荔枝树枝力学特性的试验研究

为获取荔枝树枝的力学特性参数,以糯米糍品种荔枝树枝为试验材料,在精密型微控电子式万能试验机上进行了压缩特性和剪切特性试验。测得荔枝树枝顺纹抗压强度平均值为32.77MPa,顺纹抗压弹性模量平均值为1068.02MPa,顺纹压缩能平均值为56.57N.m;树枝横纹抗压比例极限应力平均值为8.02MPa,横纹抗压弹性模量平均值为422.84MPa,横纹压缩能平均值为1.25N.m;树枝剪切强度平均值为9.52MPa,剪切功平均值为17.59N.m。采用统计软件对树枝力学特性参数进行相关性分析,结果表明:顺纹抗压强度和顺纹压缩能之间呈指数函数正相关关系;横纹抗压比例极限应力和横纹压缩能之间呈弱对数函数正相关关系;峰值剪切力、剪切功都与树枝横截面面积呈强线性正相关。试验结果为研制果树修剪机具提供了依据。     

荔枝收获切割器果梗锯切功耗影响因素试验

为合理设计荔枝收获装备切割部件,获得理想荔枝果、树分离效果,在确定以回转锯切为切割方式的基础上,搭建果梗锯切功耗测定平台并进行荔枝果梗锯切试验。研究了锯齿前面斜磨角、锯片齿数、进锯速度、锯切转速对果梗锯切实时功耗的影响;以单因素试验结果为依据,选定三因素三水平进行正交试验,得到各因素对锯切实时功耗峰值影响的主次顺序为锯切转速、进锯速度、齿前面斜磨角、锯片齿数;同时得到在给定因素水平下的最佳组合是采用25°齿前面斜磨锯片、进锯速度为60 mm/min、锯切转速为550 r/min,此时电机瞬时功耗峰值最小为0.488 J。该研究为荔枝机械化收获装备切割部件的设计提供了参考。     

机器人采摘中番茄力学特性与机械损伤的关系

为了减小机器人采摘中番茄的夹持损伤,通过加卸载正交试验对不同结构番茄力学特性与机械损伤的关系进行了研究。试验因素包括加载位置、探头类型、指面材料、压缩率和加载速度。试验结果表明：对番茄5个力学参数影响都显著且最大的因素为压缩率,并且番茄的力学特性参数之间存在一定的相关性。压缩率每增加1%,应变能、塑性应变能、峰值力和压缩斜率约分别平均增加26.16 mJ、19.04 mJ、4.62 N和0.16 N/mm,而弹性度平均减小0.88%。对番茄机械损伤度影响显著的因素依次为压缩率、球度、加载位置和加载速度。压缩率每增加1%,番茄的机械损伤度平均增加2.98%。番茄的机械损伤度与力学参数之间的回归系数为0.7214,其中与番茄机械损伤度最相关的力学参数是峰值力。该研究为采摘机器人夹持机构的设计和稳定夹持控制策略的实现提供了理论依据。     

采摘机械手对扰动荔枝的视觉定位

为了解决采摘机器人在自然环境中对扰动状态荔枝的视觉精确定位问题,该文分析机械手采摘过程中荔枝产生扰动的因素,设计制造了模拟荔枝振动的试验平台,该试验平台通过改变方向、振频、振幅等振动条件来模拟采摘过程中的扰动环境;结合振动平台运动参数,提出了双目立体视觉系统采集扰动状态的荔枝图像方法,在HSI颜色空间中对预处理后荔枝图像利用模糊C均值聚类法(FCM,fuzzyC-means)分割荔枝果实和果梗,然后利用Hough变换算法进行直线拟合确定有效的果梗采摘区域和采摘点,对多帧图像中采摘点坐标取平均值,然后进行三维重建确定空间采摘点坐标。荔枝扰动状态的视觉定位试验结果表明,空间定位深度值误差小于6cm,荔枝采摘机械手能实现有效采摘,该研究为机械手实际作业提供指导。     

基于探索性分析的的荔枝果及结果母枝颜色特征分析与识别

从复杂背景中识别成熟荔枝串中的荔枝果及结果母枝,获取结果母枝上的采摘点是机器人视觉定位与识别的难点,荔枝果、结果母枝与叶子各部位图像颜色特征分析与识别成为研究重点。首先针对荔枝果与结果母枝的特点、光照与环境的特殊性及不确定性,提出了探索性分析与荔枝图像识别的融合方法,对荔枝果与结果母枝进行了图像分类与统计的探索性分析,并给出了荔枝图像数据的探索性分析流程图;其次,根据荔枝不同部位颜色均值分布的特点,设计了荔枝果、结果母枝及叶子在6种色彩模型下的颜色均值分布箱线图,通过图形启示的数据分析与探索,给出了基于YCbCr色彩空间的Cr单通道图的荔枝各部位分类识别的视觉模型,分析表明Cr分量值在0.5～0.54能去除叶子和侧枝等复杂背景,实现荔枝串中的荔枝果与结果母枝的分割。最后,以60组不同光照条件的180幅自然环境下采集的荔枝图像为试验测试对象,用颜色特征的视觉模型结合阈值分割方法有效地识别了成熟荔枝串与荔枝果,荔枝串与荔枝果的平均识别率分别为91.67%和95.00%。用探索性分析与图像运算相结合的方法成功地提取了结果母枝(识别率为86.67%),并用计算出的采摘点进行视觉定位的仿真。试验和仿真结果表明视觉模型及其方法能对荔枝不同部位进行有效识别。     

甘蓝根茎部切割部位及方式优化试验研究

为了获得甘蓝根茎部的较佳切割区域和切割要素组合,对甘蓝根茎部进行了切割试验研究。分析了甘蓝根茎部不同直径处的最大切割力、平均切割力、平均含水率和粗纤维含量的分布及相互关系。进行了切割4因素混合水平正交试验,研究了夹持方式、切割方式、切割方向和切割速度对切割力指标的影响。分析结果表明,最大切割力和平均切割力与直径的关系均可用二次多项式拟合,且与粗纤维含量呈线性关系,直径30~35 mm范围为较佳切割区域;夹持方式和切割速度对最大切割力和平均切割力的影响均显著,切割方式仅对最大切割力的影响显著,对平均切割力的影响不显著,切割方向对最大切割力和平均切割力的影响均不显著。较优切割要素组合为单点夹持方式、滑切、向下削切和低速切割。研究结果为甘蓝收获机切割器的设计与改进提供了理论依据。     

玉米茎秆往复切割力学特性试验与分析

为了研究玉米切割器切割茎秆的切割力与切割功耗,提高切割性能,研制了摆切式茎秆切割试验台。采用悬臂梁称重传感器、高频数据采集卡和LabVIEW软件组成的测试系统进行切割力学性能影响因素试验研究。根据测得的切割力连续变化曲线求得切割功耗,并分析了削切角、切割速度、切割位置、茎秆外皮与节点等因素对切割力及功耗的影响。试验结果表明：峰值切割力和切割功耗随着切割速度的增大和切割位置的增高而逐渐减小,且在削切角为20°左右时较小,切割性能较好;峰值切割力和切割功耗在节点处比节间增加56%,外皮所需切割力占63%～83%。该研究为提高切割器的切割性能提供了理论依据。     

梨树枝条切割装置刀片参数优化与试验

为降低梨树枝条修剪装置刀片切割力与切割功耗,该文在自制切割试验台上进行梨树枝条切割试验。采用BoxBenhnken中心组合试验方法对切割试验台的工作参数进行了试验研究,以切割速度、动刀楔角、动刀前角为影响因素,以峰值切割力、切割功耗为目标函数,建立了两者之间的多元数学回归模型。试验结果表明:峰值切割力影响显著顺序依次为动刀楔角、切割速度、动刀前角;切割功耗影响显著顺序依次为切割速度、动刀前角、动刀楔角;最优工作参数组合为切割速度150 mm/min、动刀楔角30°、动刀前角3.5°,对应的峰值切割力和切割功耗分别为2.99 k N、20.54 J,且各性能指标与理论优化值相对误差均小于10%。试验结果可为寻求省力、低功耗的刀片参数提供参考。     

苹果采摘机器人末端执行器恒力柔顺机构研制

为了减少采摘机器人末端执行器在夹持过程中对果实造成的损伤,该文通过在末端执行器上设置柔顺机构,并对柔顺机构力学性能进行计算,求解果实无损采摘所需的柔顺恒力特性。首先,基于形状函数建立边界条件约束下的柔顺梁非线性常微分控制方程;然后,利用打靶法将上述边值问题重新描述为初值问题,并结合遗传算法进行初值优化求解,采用序列二次规划法优化梁的形状函数,使其在一定变形范围内实现恒力输出;最后,在给出求解所需参数和柔顺机构初始形状参数基础上,以苹果采摘为例,通过优化计算,使柔顺梁对果实的夹持力维持在7.9 N左右,非线性有限元计算和力-位移特性试验验证了计算结果的准确性,多次苹果夹持试验的抓取完好率为95%,验证了该柔顺机构无损夹持苹果的可行性。研究结果可为不同类型果实的恒力夹持提供参考。     

设施蔬菜收获切割影响因素优化试验

为实现设施蔬菜收获机在收获过程中具有最佳的收获效果,该文设计了SHQG-I型设施蔬菜收获切割试验平台,该试验平台可对各个因素有效工作范围进行调整,采用响应曲面试验法对收获过程中刀具切割蔬菜茎部的切割综合影响因素进行优化。该文以奶油生菜为研究对象,根据奶油生菜的生长状况及种植情况,对收获切割的过程进行了分析,选取设施蔬菜的切割部位、切割方式、切削速度、削切角度、夹持距离、夹持角度6个参数作为影响因素,切割力大小作为试验指标,设计了SHQG-I型设施蔬菜收获切割试验平台。利用响应曲面试验法进行了试验,并利用Design-expert软件对试验结果进行分析,确定最优的工作参数:切削速度675 mm/s,削切角度4.85°,夹持距离98.5 mm,夹持角度64.5°。最终确定最优参数下的理论切割力为17.9 N,实际切割力为17.4 N,保证了收获成功率100%的情况下,有效降低了收获过程中切割力3~8 N/棵。该研究结果将用于温室蔬菜收获机的改进,同时对设施蔬菜收获提供参考。     

面向夹持采收的油菜薹夹段茎秆离散元参数标定与优化

为提高离散元法对指导油菜薹有序采收装备设计与优化的准确性和可靠性,该研究以双行垄作移栽的“农大1号”双低甘蓝型油菜机械化适收期油菜薹夹段茎秆为对象,测定其本征参数、表面接触参数以及破碎力学参数,利用EDEM仿真软件Hertz-Mindlin无滑移模型和Hertz-Mindlin with bonding粘结模型建立夹段茎秆堆积仿真标定模型和破碎仿真标定模型。采用逐步调整仿真参数使仿真试验值与物理试验值逼近的方法,利用夹段茎秆堆积仿真标定模型,以休止角仿真试验值与实际物理试验值的相对误差为目标,完成夹段茎秆表面接触参数的标定与优化;利用破碎仿真标定模型,以轴向压缩和弯曲仿真试验与实际物理试验的最大轴向压缩力和最大弯曲力的相对误差为目标,利用标定后的表面接触参数完成夹段茎秆粘结参数的标定与优化。最后,利用夹段茎秆的径向压缩与剪切、内芯与表皮拉伸的破碎仿真力学试验和有序采收EDEM-Recurdyn耦合仿真试验验证标定后的表面接触参数和粘结参数。结果表明,仿真与实测试验的破碎力学参数相对误差在5% 以内,且仿真与实测的“时间-载荷”曲线变化趋势一致,低速、中速和高速档的有序采收仿真试验结果与实际物理试验结果相对误差在7.0% 以内。研究结果表明,采用离散元仿真方法研究油菜薹采收过程具有可行性,标定结果可用于指导油菜薹机械化生产。     

青贮玉米切叶蚁上颚仿生粉碎刀片设计与试验

针对青贮玉米收获机粉碎刀片锋利度差、滑切性能弱等问题,该研究以切叶蚁上颚为设计原型,采用逆向工程技术提取并拟合其上颚滑切曲线,并依据该曲线设计一种仿生刃口曲线。应用EDEM构建秸秆离散元模型进行仿真切割试验,对比仿生刀片、斜刃刀片、直刃刀片在横切角90°、切削角0°参数条件下对秸秆的切割力变化过程,并利用高速摄像机记录台架对比试验中秸秆切割变形过程,结果表明秸秆切割变形过程可分为3个阶段：挤压阶段、切割阶段及贯穿阶段。仿真试验中仿生刀片对秸秆的最大切割力相较斜刃刀片、直刃刀片分别降低4.05%、6.09%,台架对比试验中仿生刀片对秸秆的最大切割力相较斜刃刀片、直刃刀片分别降低10.53%、12.82%,仿生刀片在提高秸秆切面平整度和降低秸秆最大切割力方面均具有明显优势。以刀型、横切角、切削角为试验因素,以秸秆的最大切割力为试验指标开展秸秆切割台架正交试验。试验结果表明：刀型、横切角对秸秆的最大切割力有极显著影响,切削角对秸秆的最大切割力有显著影响。使用较优参数组合进行验证试验的结果表明,横切角90°、切削角20°、仿生刀片对秸秆的最大切割力为623.3 N。研究结果可为青贮玉米收获机粉碎刀片设计提供理论参考。     

龙眼树枝修剪机具刀片切割力的影响因素试验

为降低机械化修剪机具刀片切割力,提高切口质量,该文在自制切割试验台上进行了石硖品种龙眼树枝切割试验。对树枝直径、切割速度、切割间隙、动刀刃角和动刀刃形5因素进行了单因素试验。在单因素试验的基础上选取正交试验的因素水平,进行了刀片峰值切割力正交试验。单因素试验结果表明,刀片峰值切割力均值与树枝直径呈极显著幂函数正相关关系,与切割速度之间呈显著对数函数负相关关系,与切割间隙之间呈显著二次多项式函数关系,与动刀刃角之间呈极显著指数函数正相关关系;外圆弧形刃口刀片切断同样直径的树枝时最省力。正交试验结果表明,切割速度为500mm/min,切割间隙为0.9mm,动刀刃角为10°时,峰值切割力最小为1.58kN。试验结果为设计省力、切割质量好的刀片提供了依据。     

花生机械收获中根、茎、果节点的力学试验与分析（英）

为了降低花生挖掘收获、摘果、脱壳作业,特别是花生联合收获中的掉果率、破碎率,该文利用CTM-4503型万能材料试验机及相关测试设备,对花生收获期前后近一个月(28 d)花生的秸秆、根茎节点、果根节点、果壳结合处分别做了拉伸与剪切力学性能试验与分析.通过试验,得到了花生的秸秆、根茎节点、果根节点、果壳结合处最大许用抗拉与抗剪应力;经力学性能理论分析,确定了花生最佳收获期(以鲁花14为例,最佳收获期为播种后的(122±1) d),给出了现行的花生联合收获采用的夹持收获中最大许用夹持力(49.71 N)和最大许用拉力(70.84 N);通过试验分析得出花生挖掘收获中主要机械损失为根茎节点断裂(95.7%),并根据农业部发布的花生收获机作业质量行业标准所给出的作业质量指标,给出了在花生挖掘收获时的最大拉力(9.51 N);通过花生果结合处的剪切试验,给出了不同时期花生果结合处最大抗剪强度.这为花生收获、摘果、脱壳装置,特别是联合收获装置的研制与优化设计提供了参考.     

天牛仿生大麻收割机切割刀片设计与试验

针对现有大麻收割机切割刀片存在切割阻力大、功耗高、割茬质量差的问题。运用仿生学原理,通过提取天牛上颚切割齿部位齿廓曲线,以天牛切割齿廓代替普通稻麦收割机刀片的三角形尖齿,设计了仿生切割刀片。利用双动刀切割装置测试平台,对收割期大麻茎秆进行了仿生刀片和普遍刀片单茎秆切割性能对比试验。试验表明,2种刀片的切割力-位移曲线都可分为挤压、切割和切割完毕3个阶段,其中仿生刀片具有切入能力强、切割茬口较平齐、切割质量好的优势。通过对2组切割试验数据进行均值统计和方差分析可知,仿生刀片和普通刀片单茎秆最大切割力和切割功耗平均值分别为442.6、478.1 N和2.16、2.35 J,仿生刀片和普通刀片相比,平均最大切割力和切割功耗分别降低7.4%和8.0%,表明仿生刀片较普通刀片具有更优的减阻降耗性能;方差分析表明刀片类型对单茎秆最大切割力影响极显著(P0.01),对单茎秆切割功耗影响显著(P0.05)。     

甘蔗茎秆切割力试验

切割力试验是研究甘蔗茎秆切割机理的重要手段。该文在自制的单刀切割试验台上，通过对滑切角、刀盘倾角和切割速度进行三因素三水平正交试验，研究各因素对单位切割力和最大切割力的影响，在此基础上，进行切割速度单因素试验。试验表明：对单位切割力影响的主次顺序为切割速度－滑切角－刀盘倾角；对最大切割力影响的主次顺序为切割速度、刀盘倾角、滑切角。刀盘倾角对最大切割力影响较显著，而对单位切割力影响不显著。进行作物粗茎秆切割力试验时，以单位切割力为试验指标比较合理。单位切割力与切割速度之间呈线性关系，切割速度越大，单位切割力也越大。     

龙须草茎秆往复式切割试验研究

为解决现有往复式切割器收割龙须草的问题,拟对龙须草茎秆进行切割间隙、切割速度、切割刀片组合形式、切割茎秆部位、切割茎秆数量等因素进行了单因素试验,在单因素试验的基础上选取了正交试验的因素水平,完成了茎秆最大剪切力的正交试验,实验结果表明切割间隙和切割刀片组合形式对剪切力影响较大,切割速度对剪切力影响相对较小。最后通过选取斜齿刀-斜光刀组合模式与斜光刀-斜光刀传统刀片组合进行田间试验对比,结果表明斜齿刀-斜光刀组合的切断率提高了23%,刀片缠草率降低了94%,极大地提高了龙须草切割作业质量和作业效率。研究结果表明斜齿刀-斜光刀组合刀片用于龙须草收割是可行的。     

有机肥深施机肥块破碎刀设计与试验

结块的有机肥肥效难以释放,而且不利于机械化作业。为了更好地破碎肥块,该文针对有机肥深施机锯齿形碎肥刀片进行了仿真分析与优化。在EDEM中选择Hertz-Mindlin with bonding粘结模型建立肥块模型,基于单轴压缩试验对肥块的粘结参数进行标定,并建立了单个刀片单次碎肥的仿真模型。通过单因素仿真试验分析了碎肥刀的转速、滑切角、刃口角、齿宽和齿高等参数对刀片所受最大阻力及肥块破碎率的影响;以刀片所受最大阻力与肥块破碎率的比值作为评价指标,进行均匀设计仿真试验,得到评价指标与碎肥刀参数的回归方程,并利用Matlab优化工具箱得到最优的碎肥刀和作业结构参数,即碎肥刀转速300 r/min,滑切角8°,刃口角50°,齿宽3.9 mm,齿高2 mm。以碎肥刀最优参数进行不同粒径肥块的破碎试验,试验结果表明,优化后碎肥刀具有较低的能耗和较高的碎肥质量,在2.4kg/min的作业效率下,平均能耗最大476.90 W,破碎后肥块粒径均小于20 mm,所设计的碎肥刀可用于有机肥的碎肥作业。     

收割期芦竹底部茎秆机械物理特性参数的试验研究

试验研究芦竹底部茎秆的机械物理特性，以获得其最大破坏应力、弹性模量等机械物理特性参数，并分析芦竹切割过程中应力、应变分布状态，能为芦竹切割刀具和切割方式的设计提供理论依据和基础技术参数，对低能耗、高效率的芦竹切割器的设计具有重要的指导意义。该文利用微机控制电子万能材料试验机对收割期的芦竹底部的茎秆进行了顺纹拉伸、压缩、弯曲试验，获得试验条件下顺纹拉伸、压缩、弯曲的应力－应变曲线，并进行了分析。试验测得芦竹底部茎秆顺纹拉伸最大抗拉强度平均值为123 MPa，弹性模量值为1260 MPa；顺纹压缩最大抗压强度平均值为52 MPa，弹性模量值为595 MPa；顺纹弯曲最大抗弯强度平均值为125 MPa，弹性模量值为1715 MPa。结果表明，芦竹破坏应力参数接近毛竹，远大于玉米、小麦等茎秆的破坏应力参数，芦竹的机械化收割不宜采用传统的切割器。     

滑剪组合式甘蔗根切装置的设计与试验

针对甘蔗切割过程中存在的宿根破头率高的问题，该研究通过分析甘蔗茎秆与刀具之间的相互作用关系，设计了一种基于“滑切+剪切”相组合的甘蔗根切装置，旨在提高根切作业质量。首先，通过分析传统圆盘式根切器的无支撑切割与滑剪组合式根切器的有支撑切割的作用原理，表明有支撑切割可以有效降低茎秆的弯曲阻力和惯性力，因此一定程度上阻止了茎秆产生较大的变形，有效保证了茎秆的切割质量，而滑切可有效降低切割阻力。并通过建立茎秆的根切受力模型，对根切器关键零部件的参数进行确定，采用等滑切角式刀片曲线进行滑切作业，滑切角和刀片刃口角分别为40°和45°。基于 ANSYS/ Workbench对根切器进行了静力学分析及模态分析，得到刀具的屈服强度为450～650 MPa，大于刀具所受最大应力102 MPa，最大变形量为4.94×10^-5 m，满足使用性能要求。切割电机和喂入电机对应的激振频率分别为 0~6.667 Hz 和 0~11.667 Hz，模态分析结果表明两电机的激振频率远小于根切器的一阶固有频率（60.89 Hz），因此不会引起共振现象，能够保障室内试验的顺利进行。搭建了可调刀盘转速、喂入速度及切割倾角的根切试验台，台架单因素试验结果表明当切割倾角、刀盘转速和喂入速度分别在10°～15°、140～220 r/min、1.1～1.7 m/s时，综合评价值较小，切割质量较优。正交试验方差分析结果表明各因素对综合评价值y均有显著影响；正交试验极差分析表明当切割倾角为15°，刀盘转速180r/min，喂入速度为1.4m/s时为最佳试验水平。经试验验证，此时综合评价值为0.256和0.298，切割质量较优。参考DG/T 117-2021 甘蔗收获机械试验方法对甘蔗破头率进行检验，剪切合格率高达90.4%，破头率降低至10%以下，滑剪组合式甘蔗根切器作业质量满足行业要求。本研究可为新型甘蔗根切器的设计与研制提供理论参考。