機(jī)械采收藍(lán)莓振動(dòng)特性及數(shù)值模擬研究.pdf

1、伴隨著人們對(duì)藍(lán)莓果實(shí)健康功效的認(rèn)識(shí)以及藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)成為較高經(jīng)濟(jì)項(xiàng)目的進(jìn)程，近年來(lái)藍(lán)莓的種植面積逐年擴(kuò)大。我國(guó)藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)較晚，而且藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)興盛周期長(zhǎng)，當(dāng)前我國(guó)正值發(fā)展期，很長(zhǎng)一段時(shí)間國(guó)內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品過剩危機(jī)。其中黑龍江省發(fā)展藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)具有絕佳的資源優(yōu)勢(shì)。
　　藍(lán)莓采收作業(yè)季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)密集性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，使得藍(lán)莓種植規(guī)模受到限制。美國(guó)和歐洲等很多國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化采收，目前國(guó)內(nèi)包括藍(lán)莓在內(nèi)的許多小漿果主要由人工采收，因此發(fā)展國(guó)內(nèi)

2、藍(lán)莓采收機(jī)械，成為我國(guó)藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求和必然趨勢(shì)。
　　本文主要對(duì)藍(lán)莓果實(shí)采摘過程中果樹的振動(dòng)特性及收獲過程果實(shí)的接觸碰撞進(jìn)行了研究，完善了小漿果灌木振動(dòng)特性理論，基于離散元法分析、模擬了果實(shí)的收獲過程，為藍(lán)莓采收機(jī)的振動(dòng)頻率、行走速度等工作參數(shù)的設(shè)置提供了技術(shù)支持，為藍(lán)莓采收機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)，為國(guó)內(nèi)藍(lán)莓采收機(jī)采收果品質(zhì)量的保證提供了可靠支持，提高了國(guó)內(nèi)藍(lán)莓采收機(jī)的機(jī)械化水平和可靠性，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)藍(lán)莓采收機(jī)的推廣和應(yīng)

3、用。
　　建立了果實(shí)采摘力模型，確定了果實(shí)與枝分離的采摘力;將灌木的各級(jí)枝等效為懸臂直梁，分析了藍(lán)莓灌木枝的自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)，自由振動(dòng)會(huì)隨著振動(dòng)的外界干擾逐漸衰減，振動(dòng)采摘時(shí)起決定作用的是枝的受迫振動(dòng);建立了以藍(lán)莓灌木枝、主根及與主根粘連的土壤為系統(tǒng)的灌木振動(dòng)模型，研究了主根和與主根粘連的土壤的振動(dòng)能耗;分析了灌木-激振器振動(dòng)系統(tǒng)，灌木枝若要獲得足夠的振幅和位移保證果實(shí)脫落，需要適合的激振頻率。應(yīng)用藍(lán)莓灌木生物學(xué)數(shù)據(jù)和力學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)

4、模型進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)置，通過對(duì)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(lán)莓灌木振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了配置和選用;在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)藍(lán)莓灌木進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，得到了藍(lán)莓灌木獲得較大振幅的頻率范圍為15～22 Hz，各級(jí)枝都有明顯振幅的頻率值接近20 Hz;通過頻率范圍驗(yàn)證了整株灌木振動(dòng)模型和采摘力。
　　基于離散元法對(duì)藍(lán)莓果實(shí)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(shí)之間的接觸用線性彈簧模型來(lái)表征，將果實(shí)與器壁之間的接觸用Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)模型來(lái)表征;分析了機(jī)械作業(yè)收獲時(shí)顆粒果實(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡，求解了顆粒運(yùn)動(dòng)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(shí)間步長(zhǎng)和求解流程。
　　對(duì)美登、北村藍(lán)莓果實(shí)生物學(xué)數(shù)據(jù)和生物力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)量，利用藍(lán)莓果實(shí)的靜態(tài)壓縮試驗(yàn)獲得果實(shí)的壓縮破壞能。建立了美登、北村果實(shí)物理模型和果樹虛擬模型，基于離散元法對(duì)手推式采收機(jī)和牽引式

6、采收機(jī)的采收過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲取了美登、北村果實(shí)平均壓縮力、合力、動(dòng)能和總能量隨時(shí)間變化的曲線;優(yōu)選的手推式藍(lán)莓采收機(jī)和牽引式藍(lán)莓采收機(jī)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(jié)果與壓縮破壞能的對(duì)比確定了機(jī)械采收果實(shí)理論上果實(shí)無(wú)損傷;提出了利用“多島”結(jié)構(gòu)改進(jìn)牽引式藍(lán)莓采收機(jī)的果實(shí)輸送帶;分析了激振器對(duì)果實(shí)受力的影響。
　　對(duì)牽引式藍(lán)莓采收機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造，研制了手推式矮叢藍(lán)莓采收機(jī)Ⅱ代樣機(jī)。以激振頻率、收

7、獲機(jī)行走速度和操作人員技術(shù)水平為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素三個(gè)水平設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)方案。以摘凈率、收獲率和青果率為試驗(yàn)指標(biāo)，在藍(lán)莓集中成熟的季節(jié)對(duì)手推式和牽引式采收機(jī)進(jìn)行了采收試驗(yàn)，以人工采收效率做對(duì)比，根據(jù)試驗(yàn)因素最優(yōu)組合時(shí)收獲到的果實(shí)的破損率、枝的損傷程度綜合評(píng)價(jià)振動(dòng)頻率和收獲行走速度工作參數(shù)的合理性。牽引式采收機(jī)在激振頻率為20 Hz，行走速度為1.0 m/s時(shí)，基本摘凈了全部熟果，收獲率可達(dá)94％，果實(shí)破損率為8.6％，改進(jìn)后的輸送帶提高