基于Adams的釀酒葡萄植株受迫振動(dòng)仿真研究

李永強(qiáng)1， 楊學(xué)軍2*， 王 俊2,張健飛3， 尹素珍2

(1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083； 2.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司，北京 100083；3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽 110866)

摘要釀酒葡萄的收獲最終是通過振搖葡萄藤，使葡萄果粒與葡萄藤分離。利用Adams軟件進(jìn)行葡萄藤的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)結(jié)果得到收獲釀酒葡萄需要的最佳振動(dòng)頻率和激振力幅值。首先利用SolidWorks軟件建立釀酒葡萄植株的三維模型，再將其導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行柔性化處理；通過對(duì)葡萄藤柔性體模型施加激振力模擬葡萄藤在收獲過程中的受力情況，利用Adams軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到葡萄藤受迫振動(dòng)時(shí)葡萄果穗和葡萄果粒的慣性力變化曲線；最后分析試驗(yàn)結(jié)果，確定了機(jī)械收獲釀酒葡萄的最佳振動(dòng)頻率和激振力幅值組合，分別為：600 Hz和35 N，550 Hz和45 N，500 Hz和60 N，450 Hz和75 N。研究結(jié)果對(duì)釀酒葡萄收獲機(jī)械研制過程中收獲機(jī)構(gòu)性能參數(shù)的確定和優(yōu)化有重要參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞釀酒葡萄； 柔性體模型； Adams；振動(dòng)頻率；激振力

中圖分類號(hào)S225.93

基金項(xiàng)目國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目(2013DFA71130)。

作者簡介李永強(qiáng)(1989- )，男，山東萊蕪人，碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。*

收稿日期2015-07-31

Simulation of Wine Grape Plants Forced Vibration Based on Adams

LI Yong-qiang1,YANG Xue-jun2*,WANG Jun2et al (1.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences,Beijing 100083; 2.Modern Agricultural Equipment Co.,Ltd.,Beijing 100083)

AbstractThe harvest of wine grape is separate wine grape from grapevine by vibrate grapevine.Using Adams software,kinematics and dynamics simulation experiment of grapevine was conducted,through analyzing experiment results,the best frequency and amplitude of vibration force was obtained.Firstly,the 3D model of grapevine was established based on SolidWorks,then imported it into Adams.Thirdly,the model was flexible by Adams module Adams/ViewFlex; Exerting vibration force on 3D model to simulate the force condition of grapevine during the harvesting time by machine,then we got simulation curves of the inertia force of a grape F1 and the inertia force of a grape clusters F2 by changing the two influence factors,i.e the frequency and amplitude of vibration force by Adams software.Lastly,by analyzing the results of simulation test,we got that conclusion: the best combination of frequency and amplitude of vibration force to harvest wine grapes is: 600 Hz and 35 N,550 Hz and 45 N,500 Hz and 60 N,450 Hz and 75 N.Through the verification to vibration acceleration of wine grape,the conclusion of the simulation is credible.

Key words Wine grape; Flexible body model; Adams; Vibration frequency; Vibration force

近年來，隨著我國葡萄酒行業(yè)的快速發(fā)展，釀酒葡萄栽培面積不斷增加，到2015年已達(dá)5.33萬hm2。但是我國釀酒葡萄的收獲主要是靠人工采摘，勞動(dòng)強(qiáng)度大、采摘效率低、采摘成本高，這些問題嚴(yán)重制約著葡萄酒行業(yè)的發(fā)展。

國外發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)50年代就開展了釀酒葡萄收獲機(jī)械的研究試驗(yàn)，經(jīng)過不斷改進(jìn)發(fā)展，至今已經(jīng)形成了以振動(dòng)式收獲為主流的釀酒葡萄采摘機(jī)械。但是這些機(jī)械是在當(dāng)?shù)蒯劸破咸哑贩N和標(biāo)準(zhǔn)化種植模式的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，不完全適合我國釀酒葡萄的收獲工作。目前國內(nèi)對(duì)釀酒葡萄收獲設(shè)備的研發(fā)還處于起步階段，馮玉磊等研究了一種基于振動(dòng)原理的釀酒葡萄采摘實(shí)驗(yàn)裝置[1]；李超研究了一種與國外釀酒葡萄收獲機(jī)械的收獲機(jī)構(gòu)原理不同的柔性梳脫式釀酒葡萄脫離機(jī)構(gòu)[2]，但目前兩者都只限于對(duì)釀酒葡萄收獲機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)研究。李成松等搭建曲柄搖桿機(jī)構(gòu)分離率測定裝置，對(duì)釀酒葡萄果-蒂分離原理及分離參數(shù)進(jìn)行了研究[3]，但是該試驗(yàn)是直接振動(dòng)葡萄果穗，未涉及對(duì)葡萄藤振動(dòng)特性的研究。郭艷玲等對(duì)與葡萄同屬漿果類的藍(lán)莓植株做了全面的基礎(chǔ)研究[4-10]，對(duì)釀酒葡萄植株受迫振動(dòng)特性的研究具有指導(dǎo)意義，但藍(lán)莓與釀酒葡萄在栽培模式、植株結(jié)構(gòu)及采摘時(shí)作業(yè)參數(shù)的要求方面都存在較大差異，需單獨(dú)進(jìn)行研究。

為研究釀酒葡萄植株在收獲機(jī)械作業(yè)時(shí)的受迫振動(dòng)特性，筆者建立了釀酒葡萄植株的柔性體模型，并借助Adams仿真軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，獲得葡萄植株和果實(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)而分析得到釀酒葡萄植株的采摘參數(shù)，對(duì)我國釀酒葡萄收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)工作有著十分重要的參考價(jià)值。

1釀酒葡萄采摘機(jī)理分析和建立柔性體模型

1.1釀酒葡萄振動(dòng)采摘機(jī)理分析目前國外釀酒葡萄的收獲機(jī)械大部分是采用基于振動(dòng)原理的采摘部件。采摘部件上有5～7對(duì)振動(dòng)收獲桿，作業(yè)時(shí)，該部件可產(chǎn)生高頻振動(dòng)，振動(dòng)收獲桿與葡萄藤接觸，通過葡萄藤將振動(dòng)傳遞到葡萄粒，使葡萄粒產(chǎn)生多次瞬時(shí)變相運(yùn)動(dòng)，克服與果梗的連接力，實(shí)現(xiàn)分離[11]。葡萄藤在采摘部件作用下受迫振動(dòng)時(shí)，葡萄藤的振動(dòng)頻率和采摘部件與葡萄藤接觸產(chǎn)生的激振力的幅值是影響收獲質(zhì)量的關(guān)鍵因素，頻率過大或激振力過大，對(duì)葡萄藤和葡萄果實(shí)會(huì)造成機(jī)械損傷；過小，容易造成采凈率低等影響。

查閱文獻(xiàn)得知，葡萄果粒與葡萄果柄的結(jié)合力FR1約為2.45 N，葡萄穗梗與葡萄果柄的結(jié)合力為FR2約為13.5 N[2，12]。機(jī)械采摘釀酒葡萄時(shí)，主要是想要實(shí)現(xiàn)葡萄果實(shí)與葡萄果柄分離，這樣既減輕了后期分析清選葡萄時(shí)的工作量又減小了收獲機(jī)械的動(dòng)力輸出。因此采摘釀酒葡萄需要同時(shí)滿足以下2個(gè)條件：振動(dòng)產(chǎn)生的葡萄果粒的慣性力F1的有效值需要大于FR1；葡萄果穗與結(jié)果梢之間的慣性力F2的最大值需要小于FR2，即：Avq(F1)>2.45 N和Max(F2)<13.5 N。

1.2振動(dòng)采摘過程仿真分析由于釀酒葡萄在受迫振動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況十分復(fù)雜而且難以預(yù)測，很難通過建立數(shù)學(xué)模型或?qū)嶋H試驗(yàn)的方法準(zhǔn)確地測算出收獲葡萄時(shí)所需要的最佳振動(dòng)頻率與激振力幅值。因此，該研究借助Adams虛擬樣機(jī)技術(shù)建立葡萄植株的三維柔性模型，進(jìn)行釀酒葡萄振動(dòng)收獲過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，研究釀酒葡萄植株和果實(shí)的振動(dòng)特性，通過分析仿真結(jié)果得到機(jī)械收獲釀酒葡萄的最佳振動(dòng)頻率和激振力幅值。

在Adams中，有3種建立柔性體的方法：一種是將構(gòu)件離散成許多段剛性構(gòu)件，然后將這些剛性構(gòu)件之間采用柔性梁連接；第2種方法是利用Adams/ViewFlex模塊，直接在Adams/ViewFlex中建立柔性體的模態(tài)中性文件MNF(Modal Neutral File)，然后再利用柔性體替代原來的剛性體；第3種方法是利用其他有限元分析軟件將構(gòu)件離散成細(xì)小的網(wǎng)格，再進(jìn)行CB模態(tài)計(jì)算，然后將計(jì)算的模態(tài)保存為模態(tài)中性文件MNF,直接讀取到Adams中建立柔性體[13]。其中第1種方法只限于簡單構(gòu)件使用，還不算是真正的柔性體，該研究采用第2種方法建立釀酒葡萄植株的柔性體模型，可以很好地反映植株的振動(dòng)特性。

1.3釀酒葡萄植株柔性體仿真模型的建立

1.3.1釀酒葡萄植株三維模型的建立。通過對(duì)新疆建設(shè)兵團(tuán)第八師144團(tuán)葡萄生產(chǎn)機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)示范園的實(shí)地考察了解到，目前我國新疆地區(qū)釀酒葡萄廣泛采用單立架型栽培模式。該模式特點(diǎn)是：在葡萄行內(nèi)每隔5.0～6.0 m設(shè)立一根立柱，架高1.6～2.0 m，在支柱上每隔0.5 m拉一道鋼絲，一般共拉3道鋼絲用于供綁縛枝蔓用。葡萄植株修剪成單干雙臂樹型(如圖1)，該樹型有一個(gè)主干，高約0.6 m，兩個(gè)側(cè)臂分別綁縛在第1道鋼絲上，根據(jù)結(jié)果產(chǎn)量的要求，每個(gè)側(cè)臂上分別留3～4個(gè)結(jié)果母枝，每個(gè)母枝上留2個(gè)結(jié)果梢，一般每個(gè)結(jié)果梢結(jié)2串葡萄，結(jié)果母枝間隔0.2～0.3 m，葡萄植株株距為1.0 m[14]。

圖1　單干雙臂葡萄樹

根據(jù)單立架種植模式和單干雙臂樹型，利用Inventor三維建模軟件建立葡萄植株的三維模型，如圖2所示。模型分為葡萄主干、結(jié)果母枝、結(jié)果梢、葡萄果穗、葡萄粒、鋼絲和水泥柱7個(gè)部分。模型中有3道鋼絲，間距為0.5 m，最低一道距離地面為0.6 m;有6個(gè)結(jié)果母枝，母枝間距為0.2 m，結(jié)果梢根據(jù)不相互干涉的原則均勻布置，葡萄植株模型如圖3所示。為研究方便，將葡萄果穗做成一個(gè)整體，將一個(gè)葡萄粒與葡萄果穗固連在一起，研究其受力情況，如圖4所示。

圖2　單立架型葡萄植株模型

圖3　釀酒葡萄植株模型

圖4　釀酒葡萄果穗模型

參考文獻(xiàn)根據(jù)實(shí)際測量長度尺寸和資料[15]，上述模型具體參數(shù)如表1所示。

1.3.2柔性化模型及定義驅(qū)動(dòng)。 首先將三維模型導(dǎo)入到Adams里，定義各部分的密度、彈性模量和泊松比。第2步，假定收獲部件全部作用在結(jié)果母枝上，定義收獲部件工作時(shí)與葡萄母枝之間的接觸點(diǎn)，接觸點(diǎn)位置為各結(jié)果母枝的中點(diǎn)。第3步，將相互接觸的兩部件之間采用固定連接Fixed連接，其中水泥柱與大地固接。最后利用Adams/ViewFlex模塊，將葡萄藤和鋼絲完成柔性體的替換。

其次，定義柔性體模型的驅(qū)動(dòng)載荷。在模型中定義的接觸點(diǎn)處施加激振力載荷F0·sin2πft，如圖5紅色箭頭所示，載荷施加位置位于結(jié)果母枝的中間位置，其中F0為激振力幅值，f為振動(dòng)頻率，t為時(shí)間。因?yàn)樵谡駝?dòng)過程中，葡萄藤主干基本不彎曲變形，由材料力學(xué)彎曲變形知識(shí)可得，當(dāng)在材料中間對(duì)稱兩側(cè)施加大小方向相同的力F時(shí)，則將這些力移動(dòng)到中點(diǎn)合為nF，則材料變形關(guān)系不變。所以在圖5中施加的力F0·sin2πωt為5～7個(gè)力的合力(取決于振動(dòng)收獲桿的數(shù)量)。

表1　單立架葡萄植株建模參數(shù)

圖5　激振力載荷

2振動(dòng)仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

參考法國GREGOIRE公司G1～G9系列產(chǎn)品參數(shù)了解到，釀酒葡萄收獲機(jī)械振動(dòng)頻率一般為420～520 Hz，作業(yè)速度為3～5 km/h。因此該仿真試驗(yàn)振動(dòng)頻率取值范圍為400～600 Hz。仿真時(shí)間取為1 s，仿真步數(shù)為1 000，測量施加激振力載荷F0·sin2πft時(shí)，葡萄果粒的慣性力F1以及葡萄果穗的慣性力F2的變化曲線，結(jié)果如圖6所示。

F1、F2的仿真試驗(yàn)具體結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，當(dāng)振動(dòng)頻率與激振力幅值的組合分別為600 Hz和35 N，550 Hz和45 N，500 Hz和60 N，450 Hz和75 N時(shí)，葡萄果粒的慣性力的有效值都超過了其結(jié)合力FR1，即都可以完成收獲作業(yè)。但是當(dāng)振動(dòng)頻率為400 Hz，即使激振力達(dá)到95 N時(shí)，葡萄果粒的慣性力也小于2 N，但是此時(shí)葡萄果穗的慣性力已經(jīng)超過13.5 N，說明由于振動(dòng)頻率太小，依靠增加激振力來提高收獲效果的方法是行不通的。

由圖6以及表2可以看出，振動(dòng)頻率越小，慣性力隨接觸力幅值的增加而發(fā)生的變化越不顯著；相反，當(dāng)振動(dòng)頻率越大，接觸力幅值即使增加很小，葡萄果粒的慣性力也會(huì)有顯著的增加。這說明，相對(duì)于激振力幅值而言，振動(dòng)頻率是影響采摘效果的最主要因素。

表2　仿真試驗(yàn)結(jié)果

由上述分析可以看出，在符合采摘條件的振動(dòng)頻率和激振力的組合中，振動(dòng)頻率越高，激振力越小。但是在收獲機(jī)械實(shí)際作業(yè)過程中，隨著振動(dòng)頻率的增加，柔性振動(dòng)收獲桿的加速度增加，其作用在葡萄藤上的的激振力必然增加。因此，在設(shè)計(jì)釀酒葡萄收獲機(jī)械時(shí)，必須考慮第三變量來限制接激振力與振動(dòng)頻率的正相關(guān)關(guān)系。借鑒國外釀酒葡萄收獲機(jī)械的機(jī)械構(gòu)造可以推測，振動(dòng)收獲桿之間的間隙可能是限制這種正相關(guān)關(guān)系的第三變量，但由于模型限制，無法進(jìn)行下一步的分析。

圖6　振動(dòng)頻率和激振力對(duì)收獲效果的影響

圖7　葡萄藤加速度變化曲線

3仿真試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述仿真試驗(yàn)結(jié)果的正確性，對(duì)葡萄藤的振動(dòng)加速度進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如圖7所示，具體參數(shù)如表3所示。查找相關(guān)論文得知，不考慮釀酒葡萄收獲機(jī)械行走速度這一因素的影響，收獲機(jī)械以最佳收獲參數(shù)進(jìn)行收獲時(shí)，葡萄藤的振動(dòng)加速度約為(1 050±107)m/s2[16]。由表3可以看出，當(dāng)施加上述激振力時(shí)，葡萄藤的加速度與文獻(xiàn)的研究結(jié)果一致，表明通過仿真得到的上述激振力幅值與振動(dòng)頻率組合是可信的。

4結(jié)論

根據(jù)我國目前釀酒葡萄的種植模式和實(shí)際生長狀況，建立了符合我國實(shí)際情況的釀酒葡萄虛擬模型，利用Adams軟件進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到如下結(jié)論：機(jī)械收獲釀酒葡萄所需的最佳振動(dòng)頻率和激振力幅值組合分別為600 Hz和35 N，550 Hz和45 N，500 Hz和60 N，450 Hz和75 N；振動(dòng)頻率是影響收獲效果的最主要因素，在設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)著重考慮提高振動(dòng)頻率，而不是激振力幅值；激振力幅值與振動(dòng)力幅值的組合呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要滿足該關(guān)系。

表3　葡萄藤加速度參數(shù)

由于仿真模型的局限性，對(duì)可能影響收獲效果的其他因素如機(jī)械行走速度、葡萄藤的擺動(dòng)幅度、激振力的作用位置等未作為試驗(yàn)變量進(jìn)行分析。在接下來的研究中，可以通過搭建試驗(yàn)臺(tái)的方法，通過試驗(yàn)進(jìn)行分析。

論文通過建立釀酒葡萄虛擬模型，直觀地研究釀酒葡萄的振動(dòng)特性，為釀酒葡萄收獲機(jī)械提供收獲參數(shù)的方法在國內(nèi)尚屬首例，為收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了原始數(shù)據(jù)。

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