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机械采收蓝莓振动特性及数值模拟研究

鲍玉冬  
【摘要】:伴随着人们对蓝莓果实健康功效的认识以及蓝莓产业成为较高经济项目的进程,近年来蓝莓的种植面积逐年扩大。我国蓝莓产业发展相对较晚,而且蓝莓产业兴盛周期长,当前我国正值发展期,很长一段时间国内不会出现产品过剩危机。其中黑龙江省发展蓝莓产业具有绝佳的资源优势。蓝莓采收作业季节性强、劳动密集性强、劳动强度大,使得蓝莓种植规模受到限制。美国和欧洲等很多国家已经实现了机械化采收,目前国内包括蓝莓在内的许多小浆果主要由人工采收,因此发展国内蓝莓采收机械,成为我国蓝莓产业发展的迫切需求和必然趋势。本文主要对蓝莓果实采摘过程中果树的振动特性及收获过程果实的接触碰撞进行了研究,完善了小浆果灌木振动特性理论,基于离散元法分析、模拟了果实的收获过程,为蓝莓采收机的振动频率、行走速度等工作参数的设置提供了技术支持,为蓝莓采收机的结构改进提供了理论基础,为国内蓝莓采收机采收果品质量的保证提供了可靠支持,提高了国内蓝莓采收机的机械化水平和可靠性,促进了国内蓝莓采收机的推广和应用。建立了果实采摘力模型,确定了果实与枝分离的采摘力;将灌木的各级枝等效为悬臂直梁,分析了蓝莓灌木枝的自由振动和受迫振动,自由振动会随着振动的外界干扰逐渐衰减,振动采摘时起决定作用的是枝的受迫振动;建立了以蓝莓灌木枝、主根及与主根粘连的土壤为系统的灌木振动模型,研究了主根和与主根粘连的土壤的振动能耗;分析了灌木-激振器振动系统,灌木枝若要获得足够的振幅和位移保证果实脱落,需要适合的激振频率。应用蓝莓灌木生物学数据和力学数据对模型进行了参数化设置,通过对模型的仿真分别获得了副枝和整株获得足够振幅的频率范围。建立了蓝莓灌木振动测试系统,对测试系统的硬件和软件进行了配置和选用;在实验室环境下对蓝莓灌木进行了振动测试试验,得到了蓝莓灌木获得较大振幅的频率范围为15~22 Hz,各级枝都有明显振幅的频率值接近20 Hz;通过频率范围验证了整株灌木振动模型和采摘力。基于离散元法对蓝莓果实的接触和碰撞做了分析,确定了颗粒单元的属性和模型;基于软球模型,将果实之间的接触用线性弹簧模型来表征,将果实与器壁之间的接触用Hertz-Mindlin无滑动模型来表征;分析了机械作业收获时颗粒果实运动的轨迹,求解了颗粒运动方程和颗粒碰撞耗散的能量;确定了离散元法颗粒接触的判断方法、时间步长和求解流程。对美登、北村蓝莓果实生物学数据和生物力学数据进行了测量,利用蓝莓果实的静态压缩试验获得果实的压缩破坏能。建立了美登、北村果实物理模型和果树虚拟模型,基于离散元法对手推式采收机和牵引式采收机的采收过程进行了数值模拟,获取了美登、北村果实平均压缩力、合力、动能和总能量随时间变化的曲线;优选的手推式蓝莓采收机和牵引式蓝莓采收机的行走速度分别是0.5 m/s和1.0m/s,通过数值模拟结果与压缩破坏能的对比确定了机械采收果实理论上果实无损伤;提出了利用“多岛”结构改进牵引式蓝莓采收机的果实输送带;分析了激振器对果实受力的影响。对牵引式蓝莓采收机进行了结构改造,研制了手推式矮丛蓝莓采收机Ⅱ代样机。以激振频率、收获机行走速度和操作人员技术水平为试验因素,每个因素三个水平设计了正交试验方案。以摘净率、收获率和青果率为试验指标,在蓝莓集中成熟的季节对手推式和牵引式采收机进行了采收试验,以人工采收效率做对比,根据试验因素最优组合时收获到的果实的破损率、枝的损伤程度综合评价振动频率和收获行走速度工作参数的合理性。牵引式采收机在激振频率为20 Hz,行走速度为1.0 m/s时,基本摘净了全部熟果,收获率可达94%,果实破损率为8.6%,改进后的输送带提高了果实的分散程度;手推式采收机在激振频率为20 Hz,行走速度为0.5 m/s时,熟果摘净率可达94%,收获率可达84%,果实破损率为6.5%。获得了两款采收机对操作人员技术水平的要求以及采收机存在的不足和今后改进的方向。


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