履带自走式果园采摘与修剪综合作业平台的设计与试验

摘要

果园种植业已成为我国农业产业发展的重要支柱之一，各大高校及企业虽已研制了众多的果园作业机械，但大部分果园机械存有功能单一、可靠性差、作业效率低等问题。目前绝大数果园采摘与修剪作业仍依靠梯子辅助人工完成，作业率低，高空作业危险性大；全自动采摘机器人成本高、技术实现难度大，因此研究和开发果园机械化作业平台，提高采摘与修剪作业效率是目前国内果园生产的必然选择。为此设计了一款履带自走式果园采摘与修剪综合作业平台，能同时完成采摘、输送、收集、装箱以及对果树枝条修剪的联合作业，本论文研究的主要内容包括以下： （1）作业机械设计方案的确定。分析对比国内外果园作业平台的研究发展和差异，提出现阶段国内果园多功能作业平台存在的发展问题。针对目前国内新型果园“矮砧宽行密植”种植模式，结合果园采摘的农艺要求，提出一款基于人工辅助采摘与修剪作业的“双侧、多工位可调式作业和水果柔性分级输送和收集”的设计方案。作业平台采用履带自走式底盘，果实从输送到装箱可完全实现自动化作业，能保证采摘人员的连续性采摘作业，降低了准备时间，极大的提高采摘作业效率，减少劳动强度。 （2）作业平台关键部件的分析与优化。利用ANSYS Workbench有限元中的静力学分析模块，对可调式作业平台、收集装置和承载底盘进行了强度校核。结果表明：可调式作业平台和承载底盘均满足各自所选材料的屈服强度，符合实际要求。收集装置满足强度条件，但收集装置处于悬挂状态，应力集中，且长时间承受交变应力，容易导致应力点处断裂，需要在最大应力点处增添加强筋进行加固的方法进行改进。 （3）样机的试制和试验。通过对样机各部分功能的测试，结果表明：当运送效率为4个/秒，末端柔性输送装置采用单个间隔放置和柔性汇集输送装置采用多个间隔放置方式，对果实造成的机械损伤在5%以内；可调式作业平台最高采摘高度达到3.6m，最宽采摘达到3.5m；垂直升降机构能很好地完成自主升降，相对误差在6%以内；采用气动剪对果树修剪时，气泵为多个作业工位上的气动剪提供动力，可实现多工位同时工作，气动剪能轻松剪断直径16mm左右的果树枝条。

目录

声明

1 引言

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 背景

1.1.2 意义

1.2 国内外采摘与修剪综合作业平台研究现状

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.3 课题来源与研究内容和方法

1.3.1课题来源

13.2研究内容和方法

1.4 技术路线

2 履带自走式果园采摘与修剪综合作业平台设计方案

2.1 水果采摘农艺基本要求

2.1.1 现代化果园种植模式

2.1.2 水果机械损伤机理

2.2 整机各部分设计方案

2.3 主要的工作参数

2.4 采摘作业流程

2.5 本章小结

3 采摘与修剪综合作业平台关键部件的设计

3.1 末端柔性输送装置的主要部件设计

3.1.1 末端柔性输送装置输送带的选用

3.1.2 气支撑杆的受力分析

3.1.3 输送带工作速度及驱动电机的选型

3.2 柔性汇集输送装置的主要部件设计

3.2.1 柔性汇集输送装置输送带的选用

3.2.2 输送带驱动电机参数计算与选型

3.3 果实垂直匀速输送装置的主要部件设计

3.3.1 垂直升降机构的工作原理

3.3.2 提升装置控制系统的设计

3.3.3 齿轮的参数计算与强度校核

3.3.4 毛刷旋转机构的参数计算

3.4 收集装置主要部件设计

3.4.1 收集装置受力分析

3.4.2 液压回转驱动装置的设计

3.5 可调式作业平台及调整机构的设计

3.5.1 可调式作业平台的推力计算

3.5.2 可调式作业平台的强度计算

3.5.3 液压控制系统设计

3.6 气动剪枝系统设计

3.6.1 剪枝力的计算

3.6.2 气动剪耗气量计算

3.6.3 气泵的匹配计算

3.7 承载底盘的受力计算

3.8 输送装置动力计算与部件选型

3.8.1 动力系统的确定

3.8.2 蓄电池参数计算与选型

3.9 本章小结

4 采摘与修剪综合作业平台关键部件的有限元分析与优化

4.1 ANSYS Workbench简介

4.2 可调式作业平台有限元分析

4.2.1 可调式作业平台网格划分和约束添加

4.2.2 可调式作业平台有限元求解及结果分析

4.3 收集平台有限元分析

4.3.1 收集平台网格划分和约束添加

4.3.2 收集平台有限元求解及结果分析

4.4 承载底盘有限元分析

4.4.1 承载底盘的网格划分和约束添加

4.4.2 承载底盘有限元求解及结果分析

4.5 本章小结

5 样机的试制与试验

5.1 样机的试制

5.1.1 样机技术参数

5.1.2 样机总体机构

5.2 样机试验

5.2.1 试验目的

5.2.2 果实的收集输送试验

5.2.3 可调式作业平台调整试验

5.2.4 果实垂直匀速输送装置升降试验

5.2.5 气动剪剪枝试验

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文与申请专利