釀酒葡萄果實(shí)振動(dòng)脫粒特性研究

耿效華，徐麗明，李 超，邢潔潔，袁全春，陳俊威，劉旭東

(1.山東濰坊職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 262737；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083

0 引言

葡萄酒在世界酒類市場(chǎng)上占有重要地位。近20年來(lái)，我國(guó)葡萄酒產(chǎn)業(yè)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，同期國(guó)際葡萄酒卻始終保持低速增長(zhǎng)，我國(guó)葡萄酒發(fā)展勁頭強(qiáng)勁。2014年，VINEXPO有關(guān)國(guó)際葡萄酒及烈性酒市場(chǎng)的年度調(diào)查報(bào)告表明：在2012年中國(guó)已以1.535億箱(指九公升箱，下同)的產(chǎn)量晉身全球第五大葡萄酒生產(chǎn)國(guó)。2013年，中國(guó)的葡萄酒消耗量以1.554 1億箱繼續(xù)保住了全球最大紅葡萄酒消耗國(guó)的地位。在釀酒葡萄的生產(chǎn)過程中，采收是重要的作業(yè)之一。國(guó)外關(guān)于釀酒葡萄收獲機(jī)械化的研究發(fā)展較快，如紐荷蘭公司的G1、G2大型自走式采收機(jī)，主要采用振動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄的脫粒、輸送和收集。我國(guó)釀酒葡萄的采摘仍采用人工進(jìn)行，采摘期短，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，成本高。因此，研究葡萄機(jī)械化收獲技術(shù)可提高我國(guó)葡萄產(chǎn)業(yè)機(jī)械化水平，降低葡萄酒成本。

機(jī)械化采摘的關(guān)鍵是如何將葡萄果粒從果梗上脫離，降低破碎損失。因此，研究葡萄果粒的脫粒特性是葡萄機(jī)械化采摘裝置的核心。

關(guān)于漿果果粒脫粒特性的研究，目前周會(huì)玲、陳發(fā)河[1-2]等從生物學(xué)原理角度針對(duì)葡萄存儲(chǔ)運(yùn)輸問題，分析了葡萄果柄耐拉力的特性。Pezzi和Caprara等人[3-4]研究了振動(dòng)桿式葡萄采收機(jī)在收獲過程中的葡萄收獲狀況與振動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)參數(shù)的關(guān)系。其他果粒的研究方面，王業(yè)成、陳海濤等[5]研究了藍(lán)莓在振動(dòng)作用下的脫粒特性；王海濱和郭艷玲等研究了藍(lán)莓的振動(dòng)脫粒特性[6-7]。

振動(dòng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，可以針對(duì)不同的對(duì)象特點(diǎn)，調(diào)整振動(dòng)參數(shù)，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已用于水稻的精量播種。但還沒有關(guān)于葡萄果粒在振動(dòng)條件下的脫粒特性方面的研究報(bào)道。

本文依據(jù)振動(dòng)原理，研制了振動(dòng)式果粒脫粒試驗(yàn)臺(tái)，通過二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，采用高速攝影技術(shù)，研究了葡萄在不同振動(dòng)參數(shù)下的脫粒特性，為葡萄振動(dòng)式采摘機(jī)的研究提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 果粒的樣本選擇

在燕郊葡萄基地，采摘成熟的巨峰葡萄，用剪刀將成串的葡萄處理為帶果柄的單粒，選取果柄與葡萄結(jié)合處無(wú)機(jī)械損傷、成熟度一致、果柄長(zhǎng)度大于5mm的葡萄果粒為試驗(yàn)樣本，如圖1所示。

1.2 振動(dòng)式脫粒試驗(yàn)臺(tái)的研制

為了研究葡萄果粒的脫粒特性，研制了振動(dòng)式脫粒試驗(yàn)臺(tái)，主要包括振動(dòng)臺(tái)、葡萄柄夾具、激光傳感器、連桿、電機(jī)、偏心塊、高速攝影儀和單片機(jī)控制系統(tǒng)等，如圖2所示。振動(dòng)臺(tái)采用曲柄滑塊原理，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)諧振動(dòng)。試驗(yàn)臺(tái)通過變頻器(中達(dá)電通臺(tái)達(dá)VFD075F43B變頻器380V 7.5kW)控制電機(jī)(YS7122)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與振動(dòng)臺(tái)的頻率數(shù)值一致；通過調(diào)整偏心塊偏心距離，實(shí)現(xiàn)不同的振幅。葡萄夾具框架四周用透明材料包覆，使葡萄果粒在振動(dòng)過程中不會(huì)與框架發(fā)生碰撞。

圖1 試驗(yàn)果粒樣本Fig.1 Sample picture of fruit bunches

(a) 試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物

(b) 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)三維圖 1.聚光燈 2.變頻器 3.單片機(jī)系統(tǒng) 4.振動(dòng)臺(tái) 5.高速攝像機(jī) 6.筆記本 7.振動(dòng)臺(tái) 8.激光傳感器 9.葡萄柄夾具框架 10.葡萄柄夾具 11.連桿 12.偏心塊 13.電機(jī)圖2 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Vibration testing machine

脫落時(shí)，果粒會(huì)從框架下面落下，這時(shí)安裝在下面的激光傳感器會(huì)檢測(cè)到葡萄果粒，單片機(jī)(89C52RC)通過激光傳感器計(jì)時(shí)，數(shù)碼管將顯示從振動(dòng)開始到脫粒發(fā)生所經(jīng)歷的時(shí)間。單片機(jī)從試驗(yàn)臺(tái)開啟時(shí)開始計(jì)時(shí)，葡萄脫落，觸發(fā)激光傳感器，計(jì)時(shí)結(jié)束；然后單片機(jī)系統(tǒng)將計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間顯示在數(shù)碼管上，時(shí)間精度為0.01s。

為了觀察葡萄在振動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)狀況和受力特點(diǎn)，采用高速攝影儀(Phantom V9.1)錄像，然后通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)與筆記本電腦通信記錄數(shù)據(jù)，用以記錄葡萄在振動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)狀況。為了保證拍照效果，選用2 000W聚光燈補(bǔ)光。

1.3 二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在預(yù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，葡萄果粒在振動(dòng)過程中，脫粒的主要形式是果柄、果刷從葡萄果肉中抽出。對(duì)于振動(dòng)式葡萄采摘的脫粒性能，一個(gè)最直觀的標(biāo)準(zhǔn)就是葡萄在振動(dòng)過程中，從開始到脫粒所經(jīng)歷的時(shí)間。因此，選取葡萄脫粒時(shí)長(zhǎng)t作為試驗(yàn)指標(biāo)。葡萄脫粒是由于振動(dòng)過程中受外力作用的結(jié)果，因此需要分析葡萄受力過程及其相關(guān)因素。為了考察不同因素對(duì)葡萄果粒脫粒的影響，并獲取回歸方程，采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法[7]。

1.3.1 試驗(yàn)過程

首先檢查調(diào)試設(shè)備，保證運(yùn)行狀況良好，設(shè)定好振動(dòng)頻率和振幅，用夾具夾持葡萄果柄，夾持位置選取距離葡萄果粒外表皮3mm的位置；然后高速攝影儀開始拍攝，再通過變頻器控制電機(jī)開啟，振動(dòng)臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；脫粒完成后，關(guān)閉高速攝影儀，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)重復(fù)10次，最后取其平均值。

1.3.2 回歸試驗(yàn)因素選擇

振動(dòng)臺(tái)的頻率為f，偏心塊偏心距l(xiāng)AB，根據(jù)振動(dòng)臺(tái)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖(見圖3)可知

αC≈-ω2lABcosφ≈-(2πn)2lABcosφ

(1)

F≈mCω2lABcosφ×10-3≈

mC(2πf)2lABcosφ×10-3

(2)

其中，αC為夾具與葡萄果粒的加速度(m/s2)；ω為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(rad/s)；lAB為曲柄轉(zhuǎn)盤圓心到拉桿端鉸鏈圓心的長(zhǎng)度(m)；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/s)；F為葡萄果粒的慣性力(N)；mC為葡萄果粒質(zhì)量(g)；φ為曲柄與水平的夾角(°)；f為振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率(Hz)。

由此可知葡萄果粒所受的慣性力與振動(dòng)臺(tái)頻率f，果粒質(zhì)量mC以及偏心塊偏心距l(xiāng)AB有關(guān)；對(duì)3個(gè)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，通過試驗(yàn)確定了振幅范圍為50～110mm，頻率的水平范圍選擇為3～6Hz；根據(jù)葡萄果粒質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)，選擇的質(zhì)量水平范圍為4～11g。

圖3 振動(dòng)臺(tái)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of vibration machine

2 二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)及回歸方程

根據(jù)二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，頻率、設(shè)計(jì)水平如編碼表1所示。其中，f、lAB、mC的編碼值分別為x1、x2、x3，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。得出脫落經(jīng)歷時(shí)間t的回歸方程，并根據(jù)回歸系數(shù)F檢驗(yàn)值(見表3)，剔除不顯著因子及不顯著的交互作用，得到指標(biāo)簡(jiǎn)化回歸方程(標(biāo)準(zhǔn)回歸方程)為

t=615-215.44f+20.14f2

(3)

其中，t為葡萄果粒脫粒經(jīng)歷時(shí)間(s)；f取值范圍3.16Hz≤f≤5.82Hz。

表1 因素水平編碼表

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

續(xù)表2

表3 回歸方程系數(shù)的F檢驗(yàn)值

續(xù)表3

F0.01(1,8)=11.26，F(xiàn)0.05(1,8)=5.32。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

從上面的正交試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：葡萄果粒在振動(dòng)過程中，頻率是最顯著因素，其他因素均不顯著。葡萄果粒脫粒雖然是疲勞斷裂，也是由于慣性力的作用，在葡萄果柄與葡萄果粒的連接處，內(nèi)部產(chǎn)生疲勞損傷造成疲勞斷裂的。

根據(jù)式(2)可知：葡萄果粒所受的慣性力與果粒質(zhì)量和振幅成一次方線性關(guān)系，與頻率的二次方成線性關(guān)系，所以頻率更為顯著；葡萄果粒質(zhì)量與振幅本身沒有頻率顯著，同時(shí)由于葡萄果柄會(huì)緩沖一部分慣性力，降低了各因素對(duì)葡萄脫粒的影響，但由于頻率最為顯著，所以削弱后仍然為顯著因素。因此，在葡萄收獲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)更加注意頻率對(duì)于葡萄采摘的影響。

分析回歸方程可以發(fā)現(xiàn)(見圖4)，頻率越高，葡萄果粒脫落的時(shí)間t越小。當(dāng)頻率達(dá)到5Hz左右時(shí)，葡萄果粒平均脫落時(shí)間t小于2s。但是，在實(shí)際采摘中存在隨著頻率增加，葡萄果粒在振動(dòng)過程中發(fā)生破裂等損失的情況會(huì)越多，因此實(shí)際頻率的選擇應(yīng)該適當(dāng)增加。

圖4 頻率f與時(shí)間t關(guān)系曲線Fig.4 Frequency f and time t curve

3.2 高速攝影儀分析

(4)

(5)

(a) 葡萄果粒位于中間位置

(b) 葡萄果粒位于極左位置

(c) 葡萄果粒位于極右位置圖5 葡萄果粒高速攝影分析Fig.5 High-speed photographic the grapes position

3.3 葡萄果粒振動(dòng)疲勞特性的分析

根據(jù)整個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：葡萄果粒的振落約需要往復(fù)搖擺5次以上，因此葡萄脫粒是由于葡萄果粒與果柄連接部位應(yīng)力集中，具有疲勞的內(nèi)在條件。當(dāng)在循環(huán)載荷作用下，果柄與果實(shí)連接部位所受周期性變化的交變拉力F做功，隨著疲勞損傷的積累，該處出現(xiàn)微觀裂紋，繼而微觀裂紋擴(kuò)展形成宏觀裂紋。宏觀裂紋的擴(kuò)展使得連接處達(dá)連接強(qiáng)度持續(xù)降低，最后引起斷裂失效，果刷與果粒連接部位斷裂，果刷從果粒中拔出，實(shí)現(xiàn)脫粒過程。

葡萄果粒往復(fù)搖擺的周期次數(shù)n，即果粒的疲勞斷裂的壽命t為

n=tf

(6)

3.3.1 葡萄果粒疲勞斷裂壽命與最大拉力關(guān)系

葡萄果肉與果刷連接部位疲勞載荷的幅值即為Fmax。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到，載荷幅值Fmax與疲勞振動(dòng)周期次數(shù)n的載荷—壽命曲線，如圖6所示。

圖6 載荷-壽命曲線Fig.6 Cycle times curve of load

由圖6可知：疲勞振動(dòng)周期次數(shù)n壽命隨著Fmax的降低而增加，該曲線類似于金屬的應(yīng)力—壽命曲線。逐步降低Fmax水平，當(dāng)Fmax降到0.2N時(shí)，曲線趨近于水平線。這表明，當(dāng)Fmax降到0.2N以后，葡萄疲勞壽命急劇增加，并逐漸趨近于無(wú)窮大。這就類似于葡萄果粒在自然環(huán)境下，隨著外界風(fēng)等因素而擺動(dòng)，在較小的Fmax下，即使常年累月，也并不會(huì)脫落。根據(jù)國(guó)外采摘機(jī)的參數(shù)資料[2-3]，按照振動(dòng)桿長(zhǎng)l桿=1.5m，采收機(jī)行進(jìn)速度為v行進(jìn)=2.8km/h，振動(dòng)頻率為每分鐘400，則每粒葡萄的疲勞壽命n壽命為

(7)

Fmax大于0.19N時(shí)，疲勞壽命n維持在30以內(nèi)。因此，振動(dòng)過程中，應(yīng)該保證Fmax大于0.19N。

3.3.2 葡萄果粒疲勞損傷能量與振動(dòng)頻率關(guān)系

根據(jù)疲勞理論，葡萄果粒在振動(dòng)過程中，葡萄的內(nèi)部損傷由外部振動(dòng)造成，振動(dòng)對(duì)葡萄做的功等于疲勞損傷積累的能量值。夾具以動(dòng)能的形式對(duì)葡萄果粒做功，葡萄果粒的動(dòng)能是從極左或極右的速度為零到中間位置的最大速度值|vmax|。則葡萄果粒在振動(dòng)過程中，振動(dòng)過程對(duì)葡萄所做的總功即葡萄疲勞損傷積累的總能量為

(8)

(9)

其中，E為一個(gè)振動(dòng)周期對(duì)葡萄果粒做的功(J)；W為疲勞損傷能量(J)。

由于f是唯一顯著因素，所以剔除不顯著因素，根據(jù)f得到葡萄果粒的疲勞損傷能量W與f的關(guān)系圖，如圖7所示。

圖7 疲勞損傷能量-頻率曲線Fig.7 Fatigue damage energy curve of frequency

由圖7可知：葡萄果粒疲勞損傷能量W隨著f的增加而降低；當(dāng)f增加到4Hz以后，W<0.5N開始趨近于水平線。因此，f>4Hz，這樣能降低脫粒所消耗的能量。

4 結(jié)論

1)依據(jù)振動(dòng)原理，研制了振動(dòng)式葡萄果粒脫粒試驗(yàn)臺(tái)，主要包括振動(dòng)臺(tái)、高速攝影儀和單片機(jī)控制系統(tǒng)等。

2)對(duì)葡萄果粒進(jìn)行了不同振動(dòng)條件下的脫粒試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于葡萄果粒振動(dòng)脫粒，頻率是唯一顯著因素，在葡萄收獲機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該更加注意頻率對(duì)于葡萄采摘的影響。簡(jiǎn)化回歸方程為：t=615-215.44f+20.14f2，f∈[3.16,5.82]。

3)疲勞振動(dòng)周期次數(shù)n壽命隨著Fmax的降低而增加，該曲線類似于金屬的應(yīng)力—壽命曲線。逐步降低Fmax水平，當(dāng)Fmax降到0.2N時(shí)，曲線趨近于水平線。同時(shí)振動(dòng)過程中，應(yīng)該保證Fmax大于0.19N。

4)葡萄果粒疲勞損傷能量W隨著f的增加而降低。當(dāng)f增加到4Hz以后，W小于0.5N開始趨近于水平線。因此，f應(yīng)大于4Hz，這樣能降低脫粒所消耗的能量。

后續(xù)的工作是將葡萄果粒脫粒特性的試驗(yàn)結(jié)果，用于振動(dòng)式采收機(jī)構(gòu)中，并進(jìn)行多品種的試驗(yàn)。

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