组合偏心块式三维激振林果采收机的设计与试验

摘要

中国是林果种植、生产和消费的大国，林果的采收作业一直是林果产业化、规模化发展过程中最重要的环节。相对于林果种植业的发展，林果机械化生产技术条件严重滞后，对于季节性较强和劳动强度大的收获环节，这个问题尤为严重。目前在用的机械化林果收获设备尚无法达到与人工采收相当的果实采收率和损伤情况。针对目前林果机械化采收存在的问题，以提高机械化林果采收率和降低采收过程中对树体的损伤为目标，本文通过软件对果树进行建模，对不同组合偏心块激振下的果树模型进行动力学仿真，根据仿真结果设计出组合偏心块式三维激振林果采收机，最后加工出样机进行动力学响应试验与实际采收试验，验证三维激振林果采收机的实际采收效果。论文研究的主要内容如下:
　　1.对不同组合偏心块形成的激励形式进行分析，在有限元软件ANSYS中建立果树的有限元模型，进行谐响应分析，得到果树模型获得最大振动加速度响应的频率为22Hz左右。以此为依据，对不同组合偏心块形成的三种不同激振形式，进行了果树模型不同激振位置的振动仿真。仿真结果显示:使用空间垂直偏心块组合形成的三维激励，在树枝与树干分叉处激振，得到的振动加速度响应最均匀，可以对果树产生有效的振动。而后针对空间垂直偏心块组合不同转速比下对果树的作用效果进行分析，发现当转速比为1∶1时，果树得到的加速度响应最大，且分布更加均匀。最后对果实的脱落条件进行了分析，确定果实在空间垂直偏心块组合三维激励过程中脱落的理论条件。
　　2.根据不同组合偏心块激振下果树模型的动力学仿真分析结果，进行组合偏心块式三维激振林果采收机总体结构设计。通过建立三维激振采收机-树体系统动力学模型，得出振动系统的稳态响应。由三维激振采收机作用下果树振动的幅值，确定采收机关键部件偏心块的质量矩为0.56kg·m，计算出偏心块的结构尺寸。为了增加夹持机构的稳定性和夹持范围，最后对采收机的夹持机构进行了设计，确定了夹持机构所需的夹紧力为1146.6N，夹持范围50～140mm。
　　3.设计了采收机的动力系统，即采收机液压系统。为了满足采收机实际工作的需求，设计了液压系统的基本回路，完成对采收机实际动力系统的控制。对于液压系统的核心执行部件进行了计算选型，并对液压系统进行了性能验算，系统的压力损失和发热温升均处于安全范围。最后通过AMESim软件对液压系统进行了可行性仿真验证，结果显示采收机液压系统工作性能稳定，满足振动采收的实际工作需求。
　　4.试制了组合偏心块式三维激振林果采收机，并分别进行了三组室外试验。首先，在相同的试验条件下，通过与偏心振动电机进行振动响应对比试验，结果显示三维激振采收机和偏心振动电机激振下，树体平均振动加速度的变异系数分别为0.15和0.37三维激励相对于二维激励可以使果树产生分布均匀的有效振动;其次，对银杏树进行了三维激振林果采收机的振动响应试验，结果显示银杏树上不同分枝均可得到较大的加速度峰值，验证了三维激振林果采收机的激振有效性;最后，进行了田间采收试验，在采收机转速为470r/min，工作时间10s时，柚子的采收率达到76.5％，基本可以实现对柚子的有效采收。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 机械振动采收研究现状及分析

1．2．1 机械振动采收理论研究现状

1．2．2 振动式采收机械的研究现状

1．2．3 研究现状分析

1．3 研究的主要内容

第2章 果树多维激振动力学分析

2．1 不同组合偏心块激振形式分析

2．2 果树谐响应分析

2．2．1 果树有限元建模

2．2．2 谐响应分析

2．2．3 加速度响应

2．3 不同组合偏心块激振下果树模型动力学仿真

2．3．1 果树模型动力学仿真分析

2．3．2 多维激振加速度响应分析

2．4 果实脱落条件分析

2．5 本章小结

第3章 组合偏心块式三维激振林果采收机的设计与分析

3．1 三维激振林果采收机的总体结构设计

3．2 激振部件设计

3．2．1 三维激振林果采收机-树体系统动力学模型

3．2．2 偏心块的结构设计

3．3 夹持机构设计

3．4 本章小结

第4章 组合偏心块式三维激振林果采收机液压系统的设计与分析

4．1 采收机液压系统参数的计算

4．1．1 液压马达参数的计算

4．1．2 夹紧液压缸参数的计算

4．2 拟定液压系统原理图

4．3 液压系统性能验算

4．3．1 液压系统压力损失验算

4．3．2 液压系统发热与温升计算

4．4 液压系统的建模与仿真

4．5 本章小结

第5章 组合偏心块式三维激振林果采收机的试验与结果分析

5．1 不同偏心块组合激振对比试验分析

5．1．1 试验材料

5．1．2 试验方案

5．1．3 试验结果与分析

5．2 三维激振林果采收机振动响应试验分析

5．2．1 试验方案

5．2．2 试验结果与分析

5．3 三维激振林果采收机田间采收试验分析

5．3．1 试验方案

5．3．2 试验结果与分析

5．4 本章小结

第6章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果