库尔勒香梨梨柄区域采摘损伤力学模型及试验研究

安 静 王金东 兰海鹏 刘文亮 李风娟

(塔里木大学机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔 843000)



库尔勒香梨梨柄区域采摘损伤力学模型及试验研究

安 静 王金东 兰海鹏 刘文亮 李风娟*

(塔里木大学机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔 843000)

为研究不同的采摘方式对库尔勒香梨梨柄区域梨体的损伤程度，本研究基于静力学思想建立了不同采摘方式对梨柄与梨体接触位置作用的力学模型，并根据实际采摘要求进行了试验验证。试验结果表明：拉拽、扭转、弯折三种采摘方式中，拉拽对库尔勒香梨梨柄区域梨体的损伤程度最小，因此香梨的最佳采摘方式是拉拽，这与基于静力学思想建立的力学模型分析结果相符。

香梨； 采摘； 损伤机理； 力学模型

香梨柄属于肉质果柄，即柄在靠近梨的部位有一小部分果肉，梨柄脱落会影响果肉的完整性，对香梨的品质造成一定的影响。为降低采摘环节对香梨品质的影响，要求采摘时把梨柄完好地保留在香梨上，如果采摘方式不当会使梨柄脱落或松动，使香梨腐烂速度加快，且会迅速传染与其接触的其它个体，这会给香梨产业造成严重的经济损失。

目前，水果的采收方法有手工采收、机械辅助采收和机械化采收3种[1-2]。我国从90 年代开始，出现了简易采摘器，用于采摘苹果、梨、桃等水果的便携式水果分级采摘器，改变了过去劳动强度大、水果损伤率高、劳动成本高的缺点，使果农的采摘正确率提高、采摘时间缩短[3-5]。随着果园机械技术的进一步融合，2007 年研制出了第一台多功能果园作业机，即 LG-1 型多功能果园作业机[6]。2009年研制出了适宜单人操作使用的枸杞采摘机[7]。2010年研制出了4YS-24型红枣收获机[8]。总的来说我国采摘机械得到迅速发展，在机械产品方面出现了采摘器、动力剪枝采摘工具、多功能果园作业机械等，但是国内水果采收机械大多功能单一、效率不高，容易损坏果实，产量损失大，容易采摘到不熟果实，且成本较高，果农难以接受应用[9]。

成熟后的香梨皮薄肉脆，不适合机械化采收和分级，所以现阶段香梨的采收和分级主要依靠手工方式。本研究从香梨的不同采摘方式入手，研究不同的采摘方式对香梨梨柄的加压方式，旨在为香梨最佳采摘方式的确定提供技术参考，对于推进香梨产业的技术进步、降低采摘过程中的损伤率，具有十分重要的理论和实践意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料取材于塔里木大学西区梨园，选择阳光充足，长势优良的梨树作为试验对象，在香梨采摘季节9月份采用不同的采摘方式随机从梨树上采摘香梨。

1.2 试验方法

手工方式进行采摘作业时，常用的采摘方式有：拉拽香梨使梨柄与树干分离即拉断(图1)；扭转梨体使梨柄与树干分离，即扭断(图2)；弯折香梨使梨柄中间折断从而与树干分离，即折断(图3)。

无论采用哪种采摘方式，由于香梨自身重力和人为施加外力的作用，都有可能使梨柄靠近梨肉的部分松动，甚至脱落，梨柄的脱落带掉一部分果肉，影响果肉的完整性，不利于保存，并对香梨的品质造成一定的影响。为降低采摘环节对香梨品质的影响，要求采摘时把梨柄完好地保留在香梨上。

1.3 力学模型的建立

采用拉拽香梨使梨柄与树干分离的采摘方式时，五指分开，分别握住香梨梨体中部不同的位置，向下拉拽梨体直至梨柄与树干分离时，拉伸方式采摘图和受力模型 (F1为使梨柄与树枝分离时，树枝对梨柄的最大拉力；五指对梨体的压力使梨体处于平衡位置，向下的拉力简化为F2，F1=F2) 如图1所示：

图1 (a)拉拽方式采摘 图1 (b)拉拽方式采摘受力模型

采用扭转香梨使梨柄与树干分离的采摘方式时，五指分开，分别握住香梨梨体中部不同的位置，扭转梨体直至梨柄与树干分离，扭转方式采摘图和受力模型 (T1为使梨柄与树枝分离树枝对梨柄的最大扭矩；五指对梨体的压力使梨体处于平衡位置，T2为使梨体产生扭转的扭矩，) 如图2所示：

图2 (a)扭转方式采摘 图2 (b)扭转方式采摘受力模型

采用弯折香梨使梨柄与树干分离的采摘方式时，五指分开，分别握住香梨梨体中部不同的位置，弯折梨体直至梨柄与树干分离，弯折方式采摘图和受力模型 (M1为使梨柄与树枝分离树枝对梨柄的反向弯矩；五指对梨体的压力使梨体处于平衡位置，M2为使梨柄与树枝分离的弯矩，) 如图3所示：

图3 (a)弯折方式采摘 图3 (b)弯折方式采摘受力模型

2 结果与讨论

2.1 模型分析

把采摘过程看成是静载过程，从静力学角度分析不同采摘方式对梨柄的作用情况，从采摘实验观察到，梨柄区域梨体的损伤范围可近似为一圆形，设此圆的半径为r，则不同的采摘方式对梨柄果肉的应力分别可用以下公式进行计算：

拉伸应力：

(1)

其中F—断裂荷重(N)；A—梨柄区域梨体损伤面积(m2)，A=πr2。

扭转切应力：

(2)

弯曲应力：

(3)

分别采用艾德堡指针式推拉力计NK-20、艾德堡扭矩测试仪HT-20做采摘实验，测得断裂荷重平均为11. 5 N，梨柄断裂扭矩平均为0. 12 N·m，计算得梨柄断裂弯矩为0. 30 N·m。分别代入上式计算得，拉拽方式梨柄区域所受应力平均值为0. 46Mpa，扭转方式梨柄区域所受应力平均值为0. 61Mpa，弯折方式梨柄区域所受应力平均值为1. 22Mpa。由此可以看出，拉拽方式对梨柄区域的应力值最小，弯折方式对梨柄区域的应力值最大。

2.2试验验证

每种采摘方式收集100颗香梨进行储存试验，为减少在运输过程中的机械损伤，采摘之后立即套袋后装箱，在相同环境条件下(温度10 ℃，相对湿度75%)存储对照，观察不同的采摘方式下，香梨的腐坏情况见图4和图5，具体数据见表1。

表1 香梨储存试验结果

由上表可以看出，拉拽采摘方式中梨柄位置梨体的腐坏率为1%，总腐坏率为6%，梨柄区域梨体的腐坏率占总腐坏率的比为16. 67%；扭转采摘方式中梨柄区域梨体的腐坏率为3%，总腐坏率为7%，梨柄区域梨体的腐坏率占总腐坏率的比为42. 86%；弯折采摘方式中梨柄区域梨体的腐坏率为6%，总腐坏率为19%，梨柄区域梨体的腐坏率占总腐坏率的比为31. 58%。

图4 梨柄区域梨体腐坏实物图

图5 梨体其他部位腐坏实物图

以上结果证明，拉拽方式采摘的香梨梨柄位置梨体的腐坏率最低，占总坏率的比例最小；扭转方式采摘的香梨梨柄区域梨体的腐坏率占总腐坏率的比最大；折断方式采摘的香梨造成梨柄区域梨体的腐坏率最高。

3 结论

(1) 通过建立力学模型分析拉拽、扭转、弯折三种采摘方式中梨柄位置梨体的应力，得出拉拽方式中库尔勒香梨梨柄区域梨体的应力值最小，弯折方式中的梨柄区域梨体的应力值最大。

(2) 储存试验结果表明：采用拉拽方式摘的香梨，梨柄区域梨体的腐坏率最小；采用弯折方式摘的香梨，梨柄区域梨体的腐坏率最高。试验结果与基于静力学思想建立的力学模型分析结果相符。

(3) 收获香梨建议采用拉拽方式采摘。

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[10] 王永廉.材料力学[M].北京:机械工业出版社,2012:69.

[11] 王永廉.材料力学[M].北京:机械工业出版社,2012:132.

Experimental Study on the Mechanical Model of Picking Korla Fragrant Pear

An Jing Wang Jindong Lan Haipeng Liu Wenliang Li Fengjuan*

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Tarim University, Alar, XinJiang 843300)

To study the damages of the Korla fragrant pear for handling with different harvesting methods, in this study, the mechanical model of the effect of different picking methods on pear stem was established based on the static theory, and was verified according to the actual picking requirements. The results show that in the three picking ways of pulling, twisting and bending, the best picking way is pulling which causes the minimum degree of injury and it is in agreement with the analytical results of the mechanical model that established based on the static theory.

Korla fragrant pear; picking; damage mechanism; mechanical model

1009-0568(2016)04-0099-05

2015-12-18

塔里木大学校长基金硕士项目(TDZKSS201323，TDZKSS201410)。

安静(1985- )，女，讲师，硕士，研究方向为农业机械化装备。 E-mail：407398754@qq.com

*为通讯作者 E-mail：276390658@qq.com

G237.5

A

10.3969/j.issn.1009-0568.2016.04.016