马铃薯收获机升运过程机械损伤分析与试验

发布时间：2020-07-13 17:06

【摘要】：马铃薯是仅次于小麦、水稻和玉米的全球第四大重要粮食作物,并且随着马铃薯主粮化战略的启动,我国马铃薯种植得到了足够多的重视。我国马铃薯种植面积位居世界第一,但马铃薯的质量与一些先进国家仍有较大差距。其中在收获过程中的机械损伤严重是导致我国马铃薯质量低的重要原因之一,收获过程中的机械损伤会导致马铃薯在后续加工贮存等过程中产生较大影响。目前国内外对于机械损伤的研究主要从物料特性以及针对相关收获机械方面入手,针对我国广泛使用的升运链式马铃薯收获机,开展如何减轻马铃薯机械损伤的研究成为了提升马铃薯质量的关键。因此,针对上述问题,本研究对升运链式马铃薯收获机上的机械损伤产生机理进行探究,确定马铃薯在收获过程中易产生机械损伤的部位,对损伤过程进行运动学分析以及碰撞力学分析,并对马铃薯与升运链杆条的碰撞模型进行了有限元仿真分析,针对影响机械损伤的因素设计了相应试验。主要内容如下:(1)针对特定马铃薯品种对马铃薯的基本参数进行测定,包括基本物理参数和基本力学参数,确定马铃薯块茎的外形尺寸特性以及薯皮和薯块的力学特性,其中基本物理参数包括轴向尺寸、形状指数和曲率半径的测量;基本力学参数包括马铃薯块茎的压缩特性以及薯皮的拉伸特性。(2)根据升运链式马铃薯收获机的作业特点确定易发生机械损伤的部位,即马铃薯在一级升运链末端掉落至二级升运链处和二级升运链上被抛起而掉落至二级升运链处,以及升运结束后掉落至田间或掉落至集装箱的过程,以此过程作为研究对象进行运动学分析以及碰撞过程中的力学分析,确定影响马铃薯机械损伤的影响因素。(3)通过对马铃薯损伤过程的运动特性和碰撞力学特性的分析,以测定的马铃薯物理参数和力学参数为基础建立马铃薯与升运链杆条的有限元模型,以常规升运链式马铃薯收获机的作业参数为初始条件,运用Hyper Works联合LS-DYNA对有限元模型进行计算,对仿真计算结果进行分析。(4)设计试验台并按照国外学者对于机械损伤的测定标准进行台架试验,以理论分析得出的机具前进速度、升运链线速度、升运链倾角和跌落高度为试验因素,以损伤面积标准值和损伤深度标准值为试验指标,采用二次回归旋转组合试验的方法进行试验研究,对试验结果进行回归分析,并对作业参数进行优化,以减轻马铃薯机械损伤的情况。并进行基于电子马铃薯的验证试验,验证上述作业参数组合可以改善机械损伤情况。相关研究结果:(1)对马铃薯基本参数测定结果为:尤金885马铃薯品种轴向尺寸范围在长度60-90mm,宽度55-68mm,厚度47-60mm内,形状指数处于范围0.75-0.89内,其顶部对应的曲率半径平均值为18.53mm,腰部对应的曲率半径平均值为43.22mm,底部对应的曲率半径平均值为19.41mm;试验测得尤金885马铃薯品种的薯块的弹性模量为5.13MPa,薯块的泊松比为0.47,极限压力为384.8N,极限压应力为0.96MPa;薯皮的极限拉断力为8.04N,极限拉应力为0.358MPa。后续研究将在此基础上展开。(2)通过对马铃薯可能产生机械损伤部位的运动特性分析以及碰撞过程中的力学分析确定了影响针对升运链式马铃薯收获机上产生机械损伤的影响因素,分别是机具前进速度、升运链倾角、下落高度、升运链线速度以及薯块自身的质量;并通过上述影响因素设计针对升运链式马铃薯收获机的机械损伤试验装置。(3)通过台架试验验证了影响马铃薯机械损伤的因素,得出优化后的升运链式马铃薯收获机的相关参数可以减轻马铃薯机械损伤情况。试验台试验确定了最佳的作业参数,当机具前进速度为1.0m/s,二级升运链线速度为1.5m/s,二级升运链倾角为14°,二级升运链处马铃薯跌落高度为180mm,二级升运链末端马铃薯跌落高度为150mm,马铃薯与杆条碰撞和与平面碰撞时的损伤面积标准值和损伤深度标准值均优于传统作业参数下的马铃薯损伤情况,验证马铃薯机械损伤机理研究的合理性以及作业参数优化的合理性,满足通过优化作业参数减轻马铃薯机械损伤情况的要求。本文的相关研究为升运链式马铃薯收获机的机械损伤原理研究和作业参数优化提供了新思路和新方法,为马铃薯机械损伤的研究提供了理论支持和技术参考。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S225.71
【图文】：

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对薯块碰撞的各个过程进行力学和运动学分析，对和有限元分析以证实理论分析的可行性，试验分析收获机各，得到升运链式马铃薯收获机减少损伤的最佳作业参数组合损伤的损伤机理，为升运链式马铃薯收获机优化作业方式提研究现状马铃薯机械损伤的研究主要从两个方面开展：一方面是从农薯生物力学特性进行损伤分析，在这方面，主要从马铃薯块等生物力学特性方面探究马铃薯的损伤情况；另一方面是用马铃薯收获机械分析机械损伤产生情况。料特性的损伤研究概况性属于物理学范畴[13]，主要集中于四个方面，即：农业物料特性和光学特性。其中与机械损伤联系的最为密切的即为农特性、力学特性和物料的流体动力特性，表现为农业物料在程中受力而体现出的特性。在马铃薯机械损伤方面的研究主流变特性。

马铃薯,广义

以便控制温度减少机械收获中的损伤，得出较低温度和较高应变率下组降低，以及马铃薯块茎茎端要比芽端硬度高的结论[17-19]。2000 年，Alvarez M D 冷藏 140 天内的不同贮藏时间段内的马铃薯块茎进行取样，测定其单轴压缩、剪切伸、应力松弛、蠕变特性等参数，得出马铃薯块茎的压缩能量、最大剪切力、纵度、最大拉伸变形、应力松弛参数和含水量等参数受贮藏时间影响较为明显[20]。20dam Zdunek 等学者表明：对于易受机械损伤的水果和蔬菜，微观和宏观的组织开色和味道发生变化，从而质量下降，提出了一种被动声发射的方法，对马铃薯块形试样进行了压缩试验并检测其生物屈服点前后的声发射信号，试验结果与单株模型的比较表明，细胞壁开裂是压缩植物组织声发射信号的来源[21]。2006 年ntini 等学者对 2 个不同的马铃薯品种，在低温条件下，不同品种和贮藏时间对马铃学性能的影响，结果表明，2 个品种表现出不同的生物力学特性并随着贮藏天数物力学特性也表现出不同[22]。991 年，雷得天、马小愚等学者研究了马铃薯块茎组织在损伤时的力学性能及流变选取 2 个不同品种分别制成芯部试样和表皮试样，并进行静载压缩试验对比其力线，以变形度、破裂力和破裂时的变形作为评价指标，并以相应的流变学模型来品种、相同品种不同部位的差异：品种东农 303 为三参数广义 Maxwell 模型和品2 为五参数广义 Maxwell 模型，如图 1-2 所示[23]。

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技术路线

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