機械采收藍莓振動特性及數(shù)值模擬研究.pdf

1、伴隨著人們對藍莓果實健康功效的認識以及藍莓產業(yè)成為較高經濟項目的進程，近年來藍莓的種植面積逐年擴大。我國藍莓產業(yè)發(fā)展相對較晚，而且藍莓產業(yè)興盛周期長，當前我國正值發(fā)展期，很長一段時間國內不會出現(xiàn)產品過剩危機。其中黑龍江省發(fā)展藍莓產業(yè)具有絕佳的資源優(yōu)勢。
　　藍莓采收作業(yè)季節(jié)性強、勞動密集性強、勞動強度大，使得藍莓種植規(guī)模受到限制。美國和歐洲等很多國家已經實現(xiàn)了機械化采收，目前國內包括藍莓在內的許多小漿果主要由人工采收，因此發(fā)展國內

2、藍莓采收機械，成為我國藍莓產業(yè)發(fā)展的迫切需求和必然趨勢。
　　本文主要對藍莓果實采摘過程中果樹的振動特性及收獲過程果實的接觸碰撞進行了研究，完善了小漿果灌木振動特性理論，基于離散元法分析、模擬了果實的收獲過程，為藍莓采收機的振動頻率、行走速度等工作參數(shù)的設置提供了技術支持，為藍莓采收機的結構改進提供了理論基礎，為國內藍莓采收機采收果品質量的保證提供了可靠支持，提高了國內藍莓采收機的機械化水平和可靠性，促進了國內藍莓采收機的推廣和應

3、用。
　　建立了果實采摘力模型，確定了果實與枝分離的采摘力;將灌木的各級枝等效為懸臂直梁，分析了藍莓灌木枝的自由振動和受迫振動，自由振動會隨著振動的外界干擾逐漸衰減，振動采摘時起決定作用的是枝的受迫振動;建立了以藍莓灌木枝、主根及與主根粘連的土壤為系統(tǒng)的灌木振動模型，研究了主根和與主根粘連的土壤的振動能耗;分析了灌木-激振器振動系統(tǒng)，灌木枝若要獲得足夠的振幅和位移保證果實脫落，需要適合的激振頻率。應用藍莓灌木生物學數(shù)據和力學數(shù)據對

4、模型進行了參數(shù)化設置，通過對模型的仿真分別獲得了副枝和整株獲得足夠振幅的頻率范圍。
　　建立了藍莓灌木振動測試系統(tǒng)，對測試系統(tǒng)的硬件和軟件進行了配置和選用;在實驗室環(huán)境下對藍莓灌木進行了振動測試試驗，得到了藍莓灌木獲得較大振幅的頻率范圍為15～22 Hz，各級枝都有明顯振幅的頻率值接近20 Hz;通過頻率范圍驗證了整株灌木振動模型和采摘力。
　　基于離散元法對藍莓果實的接觸和碰撞做了分析，確定了顆粒單元的屬性和模型;基于軟球

5、模型，將果實之間的接觸用線性彈簧模型來表征，將果實與器壁之間的接觸用Hertz-Mindlin無滑動模型來表征;分析了機械作業(yè)收獲時顆粒果實運動的軌跡，求解了顆粒運動方程和顆粒碰撞耗散的能量;確定了離散元法顆粒接觸的判斷方法、時間步長和求解流程。
　　對美登、北村藍莓果實生物學數(shù)據和生物力學數(shù)據進行了測量，利用藍莓果實的靜態(tài)壓縮試驗獲得果實的壓縮破壞能。建立了美登、北村果實物理模型和果樹虛擬模型，基于離散元法對手推式采收機和牽引式

6、采收機的采收過程進行了數(shù)值模擬，獲取了美登、北村果實平均壓縮力、合力、動能和總能量隨時間變化的曲線;優(yōu)選的手推式藍莓采收機和牽引式藍莓采收機的行走速度分別是0.5 m/s和1.0 m/s，通過數(shù)值模擬結果與壓縮破壞能的對比確定了機械采收果實理論上果實無損傷;提出了利用“多島”結構改進牽引式藍莓采收機的果實輸送帶;分析了激振器對果實受力的影響。
　　對牽引式藍莓采收機進行了結構改造，研制了手推式矮叢藍莓采收機Ⅱ代樣機。以激振頻率、收

7、獲機行走速度和操作人員技術水平為試驗因素，每個因素三個水平設計了正交試驗方案。以摘凈率、收獲率和青果率為試驗指標，在藍莓集中成熟的季節(jié)對手推式和牽引式采收機進行了采收試驗，以人工采收效率做對比，根據試驗因素最優(yōu)組合時收獲到的果實的破損率、枝的損傷程度綜合評價振動頻率和收獲行走速度工作參數(shù)的合理性。牽引式采收機在激振頻率為20 Hz，行走速度為1.0 m/s時，基本摘凈了全部熟果，收獲率可達94％，果實破損率為8.6％，改進后的輸送帶提高