油茶果树冠振动采摘装备的设计与研究

摘要

随着国家大力发展木本油茶产业，油茶的种植规模已逐步壮大，但由于油茶具有花果同期特点，其机械化采收程度较低，仍完全依靠人工采收。针对目前油茶机械采收的现状，本文以提高油茶机械采收作业效率和降低花苞损伤率为目标，开展了油茶树的基本物理特性研究，建立了油茶树三自由度动力学模型并进行动力学仿真，最终设计了一种油茶果树冠振动采收装置。论文的主要研究内容如下:　　1.开展了油茶树基本物理特性研究，为油茶果振动采收装置提供基础数据。对“长林”系列品种的油茶树进行植物特征调查，统计油茶果和花苞的分布特征，发现油茶树可分为直立、开张、圆球三种树形，且油茶果主要生长分布在油茶树冠外围;进行5个品种的油茶果和花苞的脱离力测试，发现油茶果纵向脱离力均值都小于其横向脱离力的均值，而油茶果的纵向脱离力均值都大于其花苞的脱离力均值;同时测定了油茶树的枝干密度和弹性模量。　　2.开展了油茶果树冠振动采收机理研究，为设计油茶果树冠振动采收装置提供理论依据。为了分析油茶树振动特性，将油茶树的树干和两侧树冠简化为质量-弹性元件系统，建立油茶树三自由度的系统动力学模型，将不同树形的三棵样本树参数代入模型，求解出对应的固有频率;利用Solidworks建立三棵样本树的三维模型，并通过ANSYS Workbench进行模态分析和谐响应分析，发现三棵样本树的低阶固有频率相对偏差小，且与对应的理论动力学模型计算结果相近;对油茶样本树进行模态试验，得到的固有频率与仿真分析得到的固有频率结果基本吻合，误差相对较小，验证了所建立的油茶树受迫振动动力学模型与有限元模型的可靠性;油茶果树冠振动采收机理的研究结果表明，在低频激振时树体可得到较高的动态响应，且对三种不同树形的油茶树可采用同一激振频率来实施树冠振动采收。　　3.根据油茶树的物理特性研究和动力学分析结果，本文设计了一种油茶树冠激振采摘装置，对激振装置中的曲柄滑块机构总成进行运动学分析和结构设计，确定影响激振力的主要因素为曲柄长度和转速;为测试不同曲柄长度下的振动采收效果，采用圆盘上布置多个不同位置的安装孔以代替不同长度的曲柄结构;设计了具有一定刚度且对树体损伤小的击打杆，设计了指排杆总成，并利用Adams软件对激振装置进行了虚拟仿真，得到了指排杆的位移、速度、加速度的仿真曲线，验证了油茶果激振装置设计的合理性。　　4.完成了油茶果树冠激振装置样机的加工和装配，并进行果园试验，验证其采收效果和花苞的损伤情况。利用树冠式激振装置样机对三种典型树形的油茶树做正交采收试验，确定出影响激振装置工作性能的主要因素主次顺序，即高曲柄转速和大往复行程和长时间的持续振动会提高油茶采收效果，但对花苞的损伤也显著提高，综合考虑确定出较优的组合参数为曲柄转速360r/min、指排杆的往复行程80mm、持续振动时间8s;对油茶树施加催熟剂并进行油茶果振动采收测试，结果表明施加催熟剂能显著减小油茶果的脱离力，明显提高油茶果采收效果;考虑振动采收机的移动速度，进行不同移动速度下油茶树振动采收测试，结果表明当采收机行走速度为0.3m/s，激振装置的电机转速为360r/min，指排杆往复行程为80mm时，对油茶果的采收效果明显。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2振动采收技术国内外研究现状

1．2．1振动采收机及相关机理研究

1．2．2油茶果采收机械研究现状

1．2．3研究现状分析

1．3研究的主要内容

第2章油茶的物理特性研究

2．1油茶树的植物特性研究

2．2油茶果和花苞脱离力实验

2．2．1实验目的与内容

2．2．2实验设备与方法

2．2．3实验结果与分析

2．3油茶树的基本物理参数的测定

2．4本章小结

第3章油茶果树冠振动采收机理研究

3．1油茶树动力学模型与求解

3．1．1油茶树冠受迫振动动力学模型建立

3．1．2油茶树冠受迫振动动力学模型的求解和分析

3．2油茶树动力学仿真分析

3．2．1油茶树的有限元模型建立

3．2．2油茶树的模态分析

3．2．3油茶树的谐响应分析

3．3油茶树模态试验

3．3．1试验目的与内容

3．3．2试验设备与方法

3．3．3试验结果与分析

3．4本章小结

第4章油茶树冠激振装置的设计与分析

4．1树冠式激振装置结构及工作原理

4．1．1树冠式激振装置结构

4．1．2油茶果树冠激振装置的工作原理

4．2关键部件设计

4．2．1曲柄滑块机构的设计与理论分析

4．2．2指排杆架的设计

4．2．3指排杆件的设计

4．3激振装置的虚拟仿真分析

4．4本章小结

第5章油茶树冠激振装置试验与分析

5．1油茶树冠激振装置的正交试验

5．1．1试验目的与内容

5．1．2试验材料与方法

5．1．3不同树形的油茶果树冠振动采收正交试验设计

5．1．4试验结果与分析

5．2催熟剂对油茶果机械化采收影响的试验研究

5．2．1试验方案

5．2．2试验结果与分析

5．3树冠振动采收机移动速度对油茶果采收效果影响的试验

5．3．1试验目的

5．3．2试验材料与方法

5．3．3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

攻读学位期间的研究成果

致谢