機械采收藍(lán)莓振動特性及數(shù)值模擬研究.pdf

1、伴隨著人們對藍(lán)莓果實健康功效的認(rèn)識以及藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)成為較高經(jīng)濟項目的進(jìn)程，近年來藍(lán)莓的種植面積逐年擴大。我國藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對較晚，而且藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)興盛周期長，當(dāng)前我國正值發(fā)展期，很長一段時間國內(nèi)不會出現(xiàn)產(chǎn)品過剩危機。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。
　　藍(lán)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(lán)莓種植規(guī)模受到限制。美國和歐洲等很多國家已經(jīng)實現(xiàn)了機械化采收，目前國內(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)展國內(nèi)

2、藍(lán)莓采收機械，成為我國藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求和必然趨勢。
　　本文主要對藍(lán)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(jìn)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(lán)莓采收機的振動頻率、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)莓采收機的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)，為國內(nèi)藍(lán)莓采收機采收果品質(zhì)量的保證提供了可靠支持，提高了國內(nèi)藍(lán)莓采收機的機械化水平和可靠性，促進(jìn)了國內(nèi)藍(lán)莓采收機的推廣和應(yīng)

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(lán)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(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(yīng)用藍(lán)莓灌木生物學(xué)數(shù)據(jù)和力學(xué)數(shù)據(jù)對

4、模型進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)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(lán)莓灌木振動測試系統(tǒng)，對測試系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了配置和選用;在實驗室環(huán)境下對藍(lán)莓灌木進(jìn)行了振動測試試驗，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(lán)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(lán)莓果實生物學(xué)數(shù)據(jù)和生物力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量，利用藍(lán)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(jìn)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(lán)莓采收機和牽引式藍(lán)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(jié)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(jié)構(gòu)改進(jìn)牽引式藍(lán)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(lán)莓采收機進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造，研制了手推式矮叢藍(lán)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(shù)水平為試驗因素，每個因素三個水平設(shè)計了正交試驗方案。以摘凈率、收獲率和青果率為試驗指標(biāo)，在藍(lán)莓集中成熟的季節(jié)對手推式和牽引式采收機進(jìn)行了采收試驗，以人工采收效率做對比，根據(jù)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(dá)94％，果實破損率為8.6％，改進(jìn)后的輸送帶提高