基于动力学相似理论的红枣激振器的优化设计与试验

发布时间：2020-06-02 02:35

【摘要】：红枣(jujube)是我国大面积种植的特色林果,其栽植面积和产量均占世界的99%,而新疆以其独特的地理位置和气候条件,非常适宜栽植品质优良的红枣。近年来,新疆枣树已到盛果期,而红枣采收完全依靠人工,作业效率低,成本高,已成为制约新疆红枣产业持续发展的重要因素。因此,亟需采用机械化作业,提高红枣采收效率,降低人工成本。本文通过对国内外林果采收机械的研究现状进行对比分析,结合新疆矮化密植红枣的种植模式和物料特性等参数,针对现有收获机械在作业过程中对果树的损伤率高、连续性作业效果不佳等问题,采用偏心块式激振机构,设计了一种以3个偏心块为激振源的激振装置,并基于动力学相似理论原理确定其相似比,完成试验台的加工试制并进行室内试验,主要得到如下结论:(1)红枣种植模式田间调研及物料特性测试。红枣的种植模式和物料特性是确定采收装置结构参数与工作参数的基础,通过对矮化密植种植模式下枣树的调研,得到的红枣单粒质量、尺寸等物理参数;以及3年生、5年生和8年生枣树的平均株距、平均行距、树冠直径、树高和主干高度等几何参数。(2)红枣振动特性研究。本文以红枣为研究对象,首先建立红枣“枝-柄-果”的双摆振动模型,通过理论分析获得系统的固有振动频率为14.69、17.26 Hz;通过振动试验测试系统的扫频试验和Ansys软件对枣树的模态仿真试验,得到枣树发生共振频率的范围集中出现在12~24 Hz;在共振频率范围内,分别以振幅为3、5、7 mm进行枣树的定频振动试验,结果表明在振幅为7 mm、频率为13~18 Hz时,红枣在采收过程中振动传递特性效果较好。(3)激振器的设计与试制。根据激振装置的设计要求,设计了一种由3个偏心块为激振源的激振器,并用SolidWorks软件建立激振器的三维模型;通过对激振器进行运动和振动的理论分析,得到角加速度α与偏心块质量m、电动机转速n、弹簧预紧力f之间的关系;基于动力学相似理论原理,确定以长度l的相似比λ_l=1/3为基础,完成激振器相似模型加工试制。(4)激振器运动仿真分析。通过ADAMS软件对激振器进行无阻尼仿真分析,仿真结果表明激振器壳体的运动规律符合简谐运动,证明激振器壳体的运动规律与理论分析一致,仿真结果也验证了阻尼装置是激振器不可缺少的一部分。(5)红枣采收激振器试验。通过理论分析,确定偏心块质量m、电动机转速n、弹簧预紧力f作为试验因素,以角加速度α和振幅A作为评价指标,进行了三因素五水平正交旋转中心组合试验;通过Design-Expert V8.0.6.1软件进行方差分析,建立了评价指标与各影响因素的数学回归模型,并确定最优参数组合为:偏心块质量m=233 g,电动机转速n=1080 r/min,弹簧预紧力f=35 N;根据最优参数组合进行试验,结果表明:在优化参数组合下,振幅平均值为A=46.73 mm、角加速度平均值为α=11.72 rad/s~2,壳体振动产生的最小惯性力F=9.87 N6 N,可知该激振装置满足红枣采收要求。
【图文】：

果实,果品,作业效率,机器人

基于动力学相似理论的红枣激振器的优化设计与试验械化采收作业[9]，提高果农的经济收入。2 机械采收技术亟待解决的科学问题林果采收的方法主要有人工采收、半机械化采收、机械化采收和机器人采摘四种[10]。（1）人工采收的作业方法主要是人直接用手或利用一些简单的非动力工具逐颗采摘果实，其最大的优点是采收的果品质量好，对果实的损伤率低，但作业效率低。（2）半机械化采收是果农利用一些动力工具对果品进行采摘的方法，它有效的提高了作业效率。（3）机械化采收是利用各种装备对果柄施加拉、弯、扭等外力作用，当作用力大于果实与植株的连接力时，果实与果柄完成分离，完成摘果过程。此方法不仅作业效率高，且经济效益好，但对果树、果实有损伤现象。（4）机器人采摘是模仿人工采摘时手对果品的抓取过程来实现对果品收获的方式。采摘机器人主要是针对质量较大、易识别的苹果、柑橘、西红柿等水果进行研究，由于工作环境的复杂性、不确定性及智能化水平、采收成本、采收效率等问题，采摘机器人还远没有达到农业生产的要求，离实用化和商品化还存在一定距离[11]。

振动模型

标上都和人工采收有较大差距，造成这种差距的主要原因是由于果树生长形态的，使机械装置在进行收获的过程中，往往只能使果树局部位置的果实发生分离。机械采收的效率及装备振动的振幅或频率，目前主要的方法是设计尺寸更大的激。然而实践证明，大尺寸振动采收装置的使用，对于果实分离效率的提高非常有且还经常造成果树枝干的损伤，甚至死亡；另外，，大尺寸振动采收装置的使用，振装置结构尺寸变大，地面试验受到场地面积、试验设备尺寸等因素限制，无法行。因此，本文以红枣为研究对象，采用偏心块式激振机构，设计了一种适用于动采收的激振装置，以期提高红枣收获机械连续性作业的效率，有效降低在作业对枣树的损伤率。.2 国内外研究现状.2.1 振动采收及理论建模为了提高果品振动采收的效率，有效降低作业时对果树的损伤率，国内外科研经研究了林果收获时的振动参数对采收效果的影响。他们将果树结构看作是简单构的连续体或多自由度的质量-弹簧系统，通过分析模型的振动特性或拟合试验定模型参数来建立果树的数学模型。
【学位授予单位】：石河子大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S225.93

【参考文献】