釀酒葡萄振動(dòng)分離試驗(yàn)研究

李亞萍，李成松，坎 雜，蒙賀偉，路士興

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.山東省濰坊監(jiān)獄，山東 濰坊 261011)

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釀酒葡萄振動(dòng)分離試驗(yàn)研究

李亞萍1，李成松1，坎 雜1，蒙賀偉1，路士興2

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.山東省濰坊監(jiān)獄，山東 濰坊 261011)

隨著新疆釀酒葡萄種植面積的不斷擴(kuò)大，人工收獲存在的勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低等問(wèn)題日益突出，已成為制約釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展的重要方面。為此，在自制的振動(dòng)分離率測(cè)定裝置上，以電機(jī)轉(zhuǎn)速、偏心距離及搖桿長(zhǎng)度作為影響因素，分離率為性能指標(biāo)，確立了試驗(yàn)方案并進(jìn)行了振動(dòng)分離試驗(yàn)，分析了影響振動(dòng)采收效果的主要因素，確定了各參數(shù)最優(yōu)組合。試驗(yàn)結(jié)果表明：影響釀酒葡萄分離率的主次順序?yàn)槠木嚯x、搖桿長(zhǎng)度和電機(jī)轉(zhuǎn)速，最優(yōu)參數(shù)組合為偏心距離75mm、搖桿長(zhǎng)度320mm、轉(zhuǎn)速245r/min。試驗(yàn)結(jié)果為設(shè)計(jì)基于葡萄藤蔓振動(dòng)的釀酒葡萄振動(dòng)分離裝置提供了理論依據(jù)。

釀酒葡萄；振動(dòng)分離；最優(yōu)參數(shù)

0 引言

葡萄產(chǎn)業(yè)是新疆特色林果產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。近年來(lái)，依托新疆農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)大調(diào)整和大力發(fā)展特色產(chǎn)業(yè)契機(jī)，新疆葡萄種植面積、產(chǎn)量和深加工能力均得到大幅提高[1]。目前，新疆葡萄種植用工量占葡萄生產(chǎn)用工量近50%的收獲環(huán)節(jié)完全依靠人工，存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低等突出問(wèn)題，嚴(yán)重制約了釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)的健康、快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)釀酒葡萄機(jī)械化采收勢(shì)在必行[2-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)釀酒葡萄、藍(lán)莓等林果的機(jī)械化收獲作業(yè)主要采用振動(dòng)方式，其主要通過(guò)裝置產(chǎn)生一定頻率和振幅的振動(dòng)，迫使枝干上的果實(shí)與樹(shù)枝或果蒂分離，從而實(shí)現(xiàn)果實(shí)的采收[5-8]。國(guó)外開(kāi)展此類研究的有Pezzi、Polat、 Loghavi、Sessiz及Queiroz等[9-13]，國(guó)內(nèi)有王業(yè)成、陳海濤、王長(zhǎng)勤及杜小強(qiáng)等[14-17]。

以上研究表明：振動(dòng)是進(jìn)行林果收獲的有效途徑。為此，本文針對(duì)新疆釀酒葡萄主要種植品種，在自制振動(dòng)分離率測(cè)定裝置上進(jìn)行了振動(dòng)分離試驗(yàn)[18]，分析了影響振動(dòng)采收效果的主要因素，確定了各參數(shù)最優(yōu)組合，為設(shè)計(jì)基于葡萄藤蔓振動(dòng)的釀酒葡萄振動(dòng)分離裝置提供了理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)測(cè)定裝置結(jié)構(gòu)與功能分析

1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

振動(dòng)分離率測(cè)定裝置主要由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、Y100L-6型電機(jī)及HDII.5E4L變頻器等組成，如圖1(a)所示。其中，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為核心部件，主要為振動(dòng)機(jī)構(gòu)提供一定頻率和振幅的變速運(yùn)動(dòng)，主要由搖桿、連桿、偏心盤(pán)等組成，如圖1(b)所示。

1.2 工作原理

工作過(guò)程中，葡萄串通過(guò)夾具夾持固定在搖桿上，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后，驅(qū)動(dòng)偏心盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心盤(pán)通過(guò)連桿、調(diào)節(jié)片、搖桿等帶動(dòng)夾持的葡萄串產(chǎn)生擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中，裝置擺動(dòng)頻率、偏心距以及搖桿長(zhǎng)度等參數(shù)可調(diào)。

1.變頻器 2.機(jī)架 3.偏心盤(pán) 4.連桿 5.電機(jī)

1.3 裝置功能分析

由于葡萄果粒單重較小且果柄相對(duì)較粗，因此葡萄串的主要運(yùn)動(dòng)形式為擺動(dòng)?；诖耍⑵咸逊蛛x原理圖如圖2所示。

Lz—葡萄枝干 Ls—葡萄果穗梗

圖2中，A處采用剛性連接并有一定的彈性，并在兩者連接處A點(diǎn)施加一個(gè)強(qiáng)迫振動(dòng)，由此帶動(dòng)葡萄果粒懸掛點(diǎn)B在水平面內(nèi)進(jìn)行振動(dòng)。

基于此原理，通過(guò)對(duì)釀酒葡萄振動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，得出葡萄振動(dòng)分離條件為

m0A2ω2l′-1cos2ωt>F0

(1)

式中F0—葡萄粒同果蒂臨界連接力，由試驗(yàn)測(cè)得F0=5～13N；

m0—葡萄單粒質(zhì)量(kg)；

A—強(qiáng)迫振幅(mm)；

ω—強(qiáng)迫振動(dòng)頻率(Hz)；

l′—果粒中心與B的連線長(zhǎng)度(mm)。

由此可知：葡萄實(shí)現(xiàn)有效分離與強(qiáng)迫振動(dòng)幅度、強(qiáng)迫振動(dòng)頻率與果粒中心與B的連線長(zhǎng)度等有關(guān)。因此，設(shè)計(jì)完成的試驗(yàn)裝置應(yīng)實(shí)現(xiàn)葡萄振動(dòng)分離過(guò)程中擺動(dòng)頻率、偏心距及搖桿長(zhǎng)度等參數(shù)的可調(diào)。

1.4 功能實(shí)現(xiàn)

1)頻率調(diào)整：試驗(yàn)裝置動(dòng)力由Y100L-6型電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)額定電壓380V，額定頻率50Hz，采用Y接法聯(lián)接。為了實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)整功能，本裝置采用HDII.5E4L變頻器對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)頻，從而完成葡萄串?dāng)[動(dòng)頻率的調(diào)整。

2)偏心距調(diào)整：偏心距即連桿與偏心盤(pán)間的距離，本試驗(yàn)裝置采用在偏心盤(pán)的不同位置開(kāi)孔，并通過(guò)調(diào)整連桿與偏心盤(pán)孔間安裝位置，從而實(shí)現(xiàn)距離的調(diào)整。依據(jù)設(shè)計(jì)要求，本試驗(yàn)裝置偏心距調(diào)整范圍為35～75mm。偏心距調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 偏心距調(diào)整機(jī)構(gòu)圖

3)搖桿長(zhǎng)度調(diào)整：搖桿長(zhǎng)度調(diào)整機(jī)構(gòu)主要由調(diào)節(jié)片、搖桿以及聯(lián)接件等組成，調(diào)節(jié)片上設(shè)置有一定間距的調(diào)節(jié)孔。工作過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)片與搖桿的安裝位置實(shí)現(xiàn)搖桿長(zhǎng)度的調(diào)整。本裝置搖桿長(zhǎng)度調(diào)整范圍為200～60mm，搖桿長(zhǎng)度調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 搖桿長(zhǎng)度調(diào)整機(jī)構(gòu)圖

4)夾持機(jī)構(gòu)：葡萄串夾持機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)、定夾頭和夾緊螺栓組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)夾持機(jī)構(gòu)將葡萄串穗柄夾持固定在搖桿末端。

圖5 葡萄串夾持機(jī)構(gòu)

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 材料

1)釀酒葡萄品種：赤霞珠。

2)產(chǎn)地：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師152團(tuán)。

3)采樣日期：9月14日。

2.2 儀器與設(shè)備

振動(dòng)分離率測(cè)定裝置、變頻器(北京唯天創(chuàng)杰電氣設(shè)備有限公司NVF2-5.5)。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過(guò)分離率考核振動(dòng)分離質(zhì)量，分離率通過(guò)計(jì)數(shù)法獲得，即振動(dòng)分離率測(cè)定裝置停止工作后，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算振動(dòng)落果個(gè)數(shù)占果粒總數(shù)的比例，則

Pr=Nr/(Nr+Nu)×100%

(2)

式中Pr—分離率(%)；

Nr—振動(dòng)落果個(gè)數(shù)(個(gè))；

Nu—振動(dòng)未脫落果實(shí)個(gè)數(shù)(個(gè))。

2.4 試驗(yàn)安排

試驗(yàn)選取電機(jī)轉(zhuǎn)速G、偏心距H、搖桿長(zhǎng)度Q三因素為考察因素，對(duì)裝置分離率進(jìn)行試驗(yàn)，并設(shè)定作用時(shí)間為10s。試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)變頻器調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)裝置振動(dòng)頻率的調(diào)整，通過(guò)夾具將釀酒葡萄串穗柄夾持固定在搖桿末端，按照L9(34)正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)。其中，每組分離試驗(yàn)進(jìn)行3次，取其均值作為試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)安排如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素與水平

表2 試驗(yàn)安排表

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

按照表2進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定分離率數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.2 極差分析

利用SPSS對(duì)其進(jìn)行極差分析，各因素影響分離率曲線如圖6所示，極差分析結(jié)果如表4所示。

圖6 各因素影響曲線

水平電機(jī)轉(zhuǎn)速G圓盤(pán)偏心距H搖桿長(zhǎng)度Q178.5174.3088.92282.9682.5786.85386.9891.5972.68極差8.4717.2716.24排秩312

由此可知：各因素極差的大小順序?yàn)椋篟H>RQ>RG，即因素H(偏心距離)為釀酒葡萄分離率的主要影響因素，其次為因素Q(搖桿長(zhǎng)度)和因素G(轉(zhuǎn)速)。K3G>K2G>K1G，K3H>K2H>K1H，K1Q>K2Q>K3Q。因此，振動(dòng)分離最優(yōu)組合為：G3H3Q1。

3.3 討論

通過(guò)以上分析可知，正交試驗(yàn)各影響因素的最優(yōu)方案G3H3Q1，即搖桿長(zhǎng)度為320mm、轉(zhuǎn)速為245r/min、偏心距離為75mm，此時(shí)釀酒葡萄分離達(dá)到95.2%。

4 結(jié)論

1)以自制葡萄串振動(dòng)分離率測(cè)定裝置為基礎(chǔ)，將電機(jī)轉(zhuǎn)速、偏心距離及搖桿長(zhǎng)度作為試驗(yàn)影響因素，以分離率為性能指標(biāo)，確立了試驗(yàn)方案，并進(jìn)行了正交試驗(yàn)。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明：影響釀酒葡萄分離率的主次順序?yàn)槠木嚯x、搖桿長(zhǎng)度和電機(jī)轉(zhuǎn)速。在此基礎(chǔ)上，確立了最優(yōu)參數(shù)，即當(dāng)偏心距離為75mm、搖桿長(zhǎng)度為320mm、轉(zhuǎn)速為245r/min時(shí)分離率最優(yōu)。

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Testing and Study on Vibration Separate of Wine Grapes

Li Yaping1, Li Chengsong1, Kan Za1, Meng Hewei1, Lu Shixing2

(1.College of Mechanical and Electronical Engineering, Shihezi University,Shihezi 832000, China; 2.Shandong Province's Weifang Prison, Weifang 261011, China)

With the ever increase of Xinjiang wine grapes planting area, there are some prominent problems with manual harvesting, high labor intensity and low efficiency, which has been an important aspects that restricting wine grapes industry healthy and rapid development. In this paper, self-made measurement equipment of vibration separation rate was accomplished, motor speed, eccentric distance and the length of rocking bar were viewed as test factors, and separation rate as performance indicators, the experimental scheme was established, and made an orthogonal test. The vibration separation experiment was carried out. What is more, this paper analyzes main factors to influence the effect of vibration picking, and the optimal parameters combination was determined. The results showed that the order of primary and secondary factors influencing the separation radio of wine grape was eccentric distance, the length rocking bar and motor speed, respectively. The optimal combination parameters were 75mm of eccentric distance, 320mm of rocker arm length, 245r/min of rotating speed. It provided theoretical basis of the test results for the design of the vibration separation device of wine grape based on the vibration grape vines.

wine grapes; vibration separate;optimal parameter

2016-09-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465051)；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)工業(yè)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2013BA009)

李亞萍(1980-)，女，黑龍江虎林人，副教授，碩士，(E-mail)lyp_shz@shzu.edu.cn。

蒙賀偉(1982-)，男，新疆伊犁人，副教授，碩士， (E-mail)mhw_mac@shzu.edu.cn。

S225.93；S220.3

A

1003-188X(2017)10-0029-05