釀酒葡萄振動分離試驗研究

李亞萍，李成松，坎 雜，蒙賀偉，路士興

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.山東省濰坊監獄，山東 濰坊 261011)

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釀酒葡萄振動分離試驗研究

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 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.山東省濰坊監獄，山東 濰坊 261011)

隨著新疆釀酒葡萄種植面積的不斷擴大，人工收獲存在的勞動強度大、效率低等問題日益突出，已成為制約釀酒葡萄產業健康快速發展的重要方面。為此，在自制的振動分離率測定裝置上，以電機轉速、偏心距離及搖桿長度作為影響因素，分離率為性能指標，確立了試驗方案并進行了振動分離試驗，分析了影響振動采收效果的主要因素，確定了各參數最優組合。試驗結果表明：影響釀酒葡萄分離率的主次順序為偏心距離、搖桿長度和電機轉速，最優參數組合為偏心距離75mm、搖桿長度320mm、轉速245r/min。試驗結果為設計基于葡萄藤蔓振動的釀酒葡萄振動分離裝置提供了理論依據。

釀酒葡萄；振動分離；最優參數

0 引言

葡萄產業是新疆特色林果產業的重要組成部分。近年來，依托新疆農業結構大調整和大力發展特色產業契機，新疆葡萄種植面積、產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用工量近50%的收獲環節完全依靠人工，存在著勞動強度大、效率低等突出問題，嚴重制約了釀酒葡萄產業的健康、快速發展，實現釀酒葡萄機械化采收勢在必行[2-4]。

目前，國內外針對釀酒葡萄、藍莓等林果的機械化收獲作業主要采用振動方式，其主要通過裝置產生一定頻率和振幅的振動，迫使枝干上的果實與樹枝或果蒂分離，從而實現果實的采收[5-8]。國外開展此類研究的有Pezzi、Polat、 Loghavi、Sessiz及Queiroz等[9-13]，國內有王業成、陳海濤、王長勤及杜小強等[14-17]。

以上研究表明：振動是進行林果收獲的有效途徑。為此，本文針對新疆釀酒葡萄主要種植品種，在自制振動分離率測定裝置上進行了振動分離試驗[18]，分析了影響振動采收效果的主要因素，確定了各參數最優組合，為設計基于葡萄藤蔓振動的釀酒葡萄振動分離裝置提供了理論依據。

1 試驗測定裝置結構與功能分析

1.1 結構構成

振動分離率測定裝置主要由曲柄搖桿機構、Y100L-6型電機及HDII.5E4L變頻器等組成，如圖1(a)所示。其中，曲柄搖桿機構為核心部件，主要為振動機構提供一定頻率和振幅的變速運動，主要由搖桿、連桿、偏心盤等組成，如圖1(b)所示。

1.2 工作原理

工作過程中，葡萄串通過夾具夾持固定在搖桿上，當電機啟動后，驅動偏心盤轉動，偏心盤通過連桿、調節片、搖桿等帶動夾持的葡萄串產生擺動運動。試驗過程中，裝置擺動頻率、偏心距以及搖桿長度等參數可調。

1.變頻器 2.機架 3.偏心盤 4.連桿 5.電機

1.3 裝置功能分析

由于葡萄果粒單重較小且果柄相對較粗，因此葡萄串的主要運動形式為擺動。基于此，建立葡萄分離原理圖如圖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點施加一個強迫振動，由此帶動葡萄果粒懸掛點B在水平面內進行振動。

基于此原理，通過對釀酒葡萄振動運動進行分析，得出葡萄振動分離條件為

m0A2ω2l′-1cos2ωt>F0

(1)

式中F0—葡萄粒同果蒂臨界連接力，由試驗測得F0=5～13N；

m0—葡萄單粒質量(kg)；

A—強迫振幅(mm)；

ω—強迫振動頻率(Hz)；

l′—果粒中心與B的連線長度(mm)。

由此可知：葡萄實現有效分離與強迫振動幅度、強迫振動頻率與果粒中心與B的連線長度等有關。因此，設計完成的試驗裝置應實現葡萄振動分離過程中擺動頻率、偏心距及搖桿長度等參數的可調。

1.4 功能實現

1)頻率調整：試驗裝置動力由Y100L-6型電機提供動力，電機額定電壓380V，額定頻率50Hz，采用Y接法聯接。為了實現頻率調整功能，本裝置采用HDII.5E4L變頻器對交流電機進行調頻，從而完成葡萄串擺動頻率的調整。

2)偏心距調整：偏心距即連桿與偏心盤間的距離，本試驗裝置采用在偏心盤的不同位置開孔，并通過調整連桿與偏心盤孔間安裝位置，從而實現距離的調整。依據設計要求，本試驗裝置偏心距調整范圍為35～75mm。偏心距調整機構如圖3所示。

圖3 偏心距調整機構圖

3)搖桿長度調整：搖桿長度調整機構主要由調節片、搖桿以及聯接件等組成，調節片上設置有一定間距的調節孔。工作過程中，通過調整調節片與搖桿的安裝位置實現搖桿長度的調整。本裝置搖桿長度調整范圍為200～60mm，搖桿長度調整機構如圖4所示。

圖4 搖桿長度調整機構圖

4)夾持機構：葡萄串夾持機構主要由動、定夾頭和夾緊螺栓組成，結構如圖5所示。試驗過程中，通過夾持機構將葡萄串穗柄夾持固定在搖桿末端。

圖5 葡萄串夾持機構

2 試驗材料與方法

2.1 材料

1)釀酒葡萄品種：赤霞珠。

2)產地：新疆生產建設兵團第八師152團。

3)采樣日期：9月14日。

2.2 儀器與設備

振動分離率測定裝置、變頻器(北京唯天創杰電氣設備有限公司NVF2-5.5)。

2.3 評價指標

通過分離率考核振動分離質量，分離率通過計數法獲得，即振動分離率測定裝置停止工作后，統計并計算振動落果個數占果粒總數的比例，則

Pr=Nr/(Nr+Nu)×100%

(2)

式中Pr—分離率(%)；

Nr—振動落果個數(個)；

Nu—振動未脫落果實個數(個)。

2.4 試驗安排

試驗選取電機轉速G、偏心距H、搖桿長度Q三因素為考察因素，對裝置分離率進行試驗，并設定作用時間為10s。試驗因素與水平如表1所示。

試驗過程中，通過變頻器調整電機轉速實現裝置振動頻率的調整，通過夾具將釀酒葡萄串穗柄夾持固定在搖桿末端，按照L9(34)正交表設計試驗。其中，每組分離試驗進行3次，取其均值作為試驗結果，試驗安排如表2所示。

表1 試驗因素與水平

表2 試驗安排表

3 結果與討論

3.1 數據統計

按照表2進行試驗，測定分離率數據如表3所示。

表3 試驗結果統計表

3.2 極差分析

利用SPSS對其進行極差分析，各因素影響分離率曲線如圖6所示，極差分析結果如表4所示。

圖6 各因素影響曲線

水平電機轉速G圓盤偏心距H搖桿長度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為：RH>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(搖桿長度)和因素G(轉速)。K3G>K2G>K1G，K3H>K2H>K1H，K1Q>K2Q>K3Q。因此，振動分離最優組合為：G3H3Q1。

3.3 討論

通過以上分析可知，正交試驗各影響因素的最優方案G3H3Q1，即搖桿長度為320mm、轉速為245r/min、偏心距離為75mm，此時釀酒葡萄分離達到95.2%。

4 結論

1)以自制葡萄串振動分離率測定裝置為基礎，將電機轉速、偏心距離及搖桿長度作為試驗影響因素，以分離率為性能指標，確立了試驗方案，并進行了正交試驗。

2)試驗結果表明：影響釀酒葡萄分離率的主次順序為偏心距離、搖桿長度和電機轉速。在此基礎上，確立了最優參數，即當偏心距離為75mm、搖桿長度為320mm、轉速為245r/min時分離率最優。

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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

國家自然科學基金項目(51465051)；新疆生產建設兵團工業科技攻關計劃項目(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