引言
杏子是具有很高經濟價值的水果作物，對新疆的農業經濟有較大貢獻； 但杏子收獲時間比較短，且果實在樹枝上很分散，僅僅靠人工采摘是根本無法滿足要求的。目前市場上，陸續出現了一些與杏子機械式采收相關的機械，但這些機械在采收的過程中對杏樹和杏子的損傷都比較大，并不能滿足果農要求，且對果農經濟收入影響非常大，因此迫切希望出現一種能滿足采收要求的機械。
國外在這方面的研究非常早，研究也比較多，相對來說技術也比較成熟。Zoltan Lang[1 -3]通過一系列的論文來研究樹木模型的簡化，得到的力學模型逐步接近實際，為采收式機械的優化提供了非常好的模型基礎。Fábio Lúcio Santos[4]等通過不同品種的咖啡樹振動試驗研究找出了最優的采收頻率，發現果實在采收的過程中與機械的頻率和振幅有很大的關系。國內近些年才開始對其進行研究，且研究還不是很多。
蔡菲[5]等通過高速攝像對果實采收過程的研究發現：果實脫落的瞬間是速度差最大時，且使其脫落的力主要是由彎扭產生的。杜小強[6]等主要研究了樹木形態學對能量傳遞的影響，發現能量的傳遞與樹木的形態有很大的關聯。然而，目前卻很少有人量化受迫振動下樹枝的力學性能參數。
1 材料與方法
1. 1 試驗儀器
高速攝像儀及自帶的 Phantom 軟件，靜態應變儀系統（ DH -3820） ,激振器，砝碼，卷尺，以及記號筆等。
高速攝像儀由美國 Vision Research 公司生產，型號為 V9. 1,其分辨率最大為 1 600 × 1 200,最大分辨率下的幀頻達 1 000 幀，低分辨率下的幀頻達 160 000幀。
Phantom 控制軟件用于采集圖形和數據的后續處理分析。
DH - 3820 是全智能的高速巡回數據采集系統，通過計算機完成自動平衡、采樣控制、自動修正、數據存儲、數據處理和分析，以及生成和打印實驗報告。激振器的轉速為 8 000r/min,功率為 2 100W,激振器型號為 06s530 - B.
1. 2 試驗條件
試驗地點： 新疆英吉沙縣杏果基地；杏果品種： 賽買提杏；杏樹： 樹齡大小為 8 ~ 12 年，株距行距為 4m ×5m,杏樹果枝以細長枝條為主；振動方式： 側枝振動；激振器型號： 06s530 - B,功率 2 100W;高速攝像儀型號： Vision Research 公司生產的 V9. 1,本次試驗過程中幀頻達 1 000Hz;拍攝位置： 拍攝過程中拍攝角度與主振動面垂直，拍攝距離為 5 ~8m,拍攝高度為 1. 8m.
1. 3 試驗過程
在試驗過程中，首先選擇成熟度較合適、生物形態較規則、側枝在振動過程中無障礙、杏果果柄與側枝的連接方式相近的杏樹側枝為試驗對象，剪掉周圍的果葉，以免在振動過程中使拍攝、捕捉成為盲區。
其次，對杏果實進行編號，同時標記捕捉點，以便在Phantom 控制軟件中進行后續跟蹤、分析處理。在側枝上安置激振器，當枝干受到激振力作用強迫振動時，杏果實也被迫振動。枝干的振動方式為無限多自由度懸臂梁的橫向振動，杏果實的振動方式為自由振動與強迫簡諧振動的組合[7 -11].加速運動的杏果實，在慣性力的作用下，振動一定時間后，當脫落慣性力大于果柄與所在枝干的結合力時，杏果實的果柄與枝干最弱的連接處發生斷裂[12 -13],杏果實被甩出。
本文借助于高速攝像儀對振動采收全過程進行跟蹤拍攝，在同振源、同作用時間的前提下，對同枝干、不同位置的杏果實振動脫落過程瞬時速度變化進行階段性研究，探討振動采收過程中瞬時速度和位移變化規律，并與所在枝干進行對比，從理論上量化杏果實在振動脫落過程中的力學性能參數，為振動機械化采收提供必要的理論依據。
2 結果與分析
2. 1 同枝干杏果實振動脫落過程瞬時速度變化
圖 1 為杏果實 3、7 號與所在枝干分離圖，枝干直徑為 5mm.杏果實 3 距側枝與主枝分節點距離為0. 167m,杏果實 7 距側枝與主枝分節點距離為0. 198m,果柄與果枝的連接方式類似。由圖 1 可知，杏果實3、7 號在整個振動過程中瞬時速度的變化規律相似，杏果實 3、7 號從開始有運動趨勢到最后與所在枝干分離用 980ms.瞬時速度最大值為 1. 396 m/s.根據振動過程中枝干的擺動方向，圖 1 中杏果實3、7 號瞬時速度的變化規律分為 6 個階段： 第 1 階段，橫坐標對應 5 ~225ms,杏果實 3 瞬時速度在 0. 208 ~1. 266m / s,瞬時速度峰值出現在 155ms 時刻，峰值為1. 266m / s; 杏果實 7 瞬時速度的變化還未延遲，與杏果實 3 瞬時速度的變化相似。第 2 階段，橫坐標對應225 ~ 345ms,杏果實 3 瞬時速度在 0. 208 ~ 1. 12 m / s,杏果實 3 瞬時速度的峰值出現在 290ms,峰值為1. 12m / s; 杏果實 7 瞬時速度峰值出現在 320ms,較杏果實3 瞬時速度峰值出現晚 30ms.第 3 階段，橫坐標對應345 ~ 400ms,杏果實 3 瞬時速度在 0. 208 ~ 0. 75m / s,瞬時速度的峰值出現在370ms 時刻，峰值為0. 75m/s.
第 4 階段，橫坐標對應 400 ~ 650ms,杏果實瞬時速度在 0. 208 ~ 1. 396m/s,此階段杏果實 3 瞬時速度的峰值出現在 595ms 時刻，峰值為1. 396m/s; 杏果實 7 瞬時速度峰值出現在 620ms,較杏果實 3 瞬時速度峰值出現晚 25ms.第 5 階段，橫坐標對應 650 ~ 755ms,杏果實瞬時速度在 0. 208 ~ 1. 061m/s,此階段杏果實 3瞬時速度的峰值出現在 715ms,峰值為 1. 061m/s; 杏果實 7 瞬時速度峰值出現在 745ms,較杏果實 3 瞬時速度峰值出現晚 30ms.第 6 階段，橫坐標對應 755 ~835ms,杏果實瞬時速度在 0. 287 ~ 0. 75m / s,此階段杏果實 3 瞬時速度的峰值出現在 790ms,峰值為0. 75m / s; 杏果實 7 瞬時速度峰值出現在 825ms,較杏果實3 瞬時速度峰值出現晚 35ms.
2. 2 杏果實振動脫落過程與所在枝干瞬時速度對比
由圖2 可知，在整個振動過程中，所在枝干的瞬時速度小于杏果實 3、7 號相對應的瞬時速度，故杏果實與所在枝干有相對運動。相對運動產生相對加速度，由于杏果實自身具有質量，故在慣性力的作用下，當脫落慣性力大于杏果實果柄與所在枝干的結合力時杏果實甩出，完成與所在枝干的分離。杏果實 3、7 號瞬時速度的變化周期與所在枝干瞬時速度的變化周期幾乎相近。瞬時速度峰值出現的時刻規律為，在 6 個振動周期中所在枝干的瞬時速度峰值出現時刻都較杏果實3、7 瞬時速度峰值出現的早。即杏果實在接受振動能量傳遞時有延遲，這與實際試驗觀測結果一致，證明此次試驗數據可用，并能從理論上量化杏果實在振動脫落過程中的力學性能參數。
2. 3 振動過程中枝干隨時間的位移變化圖
圖 3 分析研究了杏果枝的振動特性。其中，兩條周期性變化的曲線分別表示同一枝干上2 個不同定點坐標值隨時間變化圖。此研究對象-杏果枝，在 2 個定點處直徑基本沒有變化。由圖 3 得知： 隨著時間的推移，枝干坐標具有一定周期性的變化。由于設置夾持點為參考點，夾持點距離分叉點的距離為 0. 053m,枝干 3 點就處于分叉點處所以枝干 3 的曲線變化線位于 2 條變化曲線的最低部。從 550 時刻到 625 時刻縱坐標基本沒有變化，即振動起步階段枝干2 定點隨著時間的推移距離夾持參考點的距離不變； 隨后進入平穩振動階段，3、7 定點的坐標峰值隨時間的推移逐漸增大，而且峰值基本同步出現，一個振動周期基本為 70 ~80ms.
3 結論
1） 在振動脫落過程中，同枝干、不同位置的杏果實瞬時速度的變化規律有 6 個階段。其中，前 3 個階段振動參數相近，后 3 個階段振動參數相近。2） 所在枝干的瞬時速度小于杏果實的瞬時速度，振動周期較杏果實的振動周期早。
3） 杏果實瞬時速度出現峰值時，所在枝干的瞬時速度處于低谷，兩者的相對運動明顯加強。
4） 所在枝干的瞬時速度變化周期平穩，杏果實瞬時速度峰值增大迅猛。
5） 杏果實與所在枝干完全分離前的 6 ~ 10ms,杏果實與所在枝干的相對瞬時速度達到最大。
6） 杏果實脫落瞬間沿運動軌跡的切線方向甩出
