酿酒葡萄振动分离试验研究

李亚萍，李成松，坎 杂，蒙贺伟，路士兴

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.山东省潍坊监狱，山东 潍坊 261011)



酿酒葡萄振动分离试验研究

李亚萍1，李成松1，坎 杂1，蒙贺伟1，路士兴2

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.山东省潍坊监狱，山东 潍坊 261011)

随着新疆酿酒葡萄种植面积的不断扩大，人工收获存在的劳动强度大、效率低等问题日益突出，已成为制约酿酒葡萄产业健康快速发展的重要方面。为此，在自制的振动分离率测定装置上，以电机转速、偏心距离及摇杆长度作为影响因素，分离率为性能指标，确立了试验方案并进行了振动分离试验，分析了影响振动采收效果的主要因素，确定了各参数最优组合。试验结果表明：影响酿酒葡萄分离率的主次顺序为偏心距离、摇杆长度和电机转速，最优参数组合为偏心距离75mm、摇杆长度320mm、转速245r/min。试验结果为设计基于葡萄藤蔓振动的酿酒葡萄振动分离装置提供了理论依据。

酿酒葡萄；振动分离；最优参数

0 引言

葡萄产业是新疆特色林果产业的重要组成部分。近年来，依托新疆农业结构大调整和大力发展特色产业契机，新疆葡萄种植面积、产量和深加工能力均得到大幅提高[1]。目前，新疆葡萄种植用工量占葡萄生产用工量近50%的收获环节完全依靠人工，存在着劳动强度大、效率低等突出问题，严重制约了酿酒葡萄产业的健康、快速发展，实现酿酒葡萄机械化采收势在必行[2-4]。

目前，国内外针对酿酒葡萄、蓝莓等林果的机械化收获作业主要采用振动方式，其主要通过装置产生一定频率和振幅的振动，迫使枝干上的果实与树枝或果蒂分离，从而实现果实的采收[5-8]。国外开展此类研究的有Pezzi、Polat、 Loghavi、Sessiz及Queiroz等[9-13]，国内有王业成、陈海涛、王长勤及杜小强等[14-17]。

以上研究表明：振动是进行林果收获的有效途径。为此，本文针对新疆酿酒葡萄主要种植品种，在自制振动分离率测定装置上进行了振动分离试验[18]，分析了影响振动采收效果的主要因素，确定了各参数最优组合，为设计基于葡萄藤蔓振动的酿酒葡萄振动分离装置提供了理论依据。

1 试验测定装置结构与功能分析

1.1 结构构成

振动分离率测定装置主要由曲柄摇杆机构、Y100L-6型电机及HDII.5E4L变频器等组成，如图1(a)所示。其中，曲柄摇杆机构为核心部件，主要为振动机构提供一定频率和振幅的变速运动，主要由摇杆、连杆、偏心盘等组成，如图1(b)所示。

1.2 工作原理

工作过程中，葡萄串通过夹具夹持固定在摇杆上，当电机启动后，驱动偏心盘转动，偏心盘通过连杆、调节片、摇杆等带动夹持的葡萄串产生摆动运动。试验过程中，装置摆动频率、偏心距以及摇杆长度等参数可调。

1.变频器 2.机架 3.偏心盘 4.连杆 5.电机

1.3 装置功能分析

由于葡萄果粒单重较小且果柄相对较粗，因此葡萄串的主要运动形式为摆动。基于此，建立葡萄分离原理图如图2所示。

Lz—葡萄枝干 Ls—葡萄果穗梗

图2中，A处采用刚性连接并有一定的弹性，并在两者连接处A点施加一个强迫振动，由此带动葡萄果粒悬挂点B在水平面内进行振动。

基于此原理，通过对酿酒葡萄振动运动进行分析，得出葡萄振动分离条件为

m0A2ω2l′-1cos2ωt>F0

(1)

式中F0—葡萄粒同果蒂临界连接力，由试验测得F0=5～13N；

m0—葡萄单粒质量(kg)；

A—强迫振幅(mm)；

ω—强迫振动频率(Hz)；

l′—果粒中心与B的连线长度(mm)。

由此可知：葡萄实现有效分离与强迫振动幅度、强迫振动频率与果粒中心与B的连线长度等有关。因此，设计完成的试验装置应实现葡萄振动分离过程中摆动频率、偏心距及摇杆长度等参数的可调。

1.4 功能实现

1)频率调整：试验装置动力由Y100L-6型电机提供动力，电机额定电压380V，额定频率50Hz，采用Y接法联接。为了实现频率调整功能，本装置采用HDII.5E4L变频器对交流电机进行调频，从而完成葡萄串摆动频率的调整。

2)偏心距调整：偏心距即连杆与偏心盘间的距离，本试验装置采用在偏心盘的不同位置开孔，并通过调整连杆与偏心盘孔间安装位置，从而实现距离的调整。依据设计要求，本试验装置偏心距调整范围为35～75mm。偏心距调整机构如图3所示。

图3 偏心距调整机构图

3)摇杆长度调整：摇杆长度调整机构主要由调节片、摇杆以及联接件等组成，调节片上设置有一定间距的调节孔。工作过程中，通过调整调节片与摇杆的安装位置实现摇杆长度的调整。本装置摇杆长度调整范围为200～60mm，摇杆长度调整机构如图4所示。

图4 摇杆长度调整机构图

4)夹持机构：葡萄串夹持机构主要由动、定夹头和夹紧螺栓组成，结构如图5所示。试验过程中，通过夹持机构将葡萄串穗柄夹持固定在摇杆末端。

图5 葡萄串夹持机构

2 试验材料与方法

2.1 材料

1)酿酒葡萄品种：赤霞珠。

2)产地：新疆生产建设兵团第八师152团。

3)采样日期：9月14日。

2.2 仪器与设备

振动分离率测定装置、变频器(北京唯天创杰电气设备有限公司NVF2-5.5)。

2.3 评价指标

通过分离率考核振动分离质量，分离率通过计数法获得，即振动分离率测定装置停止工作后，统计并计算振动落果个数占果粒总数的比例，则

Pr=Nr/(Nr+Nu)×100%

(2)

式中Pr—分离率(%)；

Nr—振动落果个数(个)；

Nu—振动未脱落果实个数(个)。

2.4 试验安排

试验选取电机转速G、偏心距H、摇杆长度Q三因素为考察因素，对装置分离率进行试验，并设定作用时间为10s。试验因素与水平如表1所示。

试验过程中，通过变频器调整电机转速实现装置振动频率的调整，通过夹具将酿酒葡萄串穗柄夹持固定在摇杆末端，按照L9(34)正交表设计试验。其中，每组分离试验进行3次，取其均值作为试验结果，试验安排如表2所示。

表1 试验因素与水平

表2 试验安排表

3 结果与讨论

3.1 数据统计

按照表2进行试验，测定分离率数据如表3所示。

表3 试验结果统计表

3.2 极差分析

利用SPSS对其进行极差分析，各因素影响分离率曲线如图6所示，极差分析结果如表4所示。

图6 各因素影响曲线

水平电机转速G圆盘偏心距H摇杆长度Q178.5174.3088.92282.9682.5786.85386.9891.5972.68极差8.4717.2716.24排秩312

由此可知：各因素极差的大小顺序为：RH>RQ>RG，即因素H(偏心距离)为酿酒葡萄分离率的主要影响因素，其次为因素Q(摇杆长度)和因素G(转速)。K3G>K2G>K1G，K3H>K2H>K1H，K1Q>K2Q>K3Q。因此，振动分离最优组合为：G3H3Q1。

3.3 讨论

通过以上分析可知，正交试验各影响因素的最优方案G3H3Q1，即摇杆长度为320mm、转速为245r/min、偏心距离为75mm，此时酿酒葡萄分离达到95.2%。

4 结论

1)以自制葡萄串振动分离率测定装置为基础，将电机转速、偏心距离及摇杆长度作为试验影响因素，以分离率为性能指标，确立了试验方案，并进行了正交试验。

2)试验结果表明：影响酿酒葡萄分离率的主次顺序为偏心距离、摇杆长度和电机转速。在此基础上，确立了最优参数，即当偏心距离为75mm、摇杆长度为320mm、转速为245r/min时分离率最优。

[1] 赵中华.新疆葡萄生产机械应用现状及发展方向[J].农业技术与装备,2008(4):33-34.

[2] 曲淑丽,杨先遇.烟台市葡萄生产机械化实践与探讨[J].农业机械,2010(14):22-23.

[3] 胡志超,田立佳,彭宝良，等.国内外葡萄生产机械化的研究与应用[J].农业机械,2005(9):62-63.

[4] 冯玉磊,坎杂,李成松,等.基于振动原理的酿酒葡萄采摘试验装置的设计[J].江苏农业科学,2013,41(11):404-406.

[5] 陈度,杜小强,王书茂,等.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．

[6] 王业成,陈海涛,邱立春.黑加仑干枝的试验模态分析[J].农业工程学报,2011,27(S2):45-49．

[7] 李国英.振动采种机振动参数的选择与计算[J].南京林业大学学报：自然科学版,1984,8(1):101-114.

[8] Adrian P A, Fridley R B.Dynamics and design criteria of inertia type tree shakers[J].Transactions of the ASAE, 2005,8(1):12-14.

[9] Pezzi F, Caprara C. Mechanical grape harvesting: Investigation of the transmission of vibrations[J].Biosystems Engineering, 2009,103(3): 281-286.

[10] Polat R, Gezer I, Guner M, et al. Mechanical harvesting of pistachionuts[J].Journal of Food Engineering,2007,79(4):1131-1135.

[11] Loghavi M, Mohseni S H. The effects of shaking frequencyand amplitude on detachment of lime fruits[J]. IranAgricultural Research, 2006, 24(2):27-38.

[12] Sessiz A, Ozcan M T. Olive removal with plneumatic branch shaker and abscission chemical[J]. Journal of Food Engineering, 2006, 76(2):148-153.

[13] Queiroz D M, Santos F L, Assis F.Analysis of coffee harvesting process by vibration[J]. American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2007, 76(2):178-153.

[14] 王业成,陈海涛,林青.黑加仑采收装置参数的优化[J].农业工程学报,2009,25(3)：79-83.

[15] 王长勤,许林云,周宏平,等.偏心式林果振动才收集的研制与试验[J].农业工程学报,2012,28(16):10-16.

[16] Du X Q, Chen D, Zhang Q, et al. Response of UFO (Upright Fruiting Offshoots) on cherry trees to mechanical harvest by dynamic vibratory excitation[J].Transactions of the ASABE, 2013, 56(2): 345-354.

[17] Du X Qg, Chen D, Zhang Q, et al. Dynamic responses of sweet cherry trees under vibratory excitations[J]. Biosystems Engineering, 2012, 111(3):305-314.

[18] 李成松,高振江,坎杂,等.酿酒葡萄果-蒂振动分离试验[J].农业工程学报,2015,31(9):39-44.

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

国家自然科学基金项目(51465051)；新疆生产建设兵团工业科技攻关计划项目(2013BA009)

李亚萍(1980-)，女，黑龙江虎林人，副教授，硕士，(E-mail)lyp_shz@shzu.edu.cn。

蒙贺伟(1982-)，男，新疆伊犁人，副教授，硕士， (E-mail)mhw_mac@shzu.edu.cn。

S225.93；S220.3

A

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