基于流变特性分析的菠菜有序收获机夹持输送装置研究

针对菠菜有序收获夹持输送过程中极易出现挤压损伤的问题,基于菠菜植株的流变特性对夹持输送过程中工作参数对损伤的影响进行了研究。首先提出了一种菠菜夹持输送装置,阐述其工作原理和机械结构,分析了浮动夹持机构与菠菜植株的互作关系;通过Burgers粘弹性模型构建了菠菜植株夹持输送作用下的流变本构方程,利用菠菜植株的蠕变试验,确定流变本构方程系数;在不考虑弹性变形和粘塑性变形前提下求得菠菜塑性变形表达式,并将菠菜塑性变形量作为衡量菠菜机械损伤程度的评价指标;选择对损伤影响较大的夹持轮当量弹性系数和输送速度,分析其对菠菜塑性变形量的影响,得到最小塑性变形下的作业条件;选取输送速度和当量弹性系数三水平的5组参数组合进行分析研究,得到不同参数组合下的夹持输送过程中夹持力与时间的关系方程,以菠菜最小塑性变形量为目标,实现低损伤收获。为了验证用菠菜流变特性分析工作参数对菠菜损伤影响的可行性,进行了夹持输送试验,试验结果表明:当输送速度为25 mm/s、当量弹性系数为2 N/mm时,输送成功率为93. 3%,菠菜损伤率为6. 7%,夹持输送效果较好。     

基于离散元的菠菜收获机根切铲优化设计与试验

针对菠菜收获过程中收获散乱、根切阻力大等问题，从根土复合体特性着手，分析收获过程中菠菜根、土壤与根切铲之间的互作关系，以优化根系聚拢、减少土壤雍堵和降低铲切阻力，提高菠菜切根效率。设计了一种兼具切根与根系聚拢功能的新型根切铲，建立了根切受力模型，对铲刀的关键参数进行计算优化，确定了铲刀滑切角为60°，刃口角为45°；测定了菠菜根的生物力学特性，建立菠菜根柔性体离散元模型，并基于颗粒接触力学模型的本构方程计算出菠菜根的粘结参数，结合土壤模型建立菠菜根土复合体，并对各项参数进行标定；构建了根切铲与根土复合体的铲切过程仿真，明晰根切铲的工作机理，确定影响切根与根系聚拢性能的主要参数。利用响应面法对根切铲各项参数进行优化，确定根切铲的最优设计参数为：铲翼角76°、铲翼长度占比57%、铲槽面积占比40%。田间根切试验表明：根切合格率均值为93.8%，采收率均值为87.2%。本研究可为菠菜收获机根切机构的研制提供理论指导。     

白芦笋选择性收获机末端执行器作业分析与试验

为实现白芦笋高效、低损伤采收,设计了一种适用于白芦笋选择性收获机的末端执行器,并推导出一种驱动力的计算方法。为驱动末端执行器完成入土、剪切、夹持、拔取等动作,需对其入土驱动力、剪切力以及夹持力等控制参数给出定量描述。首先,针对入土驱动力问题,利用DEM仿真建立末端执行器-土壤离散元模型,研究末端执行器与土壤作用过程,分析末端执行器入土驱动力;其次,从切割白芦笋和土壤两方面分析末端执行器的剪切力,利用万能试验机与DEM仿真建立白芦笋-末端执行器-土壤的互作用模型,借助万能试验机模拟末端执行器的刀片切割白芦笋过程,确定白芦笋剪切强度,结合从DEM仿真角度测得末端执行器刀片切割土壤所需的剪切力,确定末端执行器剪切力参数范围;再次,通过万能试验机模拟末端执行器夹持白芦笋过程,确定白芦笋抗压强度,结合从DEM仿真角度分析末端执行器在土壤中完成夹持动作所需的夹持力,确定末端执行器夹持力参数范围。最终,确定末端执行器入土驱动力FRT195 N、剪切力FJQ1.8 N、夹持力FJC13 N的参数范围。根据确定的末端执行器的参数范围,选取几组参数组合进行田间采收试验,试验结果表明:在入土驱动力200 N、剪切力2 N、夹持力11 N的参数组合下,白芦笋的采收率大于99%,损伤率小于3%,损伤率的数值在可接受范围内,符合白芦笋低损伤采收的要求,为白芦笋选择性收获机实现选择性、低损伤采收提供了一定的理论支持。     

主动润滑减阻曲面深松铲设计与试验

针对深松作业阻力大、牵引能耗高、作业效率低等问题，提出了一种针对低含水率、高紧实度耕作土壤的曲面深松铲主动润滑减阻和土壤改良复合作业方案。首先，在三维扫描获得曲面深松铲三维模型的基础上，通过离散元法分析了曲面深松铲作业过程中深松铲与土壤颗粒间的互作特性，确定了铲体最大摩擦接触面作为主动润滑减阻面；其次，提出了主动液体润滑减阻思路，并借鉴蚯蚓体液分布构形与体表织构，分别在铲面和铲尖的最大摩擦接触面上，设计了沟槽形式的表面构型与节流孔等润滑面结构以及润滑介质泵送系统，形成了主动润滑减阻曲面深松铲；最后，以作业速度、润滑液流量为试验因素，以水平方向作业阻力为主要指标，在两种土壤条件下进行了大田试验。试验结果表明：在褐土地作业环境下，当作业速度为3 km/h、润滑液流量为12 L/min时，减阻率可达13.48%;在盐碱地作业环境下，当作业速度为1.87 km/h、润滑液流量为12 L/min时，减阻率可达19.87%;初步证明主动润滑减阻作业模式在低含水率、高紧实度土壤中具有较好减阻效果。     

主动润滑减阻曲面深松铲设计与试验

针对深松作业阻力大、牵引能耗高、作业效率低等问题，提出了一种针对低含水率、高紧实度耕作土壤的曲面深松铲主动润滑减阻和土壤改良复合作业方案。首先，在三维扫描获得曲面深松铲三维模型的基础上，通过离散元法分析了曲面深松铲作业过程中深松铲与土壤颗粒间的互作特性，确定了铲体最大摩擦接触面作为主动润滑减阻面；其次，提出了主动液体润滑减阻思路，并借鉴蚯蚓体液分布构形与体表织构，分别在铲面和铲尖的最大摩擦接触面上，设计了沟槽形式的表面构型与节流孔等润滑面结构以及润滑介质泵送系统，形成了主动润滑减阻曲面深松铲；最后，以作业速度、润滑液流量为试验因素，以水平方向作业阻力为主要指标，在两种土壤条件下进行了大田试验。试验结果表明：在褐土地作业环境下，当作业速度为3km/h、润滑液流量为12L/min时，减阻率可达13.48%；在盐碱地作业环境下，当作业速度为1.87km/h、润滑液流量为12L/min时，减阻率可达19.87%；初步证明主动润滑减阻作业模式在低含水率、高紧实度土壤中具有较好减阻效果。