園內(nèi)有著5年樹齡的海棠果樹，試驗(yàn)時(shí)間為2016年7月28日，試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。為防止果枝水分蒸發(fā)，果樹移到實(shí)驗(yàn)室后立刻進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)果樹田間實(shí)際生長(zhǎng)情況，樹干根部用夾持裝置固定，果樹為“Y”型果樹，包括樹干、兩根主枝和部分側(cè)枝，如圖1所示。果樹在宏觀形態(tài)結(jié)構(gòu)上是由主干、分枝和樹葉所組成的分層結(jié)構(gòu)。本文對(duì)海棠果樹做如下定義：由主干分生出第1層分枝為一級(jí)枝干，用bi表示。由第1層分枝生出第2層分枝稱為二級(jí)枝干，用ci表示。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Testing site

將選擇的樣本樹簡(jiǎn)化為如圖2所示，各測(cè)點(diǎn)處的直徑如表1所示。

圖2 果樹簡(jiǎn)化圖Fig.2 The fruit trees simplified表1 各測(cè)點(diǎn)處的果枝直徑Table 1 Branch diameter at each measuring point

測(cè)點(diǎn)位置直徑/mm測(cè)點(diǎn)位置直徑/mm173.98272.12370.01447.03555.11652.34748.12844.67934.231028.01

圖2中，α1、β1表示一級(jí)枝干與主干a軸線的夾角；α12、β12表示二級(jí)枝干與一級(jí)枝干b1軸線的夾角。樣本樹分叉角度如表2所示。

表2 樣本樹分叉角度

1.2 儀器與設(shè)備

擺錘、振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)DC-600-6、SV-0505水平滑臺(tái)、功率放大器SA-5、RC-300-2振動(dòng)控制儀、DH5922N動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)、壓電式加速度傳感器DH311E、GHDAS軟件、鐵片、膠水及米尺等。

1.3 試驗(yàn)流程

為了更好地研究果樹動(dòng)力學(xué)特性，采用兩種激振載荷作用于激振位置，即連續(xù)振動(dòng)載荷與沖擊載荷。在沖擊試驗(yàn)中，沖擊載荷來(lái)自于擺錘，將擺錘放置到一定高度釋放，擺錘下落到最低點(diǎn)時(shí)正好擊打在激振位置處。在連續(xù)振動(dòng)載荷試驗(yàn)中，設(shè)置振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)為正弦振動(dòng)載荷，即x=Asin(2πft)。其中，x為激振位移；A為激振振幅；f為激振頻率。設(shè)置激振頻率f=10、12.5、15、17.5、20Hz，振幅A=3、4、5mm。設(shè)置DH5922N動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)的采樣頻率為10kHz。果樹相鄰兩測(cè)點(diǎn)間距為20cm，如圖2樣本樹的測(cè)點(diǎn)3、4、5到分叉點(diǎn)的距離均為10cm，即能量從一測(cè)點(diǎn)傳遞到另一測(cè)點(diǎn)的路徑為20cm。所有加速度傳感器的安裝方向與激振載荷方向一致，如圖3所示。由于實(shí)驗(yàn)室加速度傳感器僅有5個(gè)，上述兩組試驗(yàn)分兩次完成：第1次先采集1、2、3、4、5測(cè)點(diǎn)的加速度信號(hào)；第2次，在同等激振載荷作用下，采集6、7、8、9、10測(cè)點(diǎn)的加速度信號(hào)。

圖3 加速度傳感器的安裝Fig.3 The installation of the acceleration sensor

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用MatLab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[14]。

2 沖擊試驗(yàn)

對(duì)沖擊試驗(yàn)加速度信號(hào)進(jìn)行分析，得到各測(cè)點(diǎn)加速度-時(shí)間曲線如圖4、圖5所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)1、2、3、4、5的加速度時(shí)間曲線Fig.4 The acceleration time curve at measuring point 1、2、3、4、5

圖5 測(cè)點(diǎn)6、7、8、9、10的加速度曲線Fig.5 The acceleration time curve at measuring point 6、7、8、9、10

由圖4、圖5可知：加速度由激振點(diǎn)以振動(dòng)波的形式依次傳播到果樹枝干各位置，即能量也是以波的形式傳播。假設(shè)m、n為相鄰兩測(cè)點(diǎn)，距離為L(zhǎng)，m、n兩測(cè)點(diǎn)的加速度曲線第1次出現(xiàn)波峰的時(shí)間差用tmn表示，波的平均傳播速度為vmn，則

(1)

根據(jù)公式(1)計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)間傳播速度，如表3所示。由表3可以看出：加速度在傳播過(guò)程中，傳播速度不斷減小，原因是樹干為有阻尼系統(tǒng)，且受空氣阻力影響，在過(guò)程中伴隨有能量損失；加速度在主干上的傳播速度要大于在主枝上的傳播速度，原因是果枝的剛度隨果枝直徑的增大而增大，果枝剛度越大，加速度傳播速度越大；當(dāng)加速度傳遞到分叉點(diǎn)位置時(shí)，由于兩側(cè)枝的耦合作用引起加速度方向發(fā)生變化，同時(shí)造成部分能量損失，傳播速度變小更加明顯。由表3可知：v34>v35,v89>v810,由表2知：α1>β1,α12>β12,說(shuō)明分叉角越小，加速度傳播速度越大。

3 連續(xù)試驗(yàn)

在連續(xù)振動(dòng)載荷中，將測(cè)得的加速度信號(hào)進(jìn)行曲線擬合，不同頻率下加速度的擬合曲線如圖6所示。

表3 各測(cè)點(diǎn)間傳播速度

Table 3 Energy transmission speed between each measuring point km/s

v12157.5v12157.5v23153.97v34133.85v35125v67142.7v78135.9v89122.86v810110.86

圖6 不同激振頻率下的加速度擬合曲線Fig.6 The acceleration of the fitting curve at different excitation frequency

由圖6可知，擬合函數(shù)為正弦函數(shù)變化。同時(shí)，通過(guò)分析得出：在激振頻率f為10、12.5、15、17.5、20Hz下，各測(cè)點(diǎn)加速度擬合函數(shù)角頻率ω隨激振頻率f的改變呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，如表4所示。

表4 不同激振頻率下的擬合函數(shù)角頻率值

Table4Theangularfrequencyvalueoffittingfunctionatdifferentexcitationfrequency

f/Hzω/rad·s-1f/Hzω/rad·s-11063.2512.578.751594.7117.5110.3320126.17

激振頻率與擬合函數(shù)角頻率關(guān)系如圖7所示。

圖7 激振頻率與擬合函數(shù)角頻率關(guān)系Fig.7 The excitation frequency and angular frequency of fitting function

激振頻率f與加速度擬合函數(shù)角頻率ω的表達(dá)式為

ω=6.297f+0.19

(1)

(2)

設(shè)各測(cè)點(diǎn)的加速度函數(shù)為

a(t)=Asin(ωt+φ)

(3)

則速度函數(shù)為

v(t)=∫a(t)dt=Aωcos(ωt+φ)

(4)

假設(shè)枝干密度ρ在各位置處相同，在測(cè)點(diǎn)i位置處，枝干單位長(zhǎng)度上的動(dòng)能為

(5)

因?yàn)樵诩ふ耦l率相同的情況下，各測(cè)點(diǎn)的加速度擬合曲線周期相同，所以為了計(jì)算簡(jiǎn)便，選擇一個(gè)周期，即0到Tn(n=10,15,20)時(shí)間段內(nèi)的動(dòng)能進(jìn)行比較，則

(6)

為了更準(zhǔn)確描述能量在果枝上的分布，定義一個(gè)新的變量—相對(duì)動(dòng)能比Kij，表示測(cè)點(diǎn)j處的動(dòng)能與測(cè)點(diǎn)i處動(dòng)能的比值。其中，測(cè)點(diǎn)i為參考點(diǎn)，表達(dá)式為

(7)

為了更直觀地描述能量在流經(jīng)分叉點(diǎn)位置時(shí)產(chǎn)生的分流情況，本文選擇圖2中分叉點(diǎn)下方的測(cè)點(diǎn)3、8為參考點(diǎn)，則公式(7)變形為

(8)

根據(jù)公式(8)計(jì)算出在不同激振頻率、不同激振位移作用下各樣本樹的Kij值大小如表5所示。

表5 不同激振載荷作用下的Kij值

4 結(jié)論

1)加速度在主干上的傳播速度大于在主枝和側(cè)枝上的傳播速度。加速度傳遞到分叉點(diǎn)位置時(shí)，傳播速度減小更加明顯。加速度傳播速度與分叉角度相關(guān)，分叉角度越小，加速度傳播速度越大。

2)在果枝內(nèi)部阻尼結(jié)構(gòu)及空氣阻力的影響下，加速度在傳播過(guò)程中伴隨有能量損失，加速度的傳播速度不斷減小。

3)果樹在正弦激振載荷作用下，果枝上的加速度值呈正弦函數(shù)分布，且激振頻率與加速度值頻率相近。能量傳遞到分叉點(diǎn)處產(chǎn)生分流，能量更多地流向果枝直徑大的一側(cè)。

[1] 董丹丹，王尉，張經(jīng)華.新疆特色林果業(yè)食品發(fā)展現(xiàn)狀[J].廣東化工，2015(10)：102-103.

[2] 梁勤安，楚耀輝.新疆特色水果機(jī)械化收獲問題的探索[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2006(4)：41-53.

[3] 陳都，杜小強(qiáng).振動(dòng)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.

[4]AdrianPA,FridleyRB,LorenzenC.Forcedvibrationofatreelimb[J].TransactionsoftheASAE,1965,8(4):473-475.

[5]YungC，F(xiàn)ridleyRB.Simulationofvibrationofforcedvibrationsoftreelimbswithsecondarybranches[J].TransactionsoftheASAE，1975，18(3)：475-481.

[6]Shi-ShuennChen,Jun-YangShi.SimplifiedModelforverticalvibrationsofsurfacefoundations[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering,2006,132:651-655.

[7]SKJUSavary,REhsani,JKSchueller,etal.Simulationstudyofcitrustreecanopymotionduringharvestingusingacanopyshaker[J].AmericanSocietyofAgricul-turalandBiologicalEngineers,2010, 53(5):1373-1381.

[8]LongHe,JianfengZhou,XiaoqiangDu,etal.Energyefficacyana-lysisofamechanicalshakerinsweetcherryharvesting[J].BiosystemsEngineering,2013,116:309-315.

[9]Erdogˇan,D.,Gu¨nerM,DursunE,etal.Mecha-nicalharvestingofapricots[J].BiosystemsEngineering,2003,85(1):19-28.

[10]JianfengZhou,LongHe,QinZhang,etal.Effectofexcetionposionofahandheldshakeronfruitremovalefficiencyanddamageinmechanicalharvestingofsweetcherry[J].BiosystemsEngineering,2014,2(1):36-44 .

[11]Castro-GarciaS，Blanco-RoldanGL，Gil-RibesJA,etal.Dynamicanalysisofolivetreesinintensiveorchardsunderforcedvibration[J].Trees-structureandFunction,2008,22(6):795-802.

[12]JAGil-Ribes,SCastro-Garcia,GLBlanco-Roldan,etal.Dynamicanalysisofolivestreesinintensiveorchardsunderforcedvibration[J].OriginalPaper,2008,22:795-802.

[13] 鄭甲紅，毛俊超.振動(dòng)式采摘機(jī)振動(dòng)夾持位置的仿真研究[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,32(1)：142-147.

[14] 王濟(jì).MATLAB在振動(dòng)信號(hào)處理中的應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2006.

Abstract ID:1003-188X(2017)12-0165-EA

Study on the Dynamic Characteristics of Begonia Fruit Trees

Liu Zilong, Wang Chunyao， Xu Zhengfang, Zhang Zhi， Zhang Yaobin

The effect of fruit tree morphology (branch diameter, branching angle) on the energy propagation velocity and energy shunting at the bifurcated position was studied under the external load. Select a "Y" type fruit trees for indoor test, excitation load selection shock load and sinusoidal continuous vibration load. In the impact test, the acceleration curve of each measuring point for the first time the peak or trough the time difference to calculate the energy transfer from a measuring point to the adjacent measuring point of the propagation velocity; continuous test, the resulting acceleration Then the kinetic energy of each measuring point on the fruiting branch is obtained and the kinetic energy is regarded as the energy transmitted to the measuring points by the vibration.According to the obtained fitting function, the acceleration signal of the fruiting branch is distributed sinusoidally under the sinusoidal excitation load, and the excitation frequency is almost the same as the acceleration frequency of the fruit branch. The propagation speed of energy on the trunk is larger than that on the trunk. The smaller the branching angle is, the higher the energy propagation speed is. Energy flows through the bifurcation point, resulting in shunting, energy flow to the larger diameter of the side of the trunk.

begonia fruit trees; dynamic characteristics; energy shunting; curve fitting

2016-10-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465054)

劉子龍(1991- )，男，山東濰坊人，碩士研究生， (E-mail)1104983216@qq.com。

王春耀(1956-)，男，四川萬(wàn)源人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail) wangchun_yao@126.com。

S183

A

1003-188X(2017)12-0165-05