基于高速攝影的板栗果實(shí)振動(dòng)脫落特性分析

韓元順，許林云，周杰，余兵

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037)

板栗(CastaneamollissimaBlume)是我國重要的木本糧食作物之一?，F(xiàn)階段中國板栗依然以人工采收為主，主要分為拾栗法和打栗法2種，勞動(dòng)強(qiáng)度大、采收時(shí)間長(zhǎng)、效率低。機(jī)械采收可有效降低板栗收獲成本、提高收獲效率和安全性，也是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)。板栗屬于干果類林果，對(duì)于此類林果最有效的采收方式是機(jī)械振動(dòng)采收。振動(dòng)采收的工作原理是通過振動(dòng)裝置對(duì)果樹施以一定頻率和振幅的外在激振，迫使果樹獲得振動(dòng)響應(yīng)，樹上的果實(shí)以某種振動(dòng)形式響應(yīng)運(yùn)動(dòng)，獲得相應(yīng)的振動(dòng)慣性力，當(dāng)該慣性力大于果實(shí)與果枝之間的結(jié)合力(即果柄結(jié)合力)時(shí)，果實(shí)就會(huì)從果柄連接最脆弱處(一般為果柄與果實(shí)結(jié)合點(diǎn)或果柄與果枝結(jié)合點(diǎn))脫落[1-4]。高速攝影技術(shù)已成為研究果實(shí)振動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、受力大小及受力方向等特征參數(shù)的主要方式之一[5-9]。散鋆龍等[10]建立了杏果-果枝雙擺動(dòng)力學(xué)模型，利用高速攝影儀記錄了杏果受迫振動(dòng)脫落全過程；蔡菲等[11]利用高速攝像儀跟蹤分析了杏果在脫落過程中瞬時(shí)速度的變化規(guī)律；杜小強(qiáng)等[12]設(shè)計(jì)了一種扁球形電子果實(shí)，并用其檢測(cè)激振采收系統(tǒng)在果實(shí)收獲過程中產(chǎn)生的機(jī)械沖擊，評(píng)估果實(shí)損傷；Zhou等[13]利用高速攝影捕捉櫻桃在10，14和18 Hz頻率激振下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以確定果實(shí)的采摘和影響因素；Torregrosa等[14]使用高速攝影與圖像處理相結(jié)合的技術(shù)，通過對(duì)視頻序列的分析確定了果實(shí)脫落的主要參數(shù)。

以一定頻率夾持側(cè)枝和樹干進(jìn)行振動(dòng)采收時(shí)，整個(gè)果樹會(huì)以相同的頻率振動(dòng)響應(yīng)，但振動(dòng)能量的傳遞和分布與果樹的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，且果樹分枝的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)在一定程度上是相對(duì)獨(dú)立的，受分枝形態(tài)與尺寸的影響，各分枝的振動(dòng)響應(yīng)方向和幅值也存在一定差異性[15]。果枝的振動(dòng)引起果實(shí)以一定的形式運(yùn)動(dòng)，當(dāng)果實(shí)所獲慣性力大于果柄結(jié)合力時(shí)，果實(shí)會(huì)以一定的方式脫落。振動(dòng)方向、振幅和振動(dòng)頻率對(duì)于板栗振動(dòng)脫落有很大的影響，為明確這3個(gè)因素對(duì)板栗“果枝-果柄-果實(shí)”系統(tǒng)在振動(dòng)狀態(tài)下的脫落形式、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)姿態(tài)以及脫落情況的影響，筆者通過建立專用激振試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)截取下來帶有果枝的板栗果實(shí)施加單一水平方向或垂直方向的單向激振力，結(jié)合振動(dòng)頻率與幅值的參數(shù)變化，通過高速攝像機(jī)獲取板栗果實(shí)的振動(dòng)脫落軌跡與脫落模式，以期為理解板栗果實(shí)的振動(dòng)采收機(jī)理提供一定的理論依據(jù)。

1 板栗成熟度劃分

板栗果實(shí)品質(zhì)與其成熟度密切相關(guān)，未成熟的板栗難以貯藏，且貯藏后的板栗品質(zhì)優(yōu)劣直接影響銷售價(jià)格與經(jīng)濟(jì)收益。若采用機(jī)械采收并獲取板栗經(jīng)濟(jì)利益最大化，需對(duì)板栗成熟度進(jìn)行劃分，并研究不同成熟度下板栗果實(shí)的脫落特性，獲得采收成熟板栗的最佳參數(shù)，提高機(jī)械振動(dòng)板栗采收精準(zhǔn)度，從而避免采收過多未成熟板栗。

目前，對(duì)于板栗成熟度的劃分還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，劃分依據(jù)各不相同，而板栗栗苞顏色及其開裂度是對(duì)板栗成熟度目測(cè)判讀的重要標(biāo)準(zhǔn)。房貴磊等[16]以栗苞轉(zhuǎn)微黃前的全綠為七成熟，栗苞由綠轉(zhuǎn)微黃、頂部微開裂為八成熟，栗苞黃褐色、頂部開裂40°左右為九成熟，作為板栗成熟度的劃分依據(jù)；周軒明等[17]稱栗苞呈綠色、花后約70 d的板栗為“成熟度Ⅰ”，栗苞由綠轉(zhuǎn)微黃、頂部微開裂、花后約77 d為“成熟度Ⅱ”，栗苞黃褐色、頂部開裂40°、花后約84 d為“成熟度Ⅲ”；魯周民等[18]稱栗苞綠色、自然成熟前10 d左右的板栗為“未熟Ⅱ”，栗苞由綠轉(zhuǎn)微黃色、未開裂、約自然成熟前5 d的板栗為“未熟Ⅰ”，栗苞黃褐色、頂部微開裂的為“成熟”。

由于板栗樹開花存在時(shí)間不一致及不同部位日照強(qiáng)度不完全相同的情況，同一株板栗樹上的果實(shí)成熟度、顏色等存在差異性。本研究參照前人的板栗成熟度劃分案例，綜合考慮本試驗(yàn)中板栗的栗苞顏色與開裂程度對(duì)板栗成熟度進(jìn)行劃分，劃分成未成熟、八成熟與完全成熟，對(duì)應(yīng)成熟度Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3個(gè)等級(jí)，具體劃分依據(jù)見表1。根據(jù)周翠英等[19]規(guī)定的板栗可采收標(biāo)志，本研究對(duì)應(yīng)的八成熟板栗果實(shí)即可進(jìn)行采收。

表1 板栗成熟度劃分Table 1 Maturity sorts of chestnuts

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)時(shí)間與地點(diǎn)

板栗正常成熟時(shí)間為9月中旬至10月上旬，本試驗(yàn)時(shí)間為2019年9月24—30日，地點(diǎn)為江蘇省南京市江寧區(qū)橫溪街道官長(zhǎng)社區(qū)西韓村板栗種植田(118°47′6″E，31°41′25″N)。此處板栗生長(zhǎng)于平原，為分塊式種植，試驗(yàn)板栗田塊面積約1 hm2，樹齡15 a左右，由栗農(nóng)種植管理，整個(gè)試驗(yàn)期間均為晴朗天氣。

2.2 試驗(yàn)裝置與方法

1)果實(shí)靜態(tài)分離力測(cè)試裝置由艾德堡HP-50便攜式數(shù)顯推拉力計(jì)(量程為0～50 N，精度為0.01 N)、升降標(biāo)尺架(行程200 mm，精度0.01 mm)和自制果實(shí)夾具組成，其工作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1a。

為確保果實(shí)靜態(tài)分離力盡可能反映田間果樹的實(shí)際果柄結(jié)合力，將測(cè)試裝置直接置于板栗種植田里，現(xiàn)采現(xiàn)測(cè)。從板栗樹(不限于一棵樹)中隨機(jī)選取對(duì)應(yīng)每種成熟度的板栗果實(shí)各10個(gè)，用剪刀將板栗連同生長(zhǎng)果枝一并剪下，去除多余果枝與樹葉，只保留測(cè)試時(shí)供夾持的約30 mm小段果枝，便于圖1a中的果枝固定裝置夾持固定。果實(shí)由果實(shí)固定裝置固定，果枝固定裝置與拉力計(jì)相連，并一起固定在升降臺(tái)上。測(cè)試時(shí)，人工手動(dòng)緩慢勻速轉(zhuǎn)動(dòng)手柄帶動(dòng)螺紋桿旋轉(zhuǎn)，使升降臺(tái)向上緩慢升起，帶動(dòng)拉力計(jì)及果枝固定裝置拉住果枝，使果柄受力逐步增大，直至果實(shí)與果柄分離；在升降臺(tái)上升過程中果柄結(jié)合力隨時(shí)間不斷增大的受力變化曲線由系統(tǒng)軟件測(cè)試并記錄，受力峰值即為板栗果實(shí)與果柄之間的分離力(圖1b)。將測(cè)試后的果實(shí)迅速取下并裝入保鮮袋中做好標(biāo)記，便于后續(xù)板栗果實(shí)基本物理特征參數(shù)測(cè)試。

圖1 果實(shí)靜態(tài)分離力測(cè)試系統(tǒng)Fig. 1 Fruit static detachment force measuring system

2)果實(shí)振動(dòng)脫落特性測(cè)試系統(tǒng)主要由振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)與動(dòng)態(tài)圖像采集系統(tǒng)組成。振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)為自主設(shè)計(jì)并制作的單一果實(shí)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，如圖2所示，由電機(jī)、振動(dòng)發(fā)生裝置、果實(shí)夾持裝置及臺(tái)架構(gòu)成。振動(dòng)發(fā)生裝置為曲柄連桿機(jī)構(gòu)：通過改變振動(dòng)發(fā)生裝置的滑塊運(yùn)動(dòng)方向及果枝夾持方向，形成水平(圖2a)或垂直(圖2b)振動(dòng)模式；通過調(diào)節(jié)由電阻調(diào)速器與轉(zhuǎn)速顯示器構(gòu)成的頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)頻調(diào)速；通過調(diào)節(jié)偏心輪的滑槽曲柄位置即可調(diào)節(jié)振幅。

1. 偏心輪；2. 連桿；3. 滑塊；4. 調(diào)速器；5. 轉(zhuǎn)速顯示器；6. 果實(shí)夾持裝置；7. 板栗。圖2 振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)Fig. 2 Vibration test device

動(dòng)態(tài)圖像采集系統(tǒng)用于記錄振動(dòng)過程中果實(shí)的振動(dòng)響應(yīng)運(yùn)動(dòng)形態(tài)及脫落時(shí)間。采用美國Vision Research公司Phantom VE0410型高速攝影儀，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定圖像分辨率為1 280×800像素，圖像采集頻率為800 f/s；匹配鏡頭為Nikon公司的AF Zoom-Nikkor 24-85 mm f/2.8-4D IF廣角鏡頭。

試驗(yàn)參數(shù)主要包括振動(dòng)頻率(6，10，14，18和22 Hz)、振幅(5，10和15 mm)、振動(dòng)方向(水平、垂直)及果實(shí)成熟度(Ⅰ、Ⅱ)。因分枝的空間運(yùn)動(dòng)基本可分解為水平與豎直方向的運(yùn)動(dòng)，所以本研究設(shè)置了水平與垂直2種振動(dòng)方向。動(dòng)態(tài)圖像采集時(shí)長(zhǎng)以果實(shí)脫落為終止，如果時(shí)長(zhǎng)達(dá)到15 s果實(shí)仍未脫落，則認(rèn)為果實(shí)無法在該組合參數(shù)下脫落。因此，振動(dòng)最大時(shí)長(zhǎng)控制為15 s。試驗(yàn)重復(fù)性果實(shí)數(shù)為4個(gè)。

利用PCC(phantom camera control)動(dòng)態(tài)圖像視頻分析軟件，分析板栗果實(shí)脫落形式以及板栗果實(shí)中心位置標(biāo)記處的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3 結(jié)果與分析

3.1 板栗基本物理特性

對(duì)板栗果實(shí)的果柄與栗苞的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，栗苞的形態(tài)參數(shù)主要由縱向直徑與橫向直徑表示。對(duì)各數(shù)據(jù)分別進(jìn)行平均處理，結(jié)果見表2。

表2 板栗果實(shí)主要特性參數(shù)Table 2 Main characteristic parameters of chestnut

由表2可知，不同成熟度下的板栗栗苞平均尺寸、果柄平均直徑以及果柄平均長(zhǎng)度并無顯著差異。只是隨著板栗成熟度的增加，果實(shí)質(zhì)量及果柄直徑略有下降。

果柄分離力是影響振動(dòng)機(jī)械采收效果的重要指標(biāo)之一[20-22]，由于成熟度達(dá)到Ⅲ度的板栗栗苞基本處于完全打開狀態(tài)，振動(dòng)采收時(shí)不會(huì)在果柄上斷開脫落，而是果仁(即板栗)直接從栗苞內(nèi)脫離掉落，因此，測(cè)定其果柄結(jié)合力沒有意義。板栗從成熟度Ⅰ至成熟度Ⅱ?qū)?yīng)的果柄分離力下降較大，主要原因是果實(shí)在接近完全成熟前的15 d內(nèi)果柄內(nèi)的脫落酸濃度發(fā)生較大變化，成熟度越高，脫落酸濃度越高，果柄分離力越小[23]。達(dá)到成熟度Ⅱ的板栗已滿足采收成熟度要求，可以采收，而成熟度Ⅰ的板栗屬于未成熟果實(shí)，不應(yīng)采收。測(cè)試結(jié)果表明，成熟度Ⅱ的果柄分離力只有成熟度Ⅰ時(shí)的40.9%。因此，完全可以通過設(shè)定相應(yīng)的激振參數(shù)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同成熟度板栗的階段性采收。同時(shí)，隨著板栗的不斷成熟，果柄內(nèi)脫落酸濃度不斷增加，果柄活力不斷減弱，對(duì)應(yīng)果柄輸送水分的能力不斷下降，從而使板栗的質(zhì)量相應(yīng)減少[14]，這與以上試驗(yàn)結(jié)果一致。

3.2 板栗果實(shí)脫落形式

機(jī)械振動(dòng)采收時(shí)，果實(shí)脫落的方式影響著果實(shí)的收集及損傷。不同果實(shí)的脫落方式不盡相同：傅隆生等[24]利用高速攝影技術(shù)，發(fā)現(xiàn)棗果在振動(dòng)過程中的主要脫落方式是果實(shí)與果柄分離，這與Castro-Garcia等[25]經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)的橄欖果實(shí)主要脫落方式較為相似；蔡菲等[11]發(fā)現(xiàn)，杏果果實(shí)脫落方式主要為果柄與果枝分離。

板栗栗苞隨著成熟度的增加會(huì)逐漸裂開，板栗果實(shí)主要有2種脫落方式：一種為板栗包裹在栗苞內(nèi)隨栗苞一起脫落；另一種是當(dāng)栗苞開口較大時(shí)，栗子自栗苞中掉落，而栗苞仍掛于果枝上。實(shí)際上，板栗脫落分離的方式較復(fù)雜，在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了以下6種脫落形式：1)栗苞開口較大，板栗自動(dòng)脫落或振動(dòng)開始后全部脫落，而栗苞仍掛在果枝上；2)栗苞開口較小，在振動(dòng)過程中板栗不會(huì)從栗苞中脫落，而是整個(gè)栗苞從果柄位置脫落；3)栗苞開口介于1)和2)之間，板栗不會(huì)自動(dòng)脫落，但在振動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)部分板栗從栗苞中分離脫落，而另一部分則與栗苞一起未從樹枝脫落；4)對(duì)于情況3)中，沒有從栗苞中脫落的另一部分板栗與栗苞一起從樹枝上振動(dòng)脫落；5)栗苞完全沒有開口，在激振力作用下栗苞脫落；6)對(duì)于情況5)，在激振力作用下栗苞未脫落。

3.3 板栗果實(shí)振動(dòng)響應(yīng)運(yùn)動(dòng)模式

在振動(dòng)激勵(lì)下，不僅不同果實(shí)具有不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，同一果實(shí)在不同參數(shù)激振下也會(huì)產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)于杏、棗等果柄較長(zhǎng)的果實(shí)，運(yùn)動(dòng)模式通?？煞譃閾u擺型、旋傾型、扭轉(zhuǎn)型、柱型、梁柱型[13]。相比此類果實(shí)果柄，板栗果實(shí)果柄短且粗，為研究板栗果實(shí)的振動(dòng)響應(yīng)運(yùn)動(dòng)模式，本試驗(yàn)提取了板栗果實(shí)在不同振動(dòng)參數(shù)激勵(lì)下的一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)定振動(dòng)周期，通過圖像分析軟件追蹤板栗果實(shí)上的特征點(diǎn)，得到板栗果實(shí)在不同振動(dòng)激勵(lì)下的響應(yīng)運(yùn)動(dòng)模式。

3.3.1 水平方向激振

水平方向激振下果實(shí)運(yùn)動(dòng)形態(tài)示意圖如圖3所示，果實(shí)的果柄夾持固定在激振裝置上，夾持點(diǎn)為P，當(dāng)激振裝置以振幅為A、頻率為f進(jìn)行激振時(shí)，果實(shí)重心(C)的運(yùn)動(dòng)一般會(huì)滯后夾持點(diǎn)一定的相位。如圖3a所示：當(dāng)夾持點(diǎn)從中間點(diǎn)向左運(yùn)動(dòng)至最左端P1位置時(shí)，果實(shí)重心的運(yùn)動(dòng)位置處于C1，對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)位移A1小于振幅A，此時(shí)，P1點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度為0，但處于C1點(diǎn)的果實(shí)運(yùn)動(dòng)速度并不為0，仍具有一定的慣性動(dòng)量；當(dāng)夾持點(diǎn)開始由左向右轉(zhuǎn)向的瞬間，果實(shí)在原有慣性能量作用下繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)果柄處于自由狀態(tài)，即果柄不受力(不考慮垂直方向的重力)；當(dāng)果實(shí)向左運(yùn)動(dòng)至極限位置C2處時(shí)，對(duì)應(yīng)的果實(shí)獲得最大運(yùn)動(dòng)幅值A(chǔ)2，大于振幅A；之后，因夾持點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)向，此時(shí)果柄處于張緊狀態(tài)，在夾持點(diǎn)向右運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)下，又以一定的滯后角度向右運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。果實(shí)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，運(yùn)動(dòng)至2個(gè)末端處會(huì)不斷出現(xiàn)改變方向的擺動(dòng)或甩動(dòng)，則擺動(dòng)或甩動(dòng)引起的水平附加擺動(dòng)幅值為A0=A2-A，果實(shí)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡上產(chǎn)生垂直方向的運(yùn)動(dòng)位移為H。

A為振幅；A1為C1位置對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)位移；A2為最大運(yùn)動(dòng)幅值；H為果實(shí)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡上產(chǎn)生的垂直方向運(yùn)動(dòng)位移；L為果實(shí)中心至果枝的長(zhǎng)度。圖3 水平方向激振下果實(shí)運(yùn)動(dòng)形態(tài)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of fruit movement under horizontal excitation

板栗在水平方向激振模式下的試驗(yàn)結(jié)果見表3，引起果實(shí)中心位置處產(chǎn)生的水平與垂直方向的響應(yīng)幅值A(chǔ)2與H對(duì)應(yīng)表3中的X與Y。當(dāng)激振振幅為5 mm時(shí)，在6～14 Hz激振頻率范圍內(nèi)，板栗產(chǎn)生的垂直方向位移可忽略不計(jì)。因此，板栗以水平方向的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)為主，基本隨著激振裝置夾持點(diǎn)形成同步響應(yīng)運(yùn)動(dòng)。果實(shí)中心點(diǎn)與夾持點(diǎn)的相位滯后較小，在運(yùn)動(dòng)至兩端轉(zhuǎn)向時(shí)，果實(shí)在慣性力作用下向外甩動(dòng)引起的附加擺動(dòng)幅值也較小，但總體來看，激振頻率越大，附加擺動(dòng)幅值越大。

表3 板栗果實(shí)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值Table 3 Movement amplitude of chestnut fruit

通過追蹤果實(shí)上特征標(biāo)記點(diǎn)(圖釘，基本處于果實(shí)重心點(diǎn)處)的運(yùn)動(dòng)軌跡，果實(shí)在激振頻率6～14 Hz區(qū)間，多個(gè)振動(dòng)周期后均會(huì)形成近似直線型的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖4a所示。當(dāng)激振頻率為18 Hz時(shí)，果實(shí)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)在垂直方向的振動(dòng)幅值出現(xiàn)了明顯增大，達(dá)到4.1 mm，而水平方向振動(dòng)幅值與14 Hz時(shí)基本相當(dāng)，主要是果實(shí)在運(yùn)動(dòng)過程中擺動(dòng)幅度加大，從而在垂直方向引起了一定程度的位移，對(duì)應(yīng)的果實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡近似為弧線型(圖4b)。

圖4 水平激振下多個(gè)振動(dòng)周期板栗運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 4 The movement trajectory of chestnut during several vibration periods under horizontal excitation

當(dāng)激振頻率達(dá)到22 Hz時(shí)，果實(shí)在水平方向的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)出現(xiàn)了明顯的減小，僅為2.4 mm，垂直方向也僅為3.7 mm，說明果實(shí)在該頻率下的振動(dòng)響應(yīng)已進(jìn)入了運(yùn)動(dòng)惰性狀態(tài)?；趩巫杂啥葟椈?阻尼-重量系統(tǒng)振動(dòng)理論，當(dāng)外在激振頻率遠(yuǎn)大于系統(tǒng)固有頻率時(shí)，質(zhì)量塊幾乎絕對(duì)靜止在空中原位置處。本研究中的果實(shí)振動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)也可看成單自由度彈簧-阻尼-重量振動(dòng)系統(tǒng)，此時(shí)激振頻率22 Hz已遠(yuǎn)大于果實(shí)的固有頻率，如果此時(shí)果柄的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)且足夠柔，果實(shí)應(yīng)絕對(duì)靜止在空中，但因本研究中的板栗果實(shí)中心至果枝的長(zhǎng)度(L)較短且果柄較硬(圖3b)，果實(shí)在夾持點(diǎn)的強(qiáng)制拖拽下產(chǎn)生了一定位移運(yùn)動(dòng)。當(dāng)夾持點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至最左端的P1時(shí)，果實(shí)位于C1點(diǎn)，此時(shí)夾持點(diǎn)與果實(shí)的運(yùn)動(dòng)速度均為0，果實(shí)不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的運(yùn)動(dòng)，即A1=A2。因此，果實(shí)只在中心位置附近產(chǎn)生較小幅度的搖擺運(yùn)動(dòng)。

以振幅10 mm對(duì)果實(shí)進(jìn)行激振時(shí)，在最小激振頻率6 Hz下，果實(shí)在水平方向產(chǎn)生了明顯的附加振動(dòng)幅值，比激振振幅增加了163.0%，說明夾持點(diǎn)剛運(yùn)動(dòng)至左端P1處就會(huì)帶動(dòng)果實(shí)運(yùn)動(dòng)至C1位置，此時(shí)果實(shí)中貯存的動(dòng)能很大，引起了強(qiáng)烈的向外甩動(dòng)。振幅10 mm引起的附加振動(dòng)幅值A(chǔ)0=16.3 mm 遠(yuǎn)大于振幅5 mm引起的A0=1.0 mm。隨著激振頻率不斷增加至18 Hz，果實(shí)在水平方向的響應(yīng)振動(dòng)幅值反而呈現(xiàn)明顯減小的趨勢(shì)，而垂直方向呈增大趨勢(shì)，果實(shí)的運(yùn)動(dòng)也不再單純以直線型運(yùn)動(dòng)或弧線型運(yùn)動(dòng)，而是在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)伴隨著上下跳動(dòng)或抖動(dòng)，形成如圖4c或d顯示的“8”字型或無序型運(yùn)動(dòng)軌跡。在6～18 Hz范圍內(nèi)，果實(shí)的水平響應(yīng)位移均超過激振振幅，即在左右兩端均存在向外甩動(dòng)或擺動(dòng)現(xiàn)象，但當(dāng)激振頻率為22 Hz時(shí)，響應(yīng)振幅A2=A1，且小于A，說明此時(shí)果實(shí)又呈現(xiàn)出響應(yīng)惰性。

當(dāng)振幅為15 mm時(shí)，果實(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律與振幅為10 mm時(shí)基本一致，果實(shí)均在6 Hz時(shí)產(chǎn)生最大的水平位移與合位移，分別為30.1與34.8 mm，而22 Hz時(shí)的水平位移最小，為14.5 mm，僅略小于激振振幅，同樣出現(xiàn)一定的響應(yīng)惰性。

3.3.2 垂直激振方向

果實(shí)與水平方向激振時(shí)的安裝位置與方向相同，以垂直方向的振幅對(duì)果實(shí)進(jìn)行激振時(shí)，因板栗果實(shí)的果柄與果枝之間不可能完全呈90°的夾角，在保持果柄水平并將其夾持時(shí)，果柄帶著果實(shí)會(huì)偏離垂直方向一定角度θ，如圖5所示，從而使果實(shí)在垂直方向激振時(shí)不能沿垂直方向單一運(yùn)動(dòng)，而是會(huì)伴隨著水平方向的搖擺運(yùn)動(dòng)。當(dāng)果實(shí)上行運(yùn)動(dòng)至P1位置時(shí)，受垂直方向慣性力的作用，會(huì)向上方甩動(dòng)，引起一定的附加擺動(dòng)，產(chǎn)生水平方向的擺動(dòng)幅值X，同時(shí)在垂直方向獲得附加運(yùn)動(dòng)幅值A(chǔ)3。將果實(shí)在垂直方向上的位移記為Y=A+A3，在水平與垂直方向的具體響應(yīng)幅值見表3。

X為水平方向的擺動(dòng)幅值；A3為垂直方向獲得的附加運(yùn)動(dòng)幅值；θ為果實(shí)偏離垂直方向的角度。圖5 垂直振動(dòng)下出現(xiàn)附加運(yùn)動(dòng)位移Fig. 5 Additional motion displacements under vertical vibration

板栗果實(shí)在垂直方向激振模式下，果實(shí)中心位置處的響應(yīng)幅值不僅受激振振幅與頻率的影響，還與果實(shí)中心至果枝的長(zhǎng)度有關(guān)，這會(huì)造成果實(shí)中心處的響應(yīng)幅值規(guī)律性不如水平激振方式下的規(guī)律性顯著。當(dāng)振幅為5和10 mm時(shí)，果實(shí)中心水平方向的擺動(dòng)幅值呈現(xiàn)出隨著頻率的增加而增大的趨勢(shì)；當(dāng)振幅為15 mm時(shí)，果實(shí)中心水平方向的擺動(dòng)幅值波動(dòng)較大；3個(gè)激振振幅下垂直方向的響應(yīng)幅值都存在一定的波動(dòng)性，無明顯變化規(guī)律。

在5 mm激振振幅下，板栗果實(shí)在6 Hz時(shí)產(chǎn)生的橫向位移較小，可忽略不計(jì)，果實(shí)基本隨著激振裝置的夾持點(diǎn)形成同步響應(yīng)運(yùn)動(dòng)，之后隨著激振頻率的增大，板栗果實(shí)出現(xiàn)一定滯后角度的搖擺運(yùn)動(dòng)。通過追蹤果實(shí)中心的運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)在多個(gè)振動(dòng)周期下，板栗果實(shí)都在做穩(wěn)定的圓周運(yùn)動(dòng)，形成類似橢圓形狀的運(yùn)動(dòng)軌跡(圖6a)，直到18 Hz時(shí)，果實(shí)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)伴隨一定程度的跳動(dòng)或抖動(dòng)，使整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中果實(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡變得復(fù)雜無序。在10 mm激振振幅下：板栗果實(shí)在6 Hz時(shí)就出現(xiàn)明顯的搖擺運(yùn)動(dòng)，但此時(shí)果實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡也比較統(tǒng)一，基本為橢圓型；在10～22 Hz時(shí)，隨著頻率的增加，果實(shí)搖擺運(yùn)動(dòng)愈加明顯，同時(shí)果實(shí)的跳動(dòng)與抖動(dòng)也更加顯著，單個(gè)周期下板栗果實(shí)仍做近似橢圓的運(yùn)動(dòng)，但每個(gè)振動(dòng)周期的板栗果實(shí)中心處運(yùn)動(dòng)軌跡無法重合(圖6b)，形成無序型運(yùn)動(dòng)軌跡。在15 mm激振振幅下，果實(shí)的運(yùn)動(dòng)模式和運(yùn)動(dòng)軌跡與10 mm振幅時(shí)的規(guī)律基本一致，但果實(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值波動(dòng)更大。

圖6 垂直振動(dòng)下板栗果實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 6 Movement track of chestnut fruit under vertical vibration

3.4 板栗果實(shí)脫落情況

果實(shí)脫落是評(píng)價(jià)激振參數(shù)設(shè)置是否合理的終極目標(biāo)。為了研究不同成熟度下的板栗果實(shí)在不同參數(shù)激振下的脫落情況，進(jìn)行組合參數(shù)振動(dòng)落果試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 板栗果實(shí)脫落個(gè)數(shù)和脫落時(shí)間Table 4 The number and time of chestnut fruit shedding

5 mm激振振幅時(shí)：在水平激振模式下，對(duì)于成熟度Ⅰ的果實(shí)，激振頻率無論多大均無法使果實(shí)脫落，對(duì)于成熟度Ⅱ的果實(shí)也需在激振頻率達(dá)到18 Hz時(shí)才開始脫落，達(dá)到最大頻率22 Hz時(shí)才能將所有果實(shí)均振落；垂直激振模式下，對(duì)應(yīng)的各激振頻率均不易將成熟度Ⅰ的果實(shí)振落，但對(duì)于成熟度Ⅱ的果實(shí)，當(dāng)激振頻率達(dá)到10 Hz時(shí)已能將少量果實(shí)振落，且隨著頻率的增加，振落果實(shí)的比例越來越大，直至最大激振頻率22 Hz時(shí)可將果實(shí)全部振落，說明垂直激振模式比水平激振模式更易振落下成熟度Ⅱ的果實(shí)。在10與15 mm振幅分別激振時(shí)，成熟度Ⅱ的果實(shí)無論在水平還是垂直激振模式下均全部脫落，只在一種情況(垂直、10 mm、6 Hz組合模式)下脫落了3個(gè)果實(shí)；成熟度Ⅰ的果實(shí)均只在22 Hz激振頻率下才能全部脫落，說明在該激振頻率下果實(shí)呈現(xiàn)惰性響應(yīng)狀態(tài)，使果實(shí)受到的動(dòng)態(tài)分離力最大，才能使具有較大果柄靜態(tài)結(jié)合力的成熟度Ⅰ的果實(shí)分離脫落；其他各種組合模式下，果實(shí)脫落數(shù)量均隨激振頻率與振幅增加而呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

板栗果實(shí)的脫落個(gè)數(shù)主要受振幅、頻率以及板栗成熟度的影響。要能將成熟度Ⅰ和Ⅱ的板栗果實(shí)在同一組激振參數(shù)下實(shí)現(xiàn)不同的脫落要求，即將成熟度Ⅱ的果實(shí)全部振落，而將成熟度Ⅰ的果實(shí)全部保留，則可采用水平高頻小振幅(5 mm、22 Hz)或水平低頻中等振幅(10 mm、6～10 Hz)的水平激振模式，也可采用垂直低頻大振幅(15 mm、6 Hz)的垂直激振模式實(shí)現(xiàn)分成熟度的有效采收。

3.5 板栗果實(shí)脫落時(shí)間

果實(shí)在振動(dòng)激勵(lì)下掛在果枝上的持續(xù)時(shí)間是衡量激振參數(shù)與激振模式是否有效的重要指標(biāo)，同時(shí)也為振動(dòng)采收裝置確定合適的激振時(shí)間提供了理論依據(jù)。激振時(shí)間過短，會(huì)使應(yīng)可脫落的果實(shí)來不及脫落，造成采凈率過低；激振時(shí)間過長(zhǎng)，不僅造成不必要的能量損失，還會(huì)導(dǎo)致果實(shí)和果樹的損傷。對(duì)應(yīng)上述果實(shí)脫落試驗(yàn)記錄果實(shí)脫落時(shí)間，每組試驗(yàn)的平均脫落時(shí)間見表4。

從表4中可以看出：當(dāng)振幅一定時(shí)，無論是水平激振或垂直激振的方式，2種成熟度下的板栗果實(shí)脫落時(shí)間都隨頻率的增加而減少；當(dāng)頻率一定時(shí)，隨著振幅的增大，板栗果實(shí)的脫落時(shí)間亦呈下降趨勢(shì)；在一定的振幅與頻率下，成熟度Ⅱ下的板栗果實(shí)脫落時(shí)間明顯低于成熟度Ⅰ下的板栗果實(shí)；總體而言，垂直激振相比水平激振，果實(shí)脫落所需的時(shí)間更長(zhǎng)。

結(jié)合上述不同組合參數(shù)激振下板栗果實(shí)擺動(dòng)幅值與運(yùn)動(dòng)軌跡的變化情況，可知當(dāng)板栗果實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡更加規(guī)則(如直線型、弧線型、橢圓型)時(shí)，果實(shí)脫落時(shí)間稍長(zhǎng)于在無序型運(yùn)動(dòng)軌跡下的脫落時(shí)間。在水平方向振動(dòng)下，果實(shí)在高頻下脫落時(shí)間較短，但此時(shí)果實(shí)的擺動(dòng)幅值略小于低頻下脫落時(shí)間較長(zhǎng)的果實(shí)，產(chǎn)生一定的響應(yīng)惰性；而在垂直振動(dòng)下，果實(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值波動(dòng)較大，與脫落時(shí)間并無明顯的聯(lián)系。

板栗果實(shí)脫落時(shí)間集中在5 s以內(nèi)，僅有少量果實(shí)脫落時(shí)間超過5 s。當(dāng)振幅為10和15 mm、頻率為22 Hz時(shí)，水平振動(dòng)方式與垂直振動(dòng)方式下2種成熟度的板栗果實(shí)脫落時(shí)間都極短，平均僅為0.37 s，2種成熟度下板栗果實(shí)脫落時(shí)間并無顯著性差異，2種激振方式下板栗果實(shí)脫落時(shí)間亦無顯著性差異。顯然，板栗果實(shí)能否振動(dòng)脫落，在很短的激振時(shí)間內(nèi)就能確定，如果超過5 s還無法振落，則表示該組激振參數(shù)無法有效使該果實(shí)振落。因此，采用機(jī)械采收的激振時(shí)間可設(shè)置為5～8 s，過長(zhǎng)的激振時(shí)間沒有實(shí)際意義。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)運(yùn)用高速攝影儀對(duì)板栗果實(shí)動(dòng)態(tài)分離過程進(jìn)行了追蹤，通過分析得出以下結(jié)論。

1)板栗果實(shí)振動(dòng)脫落分離的方式復(fù)雜多樣，主要為果柄與果枝分離，以及栗子自栗苞中脫落的方式。對(duì)于達(dá)到八成熟已滿足采收要求的果實(shí)，其靜態(tài)結(jié)合力遠(yuǎn)小于達(dá)不到采收要求的成熟度Ⅰ的板栗，這為采收機(jī)械實(shí)現(xiàn)成熟度選擇性采收提供了基本條件。

2)板栗果實(shí)在不同激振參數(shù)組合下形成的水平與垂直響應(yīng)位移差異較大，對(duì)應(yīng)的響應(yīng)運(yùn)動(dòng)軌跡也較多。在小振幅低頻率下激振，果實(shí)只引起了微小的附加位移，運(yùn)動(dòng)軌跡以直線型或弧線型為主；但在10和15 mm的較大振幅下，低頻激振引起的附加位移較大，為激振振幅的1倍左右，但隨著頻率的增大會(huì)使附加振幅呈減小趨勢(shì)，且當(dāng)激振頻率達(dá)到22 Hz時(shí)，無論對(duì)應(yīng)哪個(gè)激振振幅，均會(huì)使果實(shí)呈現(xiàn)出惰性響應(yīng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3)在同樣的激振模式與激振參數(shù)下，成熟度Ⅰ和Ⅱ的果實(shí)脫落率差異較大，只有當(dāng)最大激振頻率為22 Hz時(shí)才能將幾乎所有果實(shí)均振落，說明果實(shí)在該激振頻率下呈現(xiàn)惰性響應(yīng)狀態(tài)。只有當(dāng)果實(shí)受到的動(dòng)態(tài)分離力最大，才能使具有較大果柄靜態(tài)結(jié)合力的成熟度Ⅰ的果實(shí)分離脫落。

4)水平激振模式下振幅5 mm、頻率22 Hz，或振幅10 mm、頻率6～10 Hz，以及垂直振動(dòng)模式下振幅15 mm、頻率6 Hz，這些組合激振形式均能將成熟度Ⅰ和Ⅱ的果實(shí)實(shí)現(xiàn)選擇性采收，且激振時(shí)間設(shè)置為5～8 s較合適。

本研究通過建立專用激振試驗(yàn)臺(tái)，并利用高速攝影技術(shù)對(duì)板栗果實(shí)振動(dòng)脫落特性進(jìn)行了研究。因板栗果實(shí)采收期較短，單一果實(shí)的整套試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，使得本研究的試驗(yàn)重復(fù)樣本量較少，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響。但總體上，本研究在一定程度上總結(jié)出了一些規(guī)律性結(jié)論，可為板栗振動(dòng)采收機(jī)理研究提供指導(dǎo)。