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电动自走式落地红枣清扫捡拾机的机械设计与试验研究

时间:2018-01-18 18:23来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是机械工程硕士论文,本文对新疆红枣进行压缩力学试验、硬度和密度的测量,测得红枣压缩破裂力、破裂变形、弹性模量、密度和硬度等物理特性参数。
第 1 章 绪论
 
1.1研究的背景与意义
红枣原产于中国,鼠李科枣属植物的果实,其在中国的栽培历史可追溯到几千年以前[1-3]。红枣皮薄肉厚,香甜脆口,是广受市场欢迎的水果之一;并且红枣含有丰富的维生素、蛋白质和黄酮等物质,也是一种优质的养生食材[4]。据不完全统计全国有红枣品种 800 多个,品种非常丰富[5]。除韩国、哈萨克斯坦等少数国家种植有规模较小的红枣之外,全世界绝大部分红枣的种植区域分布在中国,其种植的红枣年总产量占世界红枣年总产量的 90%以上[6]。山西、陕西、河南、河北、山东、新疆等地是我国红枣的主产区,红枣产量占全国红枣总产量的 90%以上(其中,山东红枣产量约占 27%,山西红枣产量约占 20%,陕西红枣产量约占 5%,河南红枣产量约占 6%,河北红枣产量约占 26%,新疆红枣产量约占 6%),我国红枣种植分布情况如图 1-1 所示。新疆尤其是南疆地区日照时间长、昼夜温差大等气候条件为红枣的优良品质创造了基本条件,而且经过专家论证和试验证明了南疆是全球最适宜种植优质红枣的地区[7],图 1-2 为新疆红枣种植分布图。通过对优质红枣品种的引进,南疆红枣种植产业不断发展壮大,已经发展成为该地区经济增长的重要来源。而随着新疆生产建设兵团第一师农业结构调整方针实施以来,该地区乃至全疆的红枣种植规模都在不断扩大,红枣已成为普遍公认的南疆最具特色的林果产品。为便于修枝、打药等日常管理以及提高土地的利用率,南疆红枣种植普遍采用矮化密植种植模式。采用矮化密植种植模式的枣园,枣树种植密集且枣树矮小,可供机具作业空间狭小,常规机具难以进入枣园进行机械化作业。新疆红枣种植规模大,为了更好地提高红枣品质,需按照农艺要求,人为地推迟红枣的收获时间,保证大部分红枣在枣树枝上的挂果时间,完成自然干燥的过程。然而,此种方式也导致了在收获前,大约有三分之一以上的红枣掉落在枣园地面上,形成了落地红枣。因此,目前新疆主要是以对落地红枣进行收获的方式对红枣进行收获。收获时,首先依靠人工使用棍棒对枣树上未自然掉落的红枣进行敲击,实现红枣与枣树的分离,再进行人工捡拾完成落地红枣收获作业,如图 1-3 所示。人工捡拾收获红枣严重制约新疆红枣产业向产业化、规模化发展。果园收获作业占整个生产过程所用劳动力的 35%~45%,是整个果园生产中占用劳动力比例最大的环节[8]。
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1.2国内外研究现状
国外对林果机械化采收的研究开始于上世纪 60 年代,并且已经取得了一些显著性的研究成果。根据果实收获时果实在果树上或是已经在地面上,可划分为对果树进行收获和对落地果进行收获。根据采取的收获方式的不同,林果采收机械又可分为振动式、气力式、撞击式、采摘平台、梳刷式、采摘机器人等形式。振动式林果收获主要是将机械振动传递给需要进行果实收获的果树,使果树产生受迫振动,而受迫振动产生的惯性力是果实从果树枝上分离的主要动力[10]。振动式收获机械根据振动产生的部位不同,分为树枝振动、树干振动以及树冠振动三种基本形式。Erdogcaron D.利用激振装置对杏进行采收研究,并得出对杏树产生最小损伤的机具作业参数为采收时间 5s、激振频率 15Hz、振幅 40mm[11]。Coppock 研制出振动式 Valencia柑橘收获机械,当机具的激振时间为 34s 时,对成熟柑橘的采收率为 76%[12]。D.Mann,D.S.Petku et al.对沙棘进行振动采收试验,得出机具的最佳参数组合为振动频率 25Hz 、振幅 32mm[13]。Whitney J D 等研制出 FMC-400 型抱摇式柑橘收获机,主要通过对柑橘树干进行抱摇振动收获作业,通过对柑橘树(喷洒落果剂)进行多个季节的收获试验得出机具的最佳作业参数[14]。Hedden et al.采取不同形式的振动收获机对两种喷洒落果剂的柑橘树进行收获试验,各种形式的收获机具分别进行 7s 的线性和多方位振动,结果表明对两种柑橘的采收率均有明显的较大幅度的提高[15]。Peterson 研制出 USDA 果树树冠振动收获机械,对不喷洒落果剂的柑橘进行采摘试验,试验采摘效率为7~9棵/min,柑橘的采摘率达 80~90%[16]。
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第 2 章 红枣物理特性参数测定
 
在红枣采收过程中,跌落碰撞、挤压碰撞等都可能使红枣产生一定程度的机械损伤。为了实现红枣的低损甚至无损采收,对红枣的物理特性参数进行测定。不同红枣的物理特性差异较大,本章测定的物理特性参数对象为新疆目前普遍种植的灰枣和骏枣。不同成熟期的红枣物理特性同样也存在比较明显的差异。研究采收时期的红枣物理特性对于设计研制低损红枣收获机械有直接的指导意义,为此本章测定的红枣样本的成熟期为完熟期。对完熟期的骏枣和灰枣进行弹性模量、密度、硬度等参数测定,为设计低损的红枣收获机械提供理论依据,也为研制出适合新疆红枣种植模式的低损伤红枣收获机械奠定基础。
 
2.1红枣压缩试验分析及弹性模量测定
 
2.1.1试验材料
试验材料选自新疆生产建设兵团第一师十团十四连矮化密植种植模式枣园的完熟期灰枣(含水率为 25%~30%)和骏枣(含水率为 20%~25%),灰枣和骏枣样本分别从枣园不同棵枣树的不同位置进行挑选。所选骏枣的样本尺寸:纵径(果蒂与顶部连线方向的尺寸)为 48.20~55.46mm 和两个腰径(经过纵径中点的水平平面内,两相互垂直方向的尺寸)分别为 28.18~34.28mm、35.47~39.83mm,质量为 25.27~29.36g;所选灰枣的样本尺寸:纵径为 34.10~36.82mm 和两个腰径分别为 19.77~23.75mm、21.28~24.87mm,质量为 8.36~10.22g。另外,所选红枣样本均无虫眼、畸形、表面损伤现象。
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2.2红枣密度测定
 
2.2.1试验材料
试验材料同样选自新疆生产建设兵团第一师十团十四连枣园的完熟期灰枣(含水率为 25%~30%)和骏枣(含水率为 20%~25%),灰枣和骏枣样本分别从枣园不同棵枣树的不同位置进行挑选。所选骏枣和灰枣对于尺寸没有严格要求,但红枣样本应避免虫眼等缺陷。
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第3章 自走式红枣捡拾机的设计......22
3.1 整机方案确定及其工作原理............22
3.1.1 三种方案分析对比........22
3.1.2 整机工作原理......24
3.1.3 主要设计参数........25
3.2 关键部件的设计............25
3.3 控制及传动系统的设计..........40
3.4 本章小结....46
第4章 关键部件的有限元分析及其设计优化............48
4.1 有限元分析软件介绍....48
4.2 V 型布置清扫辊刷支撑架受力分析..........49
4.3 V 型布置清扫辊刷支撑架有限元分析......51
4.4 本章小结....58
第5章 红枣收获试验与分析.....60
5.1 试验材料与设备............60
5.1.1 试验材料....60
5.1.2 试验设备....60
5.2 试验评价指标与测定方法......61
5.3 单因素试验设计及结果分析............62
5.4 正交试验设计及结果分析......66
5.5 本章小结....71
 
第 5 章 红枣收获试验与分析
 
5.1试验材料与设备
 
5.1.1试验材料
新疆红枣种植面积大,红枣产量高,新鲜红枣市场需求量有限,故新疆红枣主要以采摘后干燥或深加工的方式进行销售。进行干燥或深加工的红枣普遍要求红枣的糖分有足够的积累,因此完熟期成为新疆红枣的主要采收期。本试验主要分为土槽模拟单因素收获试验和枣园正交收获试验两部分。试验材料为新疆普遍种植的完熟期灰枣和骏枣,并且试验于 2016 年 11 月 10 日至 11 月 20 日在塔里木大学土槽实验室和塔里木大学园艺站矮化密植枣园进行,所有试验均先使用消防风机将地面分布比较分散的红枣进行清扫集中处理后,再利用自走式红枣捡拾机进行清扫捡拾收获,图 5-1 为土槽模拟收获试验和枣园收获试验的现场。根据试验要求,试验设备采用自走式红枣捡拾机试验样机 1 台;数显接触式转速表1 台(深圳市胜利高电子科技有限公司),测量范围:2.5~99999r/min,基本精度±(0.05%+1),采样时间 1 秒,量程选择为自动切换;数显台秤 1 台(永康市朝星衡器有限公司),最大称量为 30kg,最小称量为 200g,分度值为 10g;消防风机 1 台,如图5-2 所示。试验评价指标是用来评价衡量试验效果的指标。试验对象和试验目的的不同均可能导致试验的评价指标不同,对于自走式红枣捡拾机其主要衡量试验效果的指标为清扫收获效率、所收获红枣的损伤率以及拾净率。通过设计出科学合理的试验方案,确定影响各试验指标的主次因素,并确定出影响试验效果的各因素的最优参数组合。
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结论
 
本文在国内外关于红枣收获机械以及林果收获机械文献资料的基础上,通过对新疆红枣的种植模式、枣农目前使用的一些提高红枣收获效率的手段以及新疆主要的红枣收获机械生产厂家进行调研。在上述工作基础上,设计了一种与消防风机配套使用的自走式红枣捡拾机,得出以下几点结论:(1)新疆红枣种植规模大,枣树普遍采用矮化密植种植模式进行种植。大面积的红枣采收主要依靠人工捡拾来完成,适用于新疆红枣种植模式的红枣收获机械市场前景广阔。目前已有一些科研院校以及林果收获机械生产厂家致力于红枣收获机械的研究,但所研制的机具均处于试验研制阶段,不能够适应新疆枣园的红枣收获作业。(2)通过对新疆红枣进行物理特性测定,得出了骏枣和灰枣的压力-变形曲线;测得骏枣和灰枣的压缩力学特性具有各向异性,并且测得骏枣和灰枣水平与竖直两个方向的弹性模量;还测得了骏枣和灰枣的密度以及不同部位的果实硬度值。(3)设计出适用于新疆红枣种植模式的自走式红枣捡拾机,该机主要由清扫装置、液压系统、仿形铲枣装置、传动系统、二级输送装置、柴油机、机架、集枣箱、去杂装置、电气控制系统、行走轮等组成。对机具的关键工作部件进行了相应的理论分析和理论计算选型,并建立了清扫辊刷清扫收获红枣的数学模型。(4)对设计优化后的 V 型清扫辊刷支撑架进行有限元结构静力学分析和结构动力学分析,分析结果表明设计优化结构合理,设计满足作业要求。(5)通过单因素试验得出了各因素对试验评价指标的影响关系,并通过正交试验得出了机具的最优作业参数组合为 V 型清扫辊刷转速为 140r/min、前进速度为 0.4m/s、V 型清扫辊刷张角为 90°。另外,通过试验测得自走式红枣捡拾机的平均收获效率为413kg/h、拾净率为 93.6%、损伤率为 2.1%。
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参考文献(略)
(责任编辑:工程论文)
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