基于外旋轮线轨迹的果品振动采收机构设计与分析

摘要

近年来，随着我国农业产业结构的不断调整和果品消费需求的持续上升，林果种植面积、产量稳居世界第一位。然而，采收作业作为果园生产过程中最重要的环节，长期缺乏高效低损伤的机械化采收设备，已经成为制约我国果园经济发展的瓶颈。
　　本文围绕果树激振形式分析，通过ANSYS软件仿真研究不同形式位移载荷对果品振动采收效果的影响，以此为依据设计新型果品振动采收机构，并对其进行特性分析与参数优化，最终完成样机加工与实验验证。论文的主要内容和成果如下：
　　1.根据已有果树激振形式研究，提出了理想果树激振形式假设，其内容包括：1)能有效激发不同生长方向的枝条振动；2)激振能量均匀分布；3)有足够的振动强度。利用有限元软件ANSYS对一棵山核桃树建立模型，通过施加不同形式的位移载荷，进行瞬态响应分析以验证上述假设。对比振幅为94.6mm，频率为3Hz的直线载荷、圆周载荷和外旋轮线载荷激振下果树模型上各测试点的最大合成加速度分布情况，统计这三种位移载荷作用下产生的加速度平均值和标准差依次分别为45.97，37.71，64.04m/s2和39.03，24.18，28.10m/s2。进一步研究内、外旋轮线载荷激振产生的加速度分布情况，当摆线支数为3时，内、外旋轮线载荷产生的加速度平均值和标准差分别为32.02，50.75m/s2和14.21，30.54m/s2；当摆线支数为5时，内、外旋轮线载荷产生的加速度平均值和标准差分别为92.00，106.83m/s2和55.12，50.56m/s2。
　　2.根据果树模型的动力学仿真结果，综合考虑轨迹的机构可实现性，设计了基于外旋轮线轨迹的果品振动采收机构，其核心工作部件——外旋轮线机构由两组齿数比分别为3:1和5:1的外啮合行星轮系构成，可通过齿轮齿条机构变换齿数比，具有输出可变加速度的特点，并对其进行运动学和动力学分析。
　　3.采用“参数导引”方法优化外旋轮线机构尺寸，并编写基于MATLAB平台的优化辅助软件，得到优化结果：R=35mm，ra=14.4mm，f=3Hz。根据上述结果，建立果品振动采收机构的三维模型，利用ADAMS仿真得到外旋轮线机构双行星架驱动时的最大驱动力矩为2.9N?m。
　　4.完成实验样机的设计加工，利用Phantom v5.1高速摄影机捕捉样机的实际运动轨迹，并与理论轨迹、虚拟样机仿真轨迹对比，发现三者基本一致，由此验证了外旋轮线机构设计的准确性。进行室内活立木动力学响应实验，由实验样机激振活立木主枝，利用AVANT MI-7008数据采集与分析系统记录各测试点的加速度值。统计得到各测试点的最大合成加速度平均值和标准差分别为57.13m/s2和33.01m/s2，由此验证了外旋轮线机构可实现对果树的有效激振。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外果品采收机械研究现状

1.3研究的主要内容

1.4本章小结

第2章 不同形式位移载荷激振下的果树模型动力学仿真

2.1理想果树激振形式分析

2.2位移载荷激振下的果树模型动力学仿真

2.3本章小结

第3章 基于外旋轮线轨迹的果品振动采收机构设计

3.1果品振动采收机构组成与工作原理

3.2外旋轮线机构运动学分析

3.3外旋轮线机构的动力学分析

3.4本章小结

第4章 外旋轮线机构的尺寸优化及ADAMS仿真

4.1主要参数对外旋轮线机构运动学特性的影响

4.2外旋轮线机构尺寸优化

4.3外旋轮线机构的ADAMS仿真

4.4本章小结

第5章 果品振动采收机构轨迹验证及动力学实验

5.1轨迹验证实验

5.2室内活立木动力学响应实验

5.3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

附录：攻读学位期间主要学术成果