苹果碰撞损伤机理和局部对靶振动采收方法研究
发布时间：2020-06-10 20:12
【摘要】：大力发展果园收获作业机械化是提高劳动生产率、减轻果农劳动强度的有效途径。振动式苹果收获效率较高,适宜大面积、规模化作业,但瓶颈问题是损伤比较严重,难以机械化生产的推广应用。本文围绕这个问题,通过研究苹果碰撞损伤机理,从理论建模和实验方法创新两方面对苹果碰撞损伤规律进行了多方位、定性和定量研究;此外,针对新型苹果栽培模式,通过田间试验,初步验证了局部对靶振动采收方式的可行性。主要研究工作如下:(1)基于赫兹接触理论和弹塑性力学,在考虑果实塑性变形时发生软化特性的基础上,以果实间碰撞为例,建立了接触力与相对接近量以及接触力与损伤面积间的相互关系模型,通过算例和有限元模拟,验证了理论建模方法的正确性,后衍生出苹果与接收表面碰撞的力学模型,最后基于理论模型讨论了不同因素对苹果碰撞损伤的影响。(2)设计了摆动冲击实验装置,通过模拟苹果间不同部位自由碰撞,研究了苹果间碰撞损伤机理,验证了接触力与损伤面积的相互关系模型,得到了每个部位在七种不同水平碰撞力下的质量评估模型。结果表明,从损伤概率的角度考虑,苹果表面抵抗冲击损伤的能力沿着果柄一花萼方向逐渐下降;苹果间自由碰撞无损的冲击力应控制在15 N左右。(3)实验研究了缓冲材料撞击苹果减损机理,通过对不同部位分别施加七种不同水平的碰撞力,验证了接触力与损伤面积的相互关系模型,得到了三个部位均分别被三种聚氨酯泡棉冲击的质量评估模型。结果表明,使用硬度(25%形变压力)为2.1～11 kPa内的缓冲材料(聚氨酯泡棉)均可明显提高苹果抵抗冲击损伤能力,且增幅在2.1～4.8 kPa内比较明显,在4.8～11 kPa内甚微;在果实表面沿果柄-花萼方向的三个部位中,靠近果柄的抵抗冲击损伤的能力较弱,其他两部位的差异较小;因材料硬度达到一定值后,对提高果实抵抗冲击损伤能力趋于饱和,对“爵士”苹果进行缓冲时,建议选用约5.0 kPa的硬度,并将无损的碰撞力控制在约160 N。(4)实验研究了不同品种苹果与缓冲材料减损间的关联,得到了每个品种损伤较敏感部位分别被三种缓冲材料撞击的随等效跌落高度变化的质量评估模型。结果表明,使用所选2.1～11 kPa硬度内的缓冲材料均可以明显提高各品种抵抗冲击损伤能力,且硬度越大,增幅基本越大;缓冲材料对不同品种减少冲击损伤能力间的差异较大;缓冲材料对“爵士”、“史密斯”和“爱妃”苹果无损防护的等效高度分别为54、38和34 cm。(5)研究了适宜“墙形”和“V形”苹果栽培模式的局部对靶振动采收减损方法,研制了电驱激振装置和果实收集平台。利用电子水果仪,通过室内跌落对比实验,确定了收集平台的缓冲减损方案;在“墙形”棚架果园开展田间试验进行了验证。结果发现,当激振频率为15、20、和25 Hz时,果实分离率分别为84%、86%和92%,满足分级要求的果实占比分别为90%、94%和80%。结果表明,这种方法可获得较高的果实分离率和质量,具有推广应用前景。本文的研究结果可为振动收获减损收集装置的优化提供基础数据和理论支撑,同时为鲜苹果的机械化收获提供了一条有效的新途径。
【图文】：
１．１研究背景及意义逡逑我国是世界上苹果产量最高的国家Ｉ１］，据国家统计局最新数据显示，我国苹果的栽培面积在逡逑所有水果中位列第二，但产量最高如图１－１所示，我国苹果产量的变化趋势，苹果产量从逡逑２００６年的２６００万吨增加到２０１５年的４０９０万吨，十年时间增幅达到５７．５％。而无论在中国还是逡逑在欧美等发达国家，鲜苹果的收获均依旧还是依靠人工方式，借助梯子或者果园作业辅助平台进逡逑行手工采摘。据统计，采收５７０万吨的鲜苹果，需要雇佣４５０００￣５００００个熟练劳工在很短的收获逡逑季完成近几年，因人工费用上涨导致的生产成本增加，造成了我国苹果出口市场的竞争力逐逡逑步下滑，从２００９年１１７万吨的出口量，减少到２０１５年的８３万吨卜７】。在整个苹果生产成本中，逡逑仅收获作业的人工费用占比超过了三分之一。例如，在美国华盛顿州（Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ邋Ｓｔａｔｅ，邋ＵＳＡ），逡逑劳务支出消耗了整个“嘎啦”（“0３１３”）苹果生产活动的５８％，而仅收获作业就占了２５°／＜／８１。另外，逡逑随着生育率下降和平均寿命的提高
在短期内难以商品化。逡逑振动式收获通过对果树不同位置施加一定频率和幅值大小的激振力，使大量果实在短时间内逡逑脱落，同时通过收集装置接收，以达到较高的收获效率［２２—气目前，如图１－２所示，国外己经出逡逑现了集自走平台、果实分离和收集装置于一体的成套式商品化振动收获机械，用于收获像柑橘、逡逑葡萄、核桃、橄榄等表皮较厚、较硬或者用于加工处理的果品［２４＿２６］。研宄人员也曾开展了大量鲜逡逑食水果（如苹果、梨、樱桃等）机械化收获装备的研制工作，但收获损伤导致果品品质难以保证逡逑仍然是目前机械化生产难以广泛开展的主要原因之一。逡逑W「焌逡逑~枺义希龋龋眨慑义献ⅲ捍幼笾劣遥由系较乱来斡糜谑栈衿咸选⒏涕佟⑻易雍湍鹁破还Ｍ计丛从诠雀柰计阉鳌ｅ义贤迹保补獾湫偷淖宰呤焦氛穸栈窕义希疲椋纾酰颍邋澹保插澹裕穑椋悖幔戾澹螅澹欤妫穑颍铮穑澹欤欤澹溴澹螅瑁幔耄澹幔睿洌悖幔簦悖桢澹瑁幔颍觯澹螅簦澹颍箦澹恚幔洌邋澹椋铄澹妫铮颍澹椋纾铄澹悖铮酰睿簦颍椋澹箦义狭硪环矫妫诠笆栈窕笛兄频耐保还脑耘嗄Ｊ揭苍诟纳啤４车亩辔峁梗义习氚拿苤仓种材Ｊ剑蜃诺鼻安扛摺⒏屎匣祷栈竦南执胺⒄梗郏玻罚撸玻福荩珏义稀爸绷⑶叫危ⅲǎ郑澹颍簦椋悖幔戾澹疲颍酰椋簦椋睿珏澹祝幔欤戾澹粒颍悖瑁椋簦澹悖簦酰颍澹ㄍ迹保常┗颉埃中巍薄Ｔ谡庑┦餍沃校霉麇义贤ü炙勘徽挝嗖闩锛芙峁梗髦υ蜓刈鸥炙克缴ぁＵ庵纸峁箍梢越凳栈窨刂圃诰皱义喜炕氖髦λ，
本文编号：2706799
【图文】：
１．１研究背景及意义逡逑我国是世界上苹果产量最高的国家Ｉ１］，据国家统计局最新数据显示，我国苹果的栽培面积在逡逑所有水果中位列第二，但产量最高如图１－１所示，我国苹果产量的变化趋势，苹果产量从逡逑２００６年的２６００万吨增加到２０１５年的４０９０万吨，十年时间增幅达到５７．５％。而无论在中国还是逡逑在欧美等发达国家，鲜苹果的收获均依旧还是依靠人工方式，借助梯子或者果园作业辅助平台进逡逑行手工采摘。据统计，采收５７０万吨的鲜苹果，需要雇佣４５０００￣５００００个熟练劳工在很短的收获逡逑季完成近几年，因人工费用上涨导致的生产成本增加，造成了我国苹果出口市场的竞争力逐逡逑步下滑，从２００９年１１７万吨的出口量，减少到２０１５年的８３万吨卜７】。在整个苹果生产成本中，逡逑仅收获作业的人工费用占比超过了三分之一。例如，在美国华盛顿州（Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ邋Ｓｔａｔｅ，邋ＵＳＡ），逡逑劳务支出消耗了整个“嘎啦”（“0３１３”）苹果生产活动的５８％，而仅收获作业就占了２５°／＜／８１。另外，逡逑随着生育率下降和平均寿命的提高
在短期内难以商品化。逡逑振动式收获通过对果树不同位置施加一定频率和幅值大小的激振力，使大量果实在短时间内逡逑脱落，同时通过收集装置接收，以达到较高的收获效率［２２—气目前，如图１－２所示，国外己经出逡逑现了集自走平台、果实分离和收集装置于一体的成套式商品化振动收获机械，用于收获像柑橘、逡逑葡萄、核桃、橄榄等表皮较厚、较硬或者用于加工处理的果品［２４＿２６］。研宄人员也曾开展了大量鲜逡逑食水果（如苹果、梨、樱桃等）机械化收获装备的研制工作，但收获损伤导致果品品质难以保证逡逑仍然是目前机械化生产难以广泛开展的主要原因之一。逡逑W「焌逡逑~枺义希龋龋眨慑义献ⅲ捍幼笾劣遥由系较乱来斡糜谑栈衿咸选⒏涕佟⑻易雍湍鹁破还Ｍ计丛从诠雀柰计阉鳌ｅ义贤迹保补獾湫偷淖宰呤焦氛穸栈窕义希疲椋纾酰颍邋澹保插澹裕穑椋悖幔戾澹螅澹欤妫穑颍铮穑澹欤欤澹溴澹螅瑁幔耄澹幔睿洌悖幔簦悖桢澹瑁幔颍觯澹螅簦澹颍箦澹恚幔洌邋澹椋铄澹妫铮颍澹椋纾铄澹悖铮酰睿簦颍椋澹箦义狭硪环矫妫诠笆栈窕笛兄频耐保还脑耘嗄Ｊ揭苍诟纳啤４车亩辔峁梗义习氚拿苤仓种材Ｊ剑蜃诺鼻安扛摺⒏屎匣祷栈竦南执胺⒄梗郏玻罚撸玻福荩珏义稀爸绷⑶叫危ⅲǎ郑澹颍簦椋悖幔戾澹疲颍酰椋簦椋睿珏澹祝幔欤戾澹粒颍悖瑁椋簦澹悖簦酰颍澹ㄍ迹保常┗颉埃中巍薄Ｔ谡庑┦餍沃校霉麇义贤ü炙勘徽挝嗖闩锛芙峁梗髦υ蜓刈鸥炙克缴ぁＵ庵纸峁箍梢越凳栈窨刂圃诰皱义喜炕氖髦λ，
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