引言
杏子是具有很高经济价值的水果作物，对新疆的农业经济有较大贡献； 但杏子收获时间比较短，且果实在树枝上很分散，仅仅靠人工采摘是根本无法满足要求的。目前市场上，陆续出现了一些与杏子机械式采收相关的机械，但这些机械在采收的过程中对杏树和杏子的损伤都比较大，并不能满足果农要求，且对果农经济收入影响非常大，因此迫切希望出现一种能满足采收要求的机械。
国外在这方面的研究非常早，研究也比较多，相对来说技术也比较成熟。Zoltan Lang[1 -3]通过一系列的论文来研究树木模型的简化，得到的力学模型逐步接近实际，为采收式机械的优化提供了非常好的模型基础。Fábio Lúcio Santos[4]等通过不同品种的咖啡树振动试验研究找出了最优的采收频率，发现果实在采收的过程中与机械的频率和振幅有很大的关系。国内近些年才开始对其进行研究，且研究还不是很多。
蔡菲[5]等通过高速摄像对果实采收过程的研究发现：果实脱落的瞬间是速度差最大时，且使其脱落的力主要是由弯扭产生的。杜小强[6]等主要研究了树木形态学对能量传递的影响，发现能量的传递与树木的形态有很大的关联。然而，目前却很少有人量化受迫振动下树枝的力学性能参数。
1 材料与方法
1. 1 试验仪器
高速摄像仪及自带的 Phantom 软件，静态应变仪系统（ DH -3820） ,激振器，砝码，卷尺，以及记号笔等。
高速摄像仪由美国 Vision Research 公司生产，型号为 V9. 1,其分辨率最大为 1 600 × 1 200,最大分辨率下的帧频达 1 000 帧，低分辨率下的帧频达 160 000帧。
Phantom 控制软件用于采集图形和数据的后续处理分析。
DH - 3820 是全智能的高速巡回数据采集系统，通过计算机完成自动平衡、采样控制、自动修正、数据存储、数据处理和分析，以及生成和打印实验报告。激振器的转速为 8 000r/min,功率为 2 100W,激振器型号为 06s530 - B.
1. 2 试验条件
试验地点： 新疆英吉沙县杏果基地；杏果品种： 赛买提杏；杏树： 树龄大小为 8 ~ 12 年，株距行距为 4m ×5m,杏树果枝以细长枝条为主；振动方式： 侧枝振动；激振器型号： 06s530 - B,功率 2 100W;高速摄像仪型号： Vision Research 公司生产的 V9. 1,本次试验过程中帧频达 1 000Hz;拍摄位置： 拍摄过程中拍摄角度与主振动面垂直，拍摄距离为 5 ~8m,拍摄高度为 1. 8m.
1. 3 试验过程
在试验过程中，首先选择成熟度较合适、生物形态较规则、侧枝在振动过程中无障碍、杏果果柄与侧枝的连接方式相近的杏树侧枝为试验对象，剪掉周围的果叶，以免在振动过程中使拍摄、捕捉成为盲区。
其次，对杏果实进行编号，同时标记捕捉点，以便在Phantom 控制软件中进行后续跟踪、分析处理。在侧枝上安置激振器，当枝干受到激振力作用强迫振动时，杏果实也被迫振动。枝干的振动方式为无限多自由度悬臂梁的横向振动，杏果实的振动方式为自由振动与强迫简谐振动的组合[7 -11].加速运动的杏果实，在惯性力的作用下，振动一定时间后，当脱落惯性力大于果柄与所在枝干的结合力时，杏果实的果柄与枝干最弱的连接处发生断裂[12 -13],杏果实被甩出。
本文借助于高速摄像仪对振动采收全过程进行跟踪拍摄，在同振源、同作用时间的前提下，对同枝干、不同位置的杏果实振动脱落过程瞬时速度变化进行阶段性研究，探讨振动采收过程中瞬时速度和位移变化规律，并与所在枝干进行对比，从理论上量化杏果实在振动脱落过程中的力学性能参数，为振动机械化采收提供必要的理论依据。
2 结果与分析
2. 1 同枝干杏果实振动脱落过程瞬时速度变化
图 1 为杏果实 3、7 号与所在枝干分离图，枝干直径为 5mm.杏果实 3 距侧枝与主枝分节点距离为0. 167m,杏果实 7 距侧枝与主枝分节点距离为0. 198m,果柄与果枝的连接方式类似。由图 1 可知，杏果实3、7 号在整个振动过程中瞬时速度的变化规律相似，杏果实 3、7 号从开始有运动趋势到最后与所在枝干分离用 980ms.瞬时速度最大值为 1. 396 m/s.根据振动过程中枝干的摆动方向，图 1 中杏果实3、7 号瞬时速度的变化规律分为 6 个阶段： 第 1 阶段，横坐标对应 5 ~225ms,杏果实 3 瞬时速度在 0. 208 ~1. 266m / s,瞬时速度峰值出现在 155ms 时刻，峰值为1. 266m / s; 杏果实 7 瞬时速度的变化还未延迟，与杏果实 3 瞬时速度的变化相似。第 2 阶段，横坐标对应225 ~ 345ms,杏果实 3 瞬时速度在 0. 208 ~ 1. 12 m / s,杏果实 3 瞬时速度的峰值出现在 290ms,峰值为1. 12m / s; 杏果实 7 瞬时速度峰值出现在 320ms,较杏果实3 瞬时速度峰值出现晚 30ms.第 3 阶段，横坐标对应345 ~ 400ms,杏果实 3 瞬时速度在 0. 208 ~ 0. 75m / s,瞬时速度的峰值出现在370ms 时刻，峰值为0. 75m/s.
第 4 阶段，横坐标对应 400 ~ 650ms,杏果实瞬时速度在 0. 208 ~ 1. 396m/s,此阶段杏果实 3 瞬时速度的峰值出现在 595ms 时刻，峰值为1. 396m/s; 杏果实 7 瞬时速度峰值出现在 620ms,较杏果实 3 瞬时速度峰值出现晚 25ms.第 5 阶段，横坐标对应 650 ~ 755ms,杏果实瞬时速度在 0. 208 ~ 1. 061m/s,此阶段杏果实 3瞬时速度的峰值出现在 715ms,峰值为 1. 061m/s; 杏果实 7 瞬时速度峰值出现在 745ms,较杏果实 3 瞬时速度峰值出现晚 30ms.第 6 阶段，横坐标对应 755 ~835ms,杏果实瞬时速度在 0. 287 ~ 0. 75m / s,此阶段杏果实 3 瞬时速度的峰值出现在 790ms,峰值为0. 75m / s; 杏果实 7 瞬时速度峰值出现在 825ms,较杏果实3 瞬时速度峰值出现晚 35ms.
2. 2 杏果实振动脱落过程与所在枝干瞬时速度对比
由图2 可知，在整个振动过程中，所在枝干的瞬时速度小于杏果实 3、7 号相对应的瞬时速度，故杏果实与所在枝干有相对运动。相对运动产生相对加速度，由于杏果实自身具有质量，故在惯性力的作用下，当脱落惯性力大于杏果实果柄与所在枝干的结合力时杏果实甩出，完成与所在枝干的分离。杏果实 3、7 号瞬时速度的变化周期与所在枝干瞬时速度的变化周期几乎相近。瞬时速度峰值出现的时刻规律为，在 6 个振动周期中所在枝干的瞬时速度峰值出现时刻都较杏果实3、7 瞬时速度峰值出现的早。即杏果实在接受振动能量传递时有延迟，这与实际试验观测结果一致，证明此次试验数据可用，并能从理论上量化杏果实在振动脱落过程中的力学性能参数。
2. 3 振动过程中枝干随时间的位移变化图
图 3 分析研究了杏果枝的振动特性。其中，两条周期性变化的曲线分别表示同一枝干上2 个不同定点坐标值随时间变化图。此研究对象-杏果枝，在 2 个定点处直径基本没有变化。由图 3 得知： 随着时间的推移，枝干坐标具有一定周期性的变化。由于设置夹持点为参考点，夹持点距离分叉点的距离为 0. 053m,枝干 3 点就处于分叉点处所以枝干 3 的曲线变化线位于 2 条变化曲线的最低部。从 550 时刻到 625 时刻纵坐标基本没有变化，即振动起步阶段枝干2 定点随着时间的推移距离夹持参考点的距离不变； 随后进入平稳振动阶段，3、7 定点的坐标峰值随时间的推移逐渐增大，而且峰值基本同步出现，一个振动周期基本为 70 ~80ms.
3 结论
1） 在振动脱落过程中，同枝干、不同位置的杏果实瞬时速度的变化规律有 6 个阶段。其中，前 3 个阶段振动参数相近，后 3 个阶段振动参数相近。2） 所在枝干的瞬时速度小于杏果实的瞬时速度，振动周期较杏果实的振动周期早。
3） 杏果实瞬时速度出现峰值时，所在枝干的瞬时速度处于低谷，两者的相对运动明显加强。
4） 所在枝干的瞬时速度变化周期平稳，杏果实瞬时速度峰值增大迅猛。
5） 杏果实与所在枝干完全分离前的 6 ~ 10ms,杏果实与所在枝干的相对瞬时速度达到最大。
6） 杏果实脱落瞬间沿运动轨迹的切线方向甩出
