枸杞果實(shí)振動(dòng)脫落特性模擬仿真及試驗(yàn)研究

王榮炎，鄭志安，徐麗明，吳 剛，陳俊威，袁全春，馬 帥，于暢暢，段壯壯，邢潔潔

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

枸杞系茄科枸杞屬，有益精明目、滋肝補(bǔ)腎、提高人體免疫力等功效，可藥食兩用[1-2]。枸杞種植面積逐年增加，大多分布在我國西北和華北地區(qū)，每年7-11月份為果實(shí)采收期[3]。目前，枸杞鮮果采摘一直依靠人工，采摘效率低、成本高，迫切需要研制采收機(jī)械?，F(xiàn)有的漿果采收機(jī)械主要為振動(dòng)采收[4-5]，因?yàn)殍坭接袩o限花序連續(xù)花果的特點(diǎn)[6]，所以需要研究不同成熟度枸杞脫落所需激振振幅和頻率的大小，以降低對枸杞的損傷，提高收獲效率，為研制枸杞振動(dòng)收獲機(jī)奠定基礎(chǔ)。

國內(nèi)外對果實(shí)脫落機(jī)理已有部分研究。D.T. MASON[7]經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用相對較低的振動(dòng)頻率(5Hz)收獲樹莓時(shí)對青果的影響較小。Stokerzo[7]根據(jù)單自由度系統(tǒng)的非線性振動(dòng)的經(jīng)典理論，得出了振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率和振幅之間存在一定關(guān)系。Garman等[8]利用高速攝影得出蘋果的固有頻率為120～240r/min，收獲蘋果的振動(dòng)頻率為固有頻率兩倍時(shí)效果最好。張最等[9]采用仿真和實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合的方法分析確定了合理的迫振載荷施加位置和驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速組合。梁月[10]等研究了振動(dòng)頻率、振幅等因素對沙棘果實(shí)采收率和果實(shí)損傷率的影響。王長勤[11]等通過振動(dòng)試驗(yàn)得出了黑加侖等果品果-蒂分離率的主要影響因素。李成松[12]通過理論分析和實(shí)際試驗(yàn)研究了葡萄果-蒂分離的條件并得出了主要影響因素。以上研究均針對水果的振動(dòng)收獲，所述水果(樹莓、蘋果、黑加侖等)在體積、果-梗結(jié)合力等方面與枸杞存在一定差異，由于目前對枸杞的振動(dòng)采收研究較少，本文參照上述提到的方法，結(jié)合枸杞的特性，研究枸杞的振動(dòng)脫落特性。

實(shí)際振動(dòng)收獲的作業(yè)要求將成熟的枸杞振動(dòng)脫落，并盡量保留未成熟的枸杞，且不能對枸杞果實(shí)造成損傷，因此尋找合適的振動(dòng)條件非常重要。本文以此為目標(biāo)，首先對枸杞果實(shí)的振動(dòng)脫落機(jī)理進(jìn)行分析；然后結(jié)合枸杞生長特性，采用ADAMS軟件建立枸杞果-柄三維振動(dòng)模型，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，觀察枸杞果-柄的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式，監(jiān)測不同振動(dòng)組合參數(shù)下枸杞果實(shí)和振動(dòng)桿的加速度之間的關(guān)系；最后設(shè)計(jì)枸杞振動(dòng)試驗(yàn)臺，基于仿真試驗(yàn)選取的因素及水平，以脫落時(shí)間為指標(biāo)，對成熟和未熟枸杞分別進(jìn)行正交試驗(yàn)，確定試驗(yàn)因素的最佳組合及振動(dòng)桿的最適振動(dòng)加速度，為振動(dòng)式枸杞收獲機(jī)械的研制提供技術(shù)支撐。

1 枸杞物理特性與脫落機(jī)理

1.1 枸杞的物理特性

枸杞果實(shí)和果柄的物理特性參數(shù)及枸杞果實(shí)-果柄之間的結(jié)合力對枸杞的振動(dòng)脫落影響很大[13-14]，其物理特性參數(shù)主要包括枸杞果實(shí)的橫軸長度a、縱軸長度b、果柄長度l、果實(shí)質(zhì)量m，密度ρ，如圖1所示。

a為橫軸長度(mm)，b為縱軸長度(mm)，l為果柄長度(mm)。

本文選用“中國枸杞”品種為樣本，采用游標(biāo)卡尺和電子秤等工具測量枸杞橫縱軸長度、果柄長度和枸杞質(zhì)量，采用RGM-2XXX 型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)(精度±0.5%)和自制夾具進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉壓試驗(yàn)，測得枸杞果實(shí)與果柄之間的結(jié)合力，用排水法測量枸杞果實(shí)的密度。因枸杞成熟度還沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，通常紅色枸杞即為成熟枸杞，其他顏色均未成熟，而本文提到的未成熟枸杞皆為橙黃色枸杞。隨機(jī)采摘帶柄的成熟枸杞和未成熟枸杞各200顆進(jìn)行測試，計(jì)算平均值和對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如表1和表2所示。

由測量結(jié)果可知：成熟枸杞和未成熟枸杞的果實(shí)和果柄之間的結(jié)合力不同。在該研究中，枸杞果實(shí)做受迫振動(dòng)，即在受振動(dòng)桿周期性激振力的持續(xù)作用下枸杞果實(shí)產(chǎn)生振動(dòng)。因此，本文首先分析枸杞果實(shí)受迫振動(dòng)時(shí)的脫落機(jī)理。

表1 枸杞果實(shí)及果柄的物理參數(shù)

表2 枸杞果實(shí)-果柄結(jié)合力范圍

1.2 枸杞振動(dòng)模型和脫落機(jī)理研究

依據(jù)振動(dòng)原理，振動(dòng)采摘的振幅和頻率過大，會(huì)將未成熟的枸杞果實(shí)振落，并可能造成枸杞果實(shí)表面破損及其內(nèi)部組織損傷[11]；若振幅和頻率過小，則不能完成成熟枸杞果實(shí)的全部采摘，繼而影響采收效率。Cooke and Rand[7]研究了蘋果果-梗系統(tǒng)的線性自由振動(dòng)和線性強(qiáng)迫振動(dòng)，得出了振動(dòng)頻率和固有頻率的關(guān)系，為進(jìn)一步研究枸杞果實(shí)-果柄在收獲過程中的動(dòng)態(tài)行為，在線性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了非線性分析。

枸杞振動(dòng)脫落的形式主要為從果實(shí)-果柄連接處分離掉落[14-15]，枸杞受迫振動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)模式是復(fù)合運(yùn)動(dòng)，分析起來比較復(fù)雜，本文將果實(shí)振動(dòng)分解為3種運(yùn)動(dòng)。果實(shí)運(yùn)動(dòng)分解后的簡化模型如圖2所示。

圖2(a)為果柄與果實(shí)在同一平面內(nèi)繞枝條連接點(diǎn)O點(diǎn)擺動(dòng)；圖2(b)為果實(shí)繞果柄連接點(diǎn)A點(diǎn)擺動(dòng)；圖2(c)為果實(shí)繞果柄的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于枸杞果柄的長度約為21mm，枸杞果實(shí)的質(zhì)量約為0.44g，因此選定枸杞主要運(yùn)動(dòng)模式為圖2(a)和圖2(b)兩種。

圖2 枸杞振動(dòng)時(shí)3種主要的運(yùn)動(dòng)形式

本文以單顆枸杞果實(shí)和果柄作為分析對象，將果實(shí)-果柄作為一個(gè)基礎(chǔ)系統(tǒng)來研究[16-19]，振動(dòng)模型如圖3所示。

圖3 枸杞振動(dòng)系統(tǒng)模型簡圖

圖3中，k1和k2分別為果柄-果枝和果柄-果實(shí)連接點(diǎn)處的剛性系數(shù)(N/m)；θ和φ分別為果柄和果實(shí)與豎直方向的夾角(°)；α是果實(shí)和果柄與豎直方向的夾角之差(°)；β是果柄和果實(shí)與豎直方向的夾角之和(°)。

假設(shè)：果實(shí)密度均勻并且自然狀態(tài)下果實(shí)與果柄軸線共線，以靜平衡位置(即枸杞果實(shí)-果柄自由垂懸)為自由度基準(zhǔn)，枸杞果實(shí)簡化成質(zhì)量為m的橢球，慣性質(zhì)量中心為IC，果柄簡化為質(zhì)量為p、長度為l的圓柱；果柄和果實(shí)與豎直方向的夾角分別為θ和φ，代表果柄和果實(shí)的角位移；果實(shí)繞果柄軸線旋轉(zhuǎn)的角位移為ψ(圖中未標(biāo))；果柄-果枝連接點(diǎn)O和果柄-果實(shí)連接點(diǎn)A處可看作是兩個(gè)剛性系數(shù)分別為k1和k2的扭轉(zhuǎn)彈簧；枸杞振動(dòng)系統(tǒng)的等效粘滯阻尼系數(shù)為C。

系統(tǒng)的動(dòng)能和勢能公式分別為

(1)

(2)

其中，T為系統(tǒng)動(dòng)能(J)；M為系統(tǒng)質(zhì)量(kg)；q'為系統(tǒng)速度(m/s)；V為系統(tǒng)勢能(J)；系統(tǒng)的勢能由彈簧勢能和重力勢能組成；K為彈簧剛性系數(shù)(N/m)；q為系統(tǒng)相對平衡位置的偏移量(m)。

因枸杞振動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)主要以圖2(a)和圖2(b)兩種運(yùn)動(dòng)為主，故令ψ≡0。參照文獻(xiàn)[7]和[8]中蘋果自由振動(dòng)線性模型及文獻(xiàn)[20]的理論，可推出枸杞振動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能和勢能，即

(3)

(4)

其中，r為枸杞的近似半徑。

由橢球半徑近似公式[22]計(jì)算可得

(5)

假設(shè)

(6)

(7)

b3=mrl

(8)

(9)

b5=mgr

(10)

將式(6)～式(10)帶入式(3)和式(4)化簡后，再帶入拉格朗日方程得

(11)

其中，L=T-V為拉格朗日量[21]。建立在給定系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律情況下的動(dòng)力學(xué)方程[22]，即

b1θ″-b3φ″cosα-b3φ2α+k1θ-k2α+b4sinθ=0

(12)

(13)

枸杞系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于給該系統(tǒng)的平衡狀態(tài)加一個(gè)微擾，使系統(tǒng)動(dòng)起來。把非線性關(guān)系用泰勒展開[22]，丟掉高階保留線性項(xiàng)作為近似，把一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)近似成一系列冪函數(shù)的簡單線性疊加，將四階及以上的項(xiàng)忽略，最終式(3)和式(4)簡化為

(14)

(15)

根據(jù)Cooke and Rand[7]的研究假設(shè)

θ=Acosωt

(16)

φ=Bcosωt

(17)

在該振動(dòng)系統(tǒng)中，A、B分別為枸杞受迫振動(dòng)的垂直和水平方向振幅，ω為振動(dòng)頻率的2π倍，引入變量λ。

令

B=λA

(18)

即

φ/θ=λ

(19)

代入式(14)和式(15)，公式化簡得

(20)

該振動(dòng)系統(tǒng)模型是以單顆果實(shí)-果柄系統(tǒng)為研究對象，沒考慮周圍果實(shí)對該系統(tǒng)的碰撞與摩擦，否則拉格朗日表達(dá)式中的初始位置等參數(shù)會(huì)改變[7]；但該結(jié)論可為枸杞果實(shí)受迫振動(dòng)的非線性模態(tài)分析提供依據(jù)。根據(jù)式(20)可以看出：ω2是λ的函數(shù)，而ω和λ的值分別取決于頻率和振幅[23-24]，因此枸杞振動(dòng)時(shí)的振幅和頻率是相互影響的，不能僅改變振幅和頻率其中的一個(gè)參數(shù)來提高枸杞的脫落效果。

2 枸杞果實(shí)脫落仿真分析

運(yùn)用ADAMS軟件，基于枸杞物理結(jié)構(gòu)，建立枸杞果實(shí)-果柄振動(dòng)系統(tǒng)模型，再由果實(shí)-果柄拉伸試驗(yàn)所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行力學(xué)量的添加。其中，成熟枸杞和未成熟枸杞果實(shí)-果柄連接力均值分別為0.98 N和1.53 N。振動(dòng)桿設(shè)置了不同的激振振幅和激振頻率組合，進(jìn)行枸杞果實(shí)脫落過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真，得到枸杞脫落數(shù)量與枸杞脫落所需時(shí)間的曲線，為振動(dòng)臺試驗(yàn)的因素和水平提供參考。

2.1 枸杞果實(shí)-果柄振動(dòng)系統(tǒng)模型的建立

在ADAMS中，用離散法進(jìn)行建模。將果柄離散成長度為5 mm的小圓柱，用BUSH連接，制作成柔性體；在枸杞果實(shí)與振動(dòng)桿之間、果柄與振動(dòng)桿之間添加接觸；枸杞果枝固定，果柄和果枝之間采用彈簧阻尼模型連接，果實(shí)和果柄之間采用廣義力連接；為振動(dòng)桿添加正弦振動(dòng)驅(qū)動(dòng)[25-27]。枸杞振動(dòng)模型如圖4所示。

1.果枝 2.果柄 3.枸杞果實(shí) 4.振動(dòng)桿

枸杞果實(shí)和果柄之間施加一個(gè)廣義力，設(shè)置傳感器檢測力的變化。當(dāng)廣義力大于脫落果實(shí)所需力的最小值時(shí)，枸杞果實(shí)-果柄脫離，兩者之間的連接力變?yōu)?。廣義力由3個(gè)分量力和3個(gè)分量力矩(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Tx，Ty，Tz)組成。

參考文獻(xiàn)[26]仿真經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置廣義力中Tx的函數(shù)為

-STEP(SENVAL(Lycium sensor_1):1,pedicel_KT,15,0)

*AX(pedicel_1.force_center,Lycium_1.cylinder_center)

-STEP(SENVAL(Lycium _sensor_1):1,pedicel_CT,15,0)

*WX(pedicel_1.force_center,Lycium_1.cylinder_center,

Lycium_1.cylinder_center,Lycium_1.cylinder_center)

其中，Lycium_sensor_1為檢測廣義力兩作用點(diǎn)距離的傳感器；pedicel_KT為扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)；pedicel_1.force_center為果柄連接點(diǎn)。Lycium _1.cylinder_center為果粒連接點(diǎn)。廣義力中，其他分量力和力矩函數(shù)以此類推。

2.2 脫落仿真試驗(yàn)分析

為了研究枸杞果實(shí)在受迫振動(dòng)過程中不同振動(dòng)組合參數(shù)下的脫落效果，建立了測量函數(shù)，給振動(dòng)桿設(shè)置了不同的振動(dòng)組合參數(shù)[24-27]。本文首先進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)振動(dòng)桿的激振振幅為6～18mm、激振頻率為10～21Hz時(shí)，可滿足果實(shí)-果柄分離要求。因此，本文設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)20次，試驗(yàn)所取因素與水平如表3 所示。

表3 實(shí)際試驗(yàn)的因素水平表 Table 3 Table of factors and levels of actual tests

試驗(yàn)表明：當(dāng)振動(dòng)桿振幅為12mm、頻率為16Hz時(shí)，枸杞脫落平均用時(shí)最短。為分析振動(dòng)桿振幅和頻率對枸杞脫落時(shí)間的影響，將振幅定為12mm，激振頻率分別選取13、16、19Hz，進(jìn)行仿真；同樣，再將頻率定為16Hz，激振振幅分別選取9、12、15mm，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)得到枸杞脫落數(shù)量與所需脫落時(shí)間的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 振幅和頻率兩因素對枸杞脫落過程的影響

由圖5(a)可知：隨著振動(dòng)桿激振振幅(頻率為16 Hz)的增加，枸杞脫落所需時(shí)間先減少后增加。由圖5(b)可知：隨著振動(dòng)桿激振頻率(振幅為12 mm)的增大，枸杞脫落所需時(shí)間先減少后增加。

由于枸杞果柄細(xì)軟、柔性大，枸杞果實(shí)受迫振動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)是各種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合疊加，沒有規(guī)律，導(dǎo)致枸杞脫落所需時(shí)間并不是隨著振幅和頻率的增大而有規(guī)律地減小。

2.3 碰撞力仿真分析

為研究枸杞在振動(dòng)脫落過程中的受力，測量其中1顆枸杞的加速度，仿真結(jié)束后得到枸杞的加速度曲線，以最佳激振頻率16Hz，振幅分別取9、12、15mm的仿真結(jié)果為例，得到枸杞果實(shí)中心的加速度曲線如圖6所示。

由圖6可知：由于枸杞受迫振動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)模式比較復(fù)雜，導(dǎo)致枸杞果實(shí)中心的加速度會(huì)發(fā)生突變，沒有具體的規(guī)律可循；但可以看出，當(dāng)激振頻率為16 Hz時(shí)，隨著激振振幅的增加，枸杞果實(shí)的加速度整體會(huì)變大。

實(shí)際采收中無法直接測量并控制枸杞果實(shí)自身的加速度，但枸杞受迫振動(dòng)的動(dòng)力源是由振動(dòng)桿提供的，可以直接測振動(dòng)桿的加速度。由于振動(dòng)桿做有規(guī)律的正弦運(yùn)動(dòng)，經(jīng)仿真表明：在不同振動(dòng)組合參數(shù)下，振動(dòng)桿的加速度曲線比較類似。以最佳激振頻率16 Hz，振幅分別取9、12、15mm時(shí)的仿真結(jié)果為例，得到振動(dòng)桿的加速度曲線如圖7所示。

圖6 枸杞果實(shí)中心點(diǎn)的加速度

圖7 振動(dòng)桿的加速度

由圖7可知：振動(dòng)桿的加速度大體上為交變的正弦曲線。當(dāng)振動(dòng)桿激振頻率固定為16Hz時(shí)，振動(dòng)桿的加速度隨激振振幅的增加而變大。曲線取值后，得到振動(dòng)桿振幅為9、12、15mm時(shí)，最大加速度值分別為247.47、183.61、141.05m/s。

3 振動(dòng)試驗(yàn)臺裝置與分析

3.1 振動(dòng)試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)和工作原理

本文設(shè)計(jì)了枸杞振動(dòng)試驗(yàn)臺，主要用于測試枸杞果實(shí)的脫落特性，測定使成熟枸杞脫落的最短時(shí)間及未成熟枸杞不脫落或脫落時(shí)間長時(shí)所對應(yīng)的激振振幅和頻率，并確定了振動(dòng)桿在該振動(dòng)組合參數(shù)下的加速度。

枸杞振動(dòng)試驗(yàn)臺主要由激振裝置、枸杞枝條懸掛裝置和信號采集裝置組成，如圖8所示。其中，激振裝置包括FY2300-02M型信號源發(fā)生器、FPA1016(60W)功率放大器、HEV-20型電動(dòng)式激振器和振動(dòng)桿；信號采集裝置包括CA-YD-1160型壓電式加速度傳感器(靈敏度9.88 mv/m·s-2)、YE3822A型恒流適配器及NI USB-6008型信號采集器。

1.信號源裝置 2.激振器 3.加速度傳感器 4.懸掛裝置 5.信號采集卡 6.機(jī)架 7.振動(dòng)桿

振動(dòng)試驗(yàn)臺工作時(shí)，由信號源發(fā)生器(簡稱信號源)輸出正弦波信號，經(jīng)功率放大器放大后輸出至電動(dòng)式激振器(簡稱激振器)；激振器的頂桿帶動(dòng)振動(dòng)桿振動(dòng)，連續(xù)作用于枸杞果實(shí)和果柄結(jié)合處的偏上位置；激振器的振幅通過調(diào)節(jié)信號源的工作電壓來調(diào)節(jié)，激振器的頻率通過調(diào)節(jié)信號源的輸出頻率來調(diào)節(jié)，可滿足在不同振幅和頻率條件下進(jìn)行試驗(yàn)的要求。將加速度傳感器膠粘在振動(dòng)桿上，由恒流適配器提供恒定的電流，用于測定振動(dòng)桿在各振動(dòng)組合參數(shù)下?lián)袈滂坭綍r(shí)的加速度，用數(shù)據(jù)采集卡采集加速度傳感器輸出的信號，用LABVIEW軟件分析處理采集到的信號，得出各振動(dòng)組合參數(shù)下振動(dòng)桿的加速度。

3.2 試驗(yàn)

本試驗(yàn)在河北省秦皇島市青龍滿族自治縣枸杞種植園進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為2017年7月23日，通過枸杞振動(dòng)試驗(yàn)臺進(jìn)行枸杞脫落特性的試驗(yàn)。

試驗(yàn)材料：枸杞振動(dòng)試驗(yàn)臺、PC、秒表；河北種植的中國枸杞(參數(shù)見表1和表2)，樹齡為10年生。

試驗(yàn)過程：經(jīng)過多次試驗(yàn)，確定了最佳激振位置為枸杞果實(shí)和果柄連接部位偏上的位置，振動(dòng)桿擊打該位置枸杞果實(shí)的破損率為0。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的枸杞成熟度基本一致，正式試驗(yàn)時(shí)，以1個(gè)節(jié)點(diǎn)的枸杞為單位，隨機(jī)剪取帶果枝果柄的成熟和未成熟枸杞各50組，將果枝固定于懸掛裝置的夾具中，設(shè)置好信號源的輸出電壓和頻率，振動(dòng)桿振動(dòng)的瞬間；開始計(jì)時(shí)，分別記錄枸杞受迫振動(dòng)直至果實(shí)-果柄分離所需時(shí)間；每組試驗(yàn)做完后關(guān)閉信號源，記錄振動(dòng)桿的振幅和頻率及對應(yīng)的加速度。

本文以脫落所需時(shí)間為指標(biāo)，以振幅和頻率為因素，并考慮兩者的交互作用，分別做成熟和未成熟枸杞兩組正交試驗(yàn)。振動(dòng)桿激振振幅和頻率的水平設(shè)置范圍是根據(jù)仿真試驗(yàn)獲得，試驗(yàn)所取因素與水平同表3。

選用L9(34)表進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)N=9，每組試驗(yàn)重復(fù)50次，取50次的平均值作為該組的試驗(yàn)結(jié)果，得出每組的脫落所需時(shí)間。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

續(xù)表4

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果斷定，該激振形勢下振動(dòng)桿振幅和頻率的交互作用A×B是存在的，它對指標(biāo)的影響大，而因素水平變化對指標(biāo)影響更大。從極差大小可知，因素的主次為A>B>A×B。通過對枸杞脫落所需時(shí)間分析可知，影響兩種成熟度枸杞脫落效果的參數(shù)組合不同：成熟枸杞的最佳因素水平為振動(dòng)桿激振振幅為12mm，激振頻率為16Hz，此時(shí)脫落所需時(shí)間為1.39s；未成熟枸杞脫落所需時(shí)間最短為2.93s，對應(yīng)的組合參數(shù)為激振振幅15mm，激振頻率13Hz。

表5和表6分別是成熟枸杞和未成熟枸杞的振動(dòng)桿激振因素交互作用二元表。

表5 成熟枸杞因素交互作用二元表

Table 5 Table of Interaction between amplitude and frequency about mature Lycium barbarum

BAA1A2A3B14.122.252.36B24.211.394.41B38.073.483.88

表6 未成熟枸杞因素交互作用二元表

Table 6 Table of Interaction between amplitude and frequency about immature Lycium barbarum

BAA1A2A3B19.664.632.93B211.933.465.42B317.138.683.87

由表5、表6可知：在成熟枸杞脫落試驗(yàn)中，B的3個(gè)水平下，總是A2好(這是因?yàn)橐蛩谹對指標(biāo)的影響遠(yuǎn)超過了交互作用A×B的影響)；A選定A2后，B取B2最好。同樣，在未成熟枸杞脫落試驗(yàn)中，B的3個(gè)水平下，A3最好；選定A3后，發(fā)現(xiàn)B取B1分離用時(shí)最短?？紤]到振落成熟枸杞的同時(shí)，盡可能地減小振動(dòng)對未成熟枸杞的損傷，降低枸杞產(chǎn)量損失，最終確定枸杞振動(dòng)試驗(yàn)臺的最佳激振振幅為12mm，最佳激振頻率為16Hz。

本文利用膠粘在振動(dòng)桿上的加速度傳感器測試振動(dòng)桿的加速度，選用的IEPE電壓輸出型壓電式加速度傳感器，輸出的信號電壓與所承受的加速度是線性關(guān)系，即最大的加速度等于所測波段的最大輸出電壓與靈敏度的比值[28-29]，得出9組試驗(yàn)的加速度，如表7所示。

表7 采集卡電壓值與加速度值對應(yīng)表

Table 7 Table of Acquisition card voltage value and corresponding acceleration

試驗(yàn)號采集卡電壓值/V加速度/m·s-212.49252.3822.45247.4732.27229.3941.67168.7251.61162.8161.48149.7871.45147.2681.41142.4191.16117.48

振動(dòng)桿做正弦規(guī)律運(yùn)動(dòng)，加速度在不同時(shí)域內(nèi)持續(xù)變化。在最佳振動(dòng)組合(即激振振幅為12mm、頻率為16Hz)時(shí)，振動(dòng)桿的最大加速度值為162.81m/s，與仿真試驗(yàn)所得振動(dòng)桿加速度基本一致。將所有參數(shù)組合下振動(dòng)桿最大加速度的實(shí)測值與仿真值對比后，數(shù)據(jù)比較吻合，誤差較小，證明了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。在9組振動(dòng)組合參數(shù)作用下，成熟枸杞和未成熟枸杞的脫落時(shí)間與振動(dòng)桿加速度的關(guān)系如圖9如示。

圖9 脫落所需時(shí)間與振動(dòng)桿加速度關(guān)系曲線

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：振動(dòng)桿的振幅和頻率存在交互作用，振動(dòng)桿的加速度與振動(dòng)桿振幅和頻率組合沒有線性關(guān)系，枸杞脫落時(shí)間和振動(dòng)桿加速度之間也沒有線性關(guān)系。整體而言，隨著振動(dòng)桿激振振幅和頻率的增加，枸杞受迫振動(dòng)的響應(yīng)逐漸增強(qiáng)，更容易脫落，單位時(shí)間的脫落數(shù)量也隨之提高；但當(dāng)激振振幅和頻率繼續(xù)增大，枸杞果實(shí)受慣性作用始終遠(yuǎn)離最初位置，導(dǎo)致實(shí)際作用到枸杞上的振幅和頻率變小，增加了枸杞的脫落時(shí)間[30]。本文經(jīng)過模擬和試驗(yàn)分析，最終確定枸杞振動(dòng)試驗(yàn)臺的最佳激振振幅為12mm，最佳激振頻率為16Hz，最佳激振加速度為162.81m/s。

4 論結(jié)

1)建立了枸杞果實(shí)-果柄的振動(dòng)系統(tǒng)，分析了枸杞果實(shí)振動(dòng)脫離的機(jī)理，證明了枸杞果實(shí)的振幅改變會(huì)使頻率變化，反之亦然。為達(dá)到枸杞最優(yōu)的脫落效果，基于 ADAMS 軟件，建立了枸杞果實(shí)-果柄振動(dòng)系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得出枸杞果實(shí)脫落的最佳激振振幅為12mm，激振頻率為16Hz。

2)利用搭建的枸杞振動(dòng)試驗(yàn)臺進(jìn)行脫落試驗(yàn)，得到振動(dòng)試驗(yàn)臺最佳工作參數(shù)為：激振振幅12mm，激振頻率16Hz。此時(shí)，振動(dòng)桿最大加速度為162.81m/s，成熟枸杞脫落用時(shí)平均為1.39s，未成熟果實(shí)脫落用時(shí)平均為3.46s。

本文僅以各節(jié)點(diǎn)處的枸杞為單位，進(jìn)行了振動(dòng)脫落研究，得到了成熟和未成熟枸杞的最佳振動(dòng)參數(shù)，為枸杞振動(dòng)收獲機(jī)的進(jìn)一步研制奠定了基礎(chǔ)。由于枸杞這種連續(xù)花果的成熟枸杞、未成熟枸杞、花朵位置分布具有不確定性，實(shí)際收獲中成熟枸杞果實(shí)的最佳脫落條件和振動(dòng)收獲參數(shù)需要進(jìn)一步研究。