海棠果树动力学特性研究范文

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摘要:研究了果树在外界载荷作用下，果树形态结构(果枝直径，分叉角度)对能量传播速度及能量在分叉位置处分流情况的影响。选择1棵“Y”型果树进行室内试验，激振载荷选择冲击载荷和正弦连续振动载荷。在冲击试验中，得出各测点加速度曲线第1次出现波峰或波谷的时间差，从而计算出能量从某一测点传递到相邻测点的传播速度;在连续试验中，对得到的加速度信号进行曲线拟合，将得到的加速度拟合函数进行积分得到速度函数，进而求出果枝上各测点的动能，将这部分动能视为振动传递到各测点的能量。根据得出的拟合函数可知:在正弦激振载荷作用下，果枝上的加速度信号呈正弦函数分布，并且激振频率与果枝加速度频率几乎一致。研究表明:能量在主干上的传播速度大于在枝干上的传播速度，分叉角度越小，能量传播速度越大;能量在流经分叉点处时，产生分流，能量更多地流向枝干直径大的一侧。

关键词:海棠果树;动力学特性;能量分流;曲线拟合

0引言

丰富的土地资源、充足的光热条件等优势，使林果业成为新疆当地独具特色的支柱性产业。传统的人工收获水果的速度缓慢且成本较高，部分成熟果实因不能及时采摘而坏掉，给果农造成一定的经济损失，严重影响了果农的种植积极性。若要大面积发展水果种植业，可通过依靠机械化来提高采摘效率。目前，比较常用的机械化振动采收器械是通过振动式或冲击式激振果树，使果实脱落。振动式收获能够快速、有效地分离成熟果实，适合大面积、规模化果品生产。机械采收技术自20世纪60年代开始研究，到目前取得了一定的研究成果。Fridley(1965)发现，果树能量的传递与激振频率、位置和振幅有关。Yung和Fridley(1975)为了分析整棵树的动态特性与振动激励参数关系，将果树简化为由树干—枝条、树叶—嫩枝、果实—果柄3种不同力学特性单元组成的集合体进行研究。Shi－ShuennChen、S．K．J．U．Savary、LongHe(2006、2010、2013)等人认为，果树不同的形态结构会不同程度影响振动能量的传递，对果树进行合理的修剪，可以提高果实采摘效率［6－8］。Erdogˇan和JianfengZhou(2003、2014)等人发现，树枝的刚度随着直径的增大而增大，振动能量在刚度大的区域传递效率更高，进一步说明果实采摘效率与果枝的激振位置相关。Castro－Garcia(2008)等人运用模态分析研究了果树的振动参数、固有频率和阻尼比。J．A．Gil－Ribes(2008)等人认为，果树振动的衰减受内部阻尼及外部空气阻力影响，果树振动可以视为耦合阻尼振动，在激振过程中出现树枝局部共振区［12］。郑甲红(2014)等人对树体枝干进行三维实体建模、模态分析和频率谐响应分析，得出激振频率为24Hz时振幅较好。本文从能量传播速度和能量在果枝分叉点处分流情况着手，探究能量传播速度与分叉点处能量分流多少与果树形态结构(果枝直径、分叉角度)的关系，进一步研究果树动态特性。

1材料与方法

1．1试验材料

试验用果树样本选择新疆大学校园内有着5年树龄的海棠果树，试验时间为2016年7月28日，试验在实验室内完成。为防止果枝水分蒸发，果树移到实验室后立刻进行试验，根据果树田间实际生长情况，树干根部用夹持装置固定，果树为“Y”型果树，包括树干、两根主枝和部分侧枝。果树在宏观形态结构上是由主干、分枝和树叶所组成的分层结构。本文对海棠果树做如下定义:由主干分生出第1层分枝为一级枝干，用bi表示。

1．2仪器与设备

摆锤、振动试验台DC－600－6、SV－0505水平滑台、功率放大器SA－5、RC－300－2振动控制仪、DH5922N动态信号测试分析系统、压电式加速度传感器DH311E、GHDAS软件、铁片、胶水及米尺等。

1．3试验流程

为了更好地研究果树动力学特性，采用两种激振载荷作用于激振位置，即连续振动载荷与冲击载荷。在冲击试验中，冲击载荷来自于摆锤，将摆锤放置到一定高度释放，摆锤下落到最低点时正好击打在激振位置处。在连续振动载荷试验中，设置振动试验台参数为正弦振动载荷，即x=Asin(2πft)。其中，x为激振位移;A为激振振幅;f为激振频率。设置激振频率f=10、12．5、15、17．5、20Hz，振幅A=3、4、5mm。设置DH5922N动态信号测试分析系统的采样频率为10kHz。果树相邻两测点间距为20cm，本树的测点3、4、5到分叉点的距离均为10cm，即能量从一测点传递到另一测点的路径为20cm。所有加速度传感器的安装方向与激振载荷方向一致。由于实验室加速度传感器仅有5个，上述两组试验分两次完成:第1次先采集1、2、3、4、5测点的加速度信号;第2次，在同等激振载荷作用下，采集6、7、8、9、10测点的加速度信号。

1．4数据处理

采用MatLab软件进行数据处理。

2冲击试验

对冲击试验加速度信号进行分析，得到各测点加速度－时间曲线。加速度由激振点以振动波的形式依次传播到果树枝干各位置，即能量也是以波的形式传播。假设m、n为相邻两测点，距离为L，m、n两测点的加速度曲线第1次出现波峰的时间差用tmn表示，波的平均传播速度为vmn。加速度在传播过程中，传播速度不断减小，原因是树干为有阻尼系统，且受空气阻力影响，在过程中伴随有能量损失;加速度在主干上的传播速度要大于在主枝上的传播速度，原因是果枝的刚度随果枝直径的增大而增大，果枝刚度越大，加速度传播速度越大;当加速度传递到分叉点位置时，由于两侧枝的耦合作用引起加速度方向发生变化，同时造成部分能量损失，传播速度变小更加明显。

3连续试验

在连续振动载荷中，将测得的加速度信号进行曲线拟合。拟合函数为正弦函数变化。同时，通过分析得出:在激振频率f为10、12．5、15、17．5、20Hz下，各测点加速度拟合函数角频率ω随激振频率f的改变呈现一定的规律性。

4结论

1)加速度在主干上的传播速度大于在主枝和侧枝上的传播速度。加速度传递到分叉点位置时，传播速度减小更加明显。加速度传播速度与分叉角度相关，分叉角度越小，加速度传播速度越大。

2)在果枝内部阻尼结构及空气阻力的影响下，加速度在传播过程中伴随有能量损失，加速度的传播速度不断减小。

3)果树在正弦激振载荷作用下，果枝上的加速度值呈正弦函数分布，且激振频率与加速度值频率相近。能量传递到分叉点处产生分流，能量更多地流向果枝直径大的一侧。

参考文献:

［1］董丹丹，王尉，张经华．新疆特色林果业食品发展现状［J］．广东化工，2015(10):102－103．

［2］梁勤安，楚耀辉．新疆特色水果机械化收获问题的探索［J］．新疆农机化，2006(4):41－53．

［3］陈都，杜小强．振动式果品收获技术机理分析及研究进展［J］．农业工程学报，2011，27(8):195－200．

作者：刘子龙；王春耀；许正芳；张智；张姚斌 单位：新疆大学