海棠果樹動力學特性研究范文

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摘要:研究了果樹在外界載荷作用下，果樹形態結構(果枝直徑，分叉角度)對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”型果樹進行室內試驗，激振載荷選擇沖擊載荷和正弦連續振動載荷。在沖擊試驗中，得出各測點加速度曲線第1次出現波峰或波谷的時間差，從而計算出能量從某一測點傳遞到相鄰測點的傳播速度;在連續試驗中，對得到的加速度信號進行曲線擬合，將得到的加速度擬合函數進行積分得到速度函數，進而求出果枝上各測點的動能，將這部分動能視為振動傳遞到各測點的能量。根據得出的擬合函數可知:在正弦激振載荷作用下，果枝上的加速度信號呈正弦函數分布，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;能量在流經分叉點處時，產生分流，能量更多地流向枝干直徑大的一側。

關鍵詞:海棠果樹;動力學特性;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勢，使林果業成為新疆當地獨具特色的支柱性產業。傳統的人工收獲水果的速度緩慢且成本較高，部分成熟果實因不能及時采摘而壞掉，給果農造成一定的經濟損失，嚴重影響了果農的種植積極性。若要大面積發展水果種植業，可通過依靠機械化來提高采摘效率。目前，比較常用的機械化振動采收器械是通過振動式或沖擊式激振果樹，使果實脫落。振動式收獲能夠快速、有效地分離成熟果實，適合大面積、規模化果品生產。機械采收技術自20世紀60年代開始研究，到目前取得了一定的研究成果。Fridley(1965)發現，果樹能量的傳遞與激振頻率、位置和振幅有關。Yung和Fridley(1975)為了分析整棵樹的動態特性與振動激勵參數關系，將果樹簡化為由樹干—枝條、樹葉—嫩枝、果實—果柄3種不同力學特性單元組成的集合體進行研究。Shi－ShuennChen、S．K．J．U．Savary、LongHe(2006、2010、2013)等人認為，果樹不同的形態結構會不同程度影響振動能量的傳遞，對果樹進行合理的修剪，可以提高果實采摘效率［6－8］。Erdogˇan和JianfengZhou(2003、2014)等人發現，樹枝的剛度隨著直徑的增大而增大，振動能量在剛度大的區域傳遞效率更高，進一步說明果實采摘效率與果枝的激振位置相關。Castro－Garcia(2008)等人運用模態分析研究了果樹的振動參數、固有頻率和阻尼比。J．A．Gil－Ribes(2008)等人認為，果樹振動的衰減受內部阻尼及外部空氣阻力影響，果樹振動可以視為耦合阻尼振動，在激振過程中出現樹枝局部共振區［12］。鄭甲紅(2014)等人對樹體枝干進行三維實體建模、模態分析和頻率諧響應分析，得出激振頻率為24Hz時振幅較好。本文從能量傳播速度和能量在果枝分叉點處分流情況著手，探究能量傳播速度與分叉點處能量分流多少與果樹形態結構(果枝直徑、分叉角度)的關系，進一步研究果樹動態特性。

1材料與方法

1．1試驗材料

試驗用果樹樣本選擇新疆大學校園內有著5年樹齡的海棠果樹，試驗時間為2016年7月28日，試驗在實驗室內完成。為防止果枝水分蒸發，果樹移到實驗室后立刻進行試驗，根據果樹田間實際生長情況，樹干根部用夾持裝置固定，果樹為“Y”型果樹，包括樹干、兩根主枝和部分側枝。果樹在宏觀形態結構上是由主干、分枝和樹葉所組成的分層結構。本文對海棠果樹做如下定義:由主干分生出第1層分枝為一級枝干，用bi表示。

1．2儀器與設備

擺錘、振動試驗臺DC－600－6、SV－0505水平滑臺、功率放大器SA－5、RC－300－2振動控制儀、DH5922N動態信號測試分析系統、壓電式加速度傳感器DH311E、GHDAS軟件、鐵片、膠水及米尺等。

1．3試驗流程

為了更好地研究果樹動力學特性，采用兩種激振載荷作用于激振位置，即連續振動載荷與沖擊載荷。在沖擊試驗中，沖擊載荷來自于擺錘，將擺錘放置到一定高度釋放，擺錘下落到最低點時正好擊打在激振位置處。在連續振動載荷試驗中，設置振動試驗臺參數為正弦振動載荷，即x=Asin(2πft)。其中，x為激振位移;A為激振振幅;f為激振頻率。設置激振頻率f=10、12．5、15、17．5、20Hz，振幅A=3、4、5mm。設置DH5922N動態信號測試分析系統的采樣頻率為10kHz。果樹相鄰兩測點間距為20cm，本樹的測點3、4、5到分叉點的距離均為10cm，即能量從一測點傳遞到另一測點的路徑為20cm。所有加速度傳感器的安裝方向與激振載荷方向一致。由于實驗室加速度傳感器僅有5個，上述兩組試驗分兩次完成:第1次先采集1、2、3、4、5測點的加速度信號;第2次，在同等激振載荷作用下，采集6、7、8、9、10測點的加速度信號。

1．4數據處理

采用MatLab軟件進行數據處理。

2沖擊試驗

對沖擊試驗加速度信號進行分析，得到各測點加速度－時間曲線。加速度由激振點以振動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m、n為相鄰兩測點，距離為L，m、n兩測點的加速度曲線第1次出現波峰的時間差用tmn表示，波的平均傳播速度為vmn。加速度在傳播過程中，傳播速度不斷減小，原因是樹干為有阻尼系統，且受空氣阻力影響，在過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;當加速度傳遞到分叉點位置時，由于兩側枝的耦合作用引起加速度方向發生變化，同時造成部分能量損失，傳播速度變小更加明顯。

3連續試驗

在連續振動載荷中，將測得的加速度信號進行曲線擬合。擬合函數為正弦函數變化。同時，通過分析得出:在激振頻率f為10、12．5、15、17．5、20Hz下，各測點加速度擬合函數角頻率ω隨激振頻率f的改變呈現一定的規律性。

4結論

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

2)在果枝內部阻尼結構及空氣阻力的影響下，加速度在傳播過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分布，且激振頻率與加速度值頻率相近。能量傳遞到分叉點處產生分流，能量更多地流向果枝直徑大的一側。

參考文獻:

［1］董丹丹，王尉，張經華．新疆特色林果業食品發展現狀［J］．廣東化工，2015(10):102－103．

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

［3］陳都，杜小強．振動式果品收獲技術機理分析及研究進展［J］．農業工程學報，2011，27(8):195－200．

作者：劉子龍；王春耀；許正芳；張智；張姚斌 單位：新疆大學