机械采收蓝莓振动特性及数值模拟研究

发布时间：2017-04-20 09:08

  本文关键词：机械采收蓝莓振动特性及数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【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。
【关键词】：蓝莓 采收机 振动频率 离散元 收获
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S225.93
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 1 绪论15-28
• 1.1 课题研究的目的及意义15-18
• 1.1.1 课题选题背景15-17
• 1.1.2 课题研究的目的17
• 1.1.3 课题研究的意义17-18
• 1.2 国内外研究现状18-26
• 1.2.1 果实力学行为研究进展18-20
• 1.2.2 离散元法的研究进展20-23
• 1.2.3 树木振动研究进展23-24
• 1.2.4 蓝莓采收机研究进展24-26
• 1.3 课题来源及研究的主要内容26-28
• 1.3.1 课题来源26
• 1.3.2 研究的主要内容26-28
• 2 蓝莓灌木振动特性分析与振动仿真28-51
• 2.1 蓝莓果实采摘力模型28-31
• 2.2 蓝莓灌木枝振动分析31-37
• 2.2.1 自由振动分析31-34
• 2.2.2 灌木枝受迫振动分析34-37
• 2.3 整株受迫振动分析37-42
• 2.3.1 整株模型的建立37-40
• 2.3.2 能量的损耗40
• 2.3.3 灌木-激振器振动系统研究40-42
• 2.4 蓝莓灌木生物学及力学数据的测量42-47
• 2.4.1 生物学数据的测量42-43
• 2.4.2 力学数据的测定43-47
• 2.5 基于ANSYS的蓝莓灌木振动仿真47-50
• 2.5.1 副枝的模态分析及扫频激振仿真47-48
• 2.5.2 整株的模态分析及扫频振动仿真48-50
• 2.5.3 仿真结果分析50
• 2.6 本章小结50-51
• 3 蓝莓灌木振动测试系统的建立及其试验51-62
• 3.1 振动测试系统总体设计51-52
• 3.1.1 振动测试系统概述51-52
• 3.1.2 蓝莓灌木振动测试系统设计52
• 3.2 振动系统的硬件配置及软件选用52-54
• 3.2.1 硬件配置52-54
• 3.2.2 软件选用54
• 3.3 实验室环境下蓝莓灌木振动试验54-60
• 3.3.1 试验条件54
• 3.3.2 试验方案54-55
• 3.3.3 信号处理与误差分析55-56
• 3.3.4 试验过程及结果56-60
• 3.4 试验结果分析60-61
• 3.4.1 整株受迫振动模型可行性的验证60-61
• 3.4.2 蓝莓果实采摘力的验证61
• 3.5 本章小结61-62
• 4 基于离散元法的果实接触模型与碰撞能耗分析62-82
• 4.1 蓝莓果实颗粒单元的属性及模型62-66
• 4.1.1 果实颗粒单元的属性62
• 4.1.2 果实颗粒模型62-66
• 4.2 果实接触模型的确定66-70
• 4.2.1 线性弹簧阻尼接触模型67-69
• 4.2.2 Hertz-Mindlin无滑动接触模型69-70
• 4.3 果实收获运动轨迹分析70-75
• 4.3.1 自由落体阶段71
• 4.3.2 碰撞阶段71-75
• 4.3.3 斜抛运动阶段75
• 4.3.4 滑动或滚动阶段75
• 4.4 果实颗粒运动能耗分析及求解过程75-81
• 4.4.1 颗粒运动方程75-77
• 4.4.2 碰撞能量消耗77
• 4.4.3 离散元法的求解过程77-81
• 4.5 本章小结81-82
• 5 机械收获蓝莓果实离散元法的数值模拟82-113
• 5.1 蓝莓果实生物学结构82-84
• 5.2 蓝莓果实物理机械性质的测定84-92
• 5.2.1 几何尺寸的测定84-86
• 5.2.2 弹性模量等主要参量的测定86-89
• 5.2.3 碰撞恢复系数的测定89-90
• 5.2.4 果肉硬度的测定90-91
• 5.2.5 泊松比的估算91-92
• 5.3 蓝莓果实收获离散元法的模拟92-112
• 5.3.1 数值模拟等效模型的建立92-96
• 5.3.2 采收机工作方式的确定96
• 5.3.3 手推式采收机收获的模拟96-104
• 5.3.4 牵引式采收机收获的模拟104-110
• 5.3.5 牵引式采收机果实分散的模拟及输送带的改进110-111
• 5.3.6 采收机振动器对果实受力影响的模拟111-112
• 5.4 本章小结112-113
• 6 蓝莓采收样机的研制及采收试验113-127
• 6.1 试验样机及主要技术参数113-118
• 6.1.1 手推式蓝莓采收机的研制113-115
• 6.1.2 牵引式蓝莓采收机的研制115-118
• 6.2 田间采摘及收获试验118-123
• 6.2.1 试验方案118-119
• 6.2.2 试验结果119-123
• 6.3 试验结果分析123-125
• 6.3.1 结果分析123-124
• 6.3.2 蓝莓采收机工作参数评价124-125
• 6.3.3 蓝莓采收机的改进方向125
• 6.4 本章小结125-127
• 结论127-129
• 参考文献129-137
• 攻读学位期间发表的学术论文137-138
• 致谢138-139

【参考文献】

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本文编号：318340