往复式茶叶振动抖筛机优化设计与试验

抖筛是茶叶精制的重要环节，直接影响茶坯的净度，针对茶叶抖筛过程中抖筛机理(清筛)不清晰而导致抖筛过程中存在茶叶断碎以及挂网等问题，本文研究茶叶在筛床上的抖筛规律，建立茶叶颗粒沿筛床上下运动、离开筛面被抛起运动和落到筛孔后碰撞运动三段筛分过程的动力学模型。结合茶叶在筛床上的抖筛规律，通过EDEM建立茶叶筛床的仿真模型，对茶叶在筛床上的速度与受力进行分析，确定筛床曲柄转速、筛面倾斜角和曲柄半径的最佳参数。最后通过三因素三水平的正交试验，确定实际筛分情况下的最优参数与得出各个因素对误筛率和生产率的影响由大到小为筛面倾斜角、曲柄转速、曲柄半径。试验结果表明，当曲柄转速为247.99 r/min、筛面倾斜角为2.60°、曲柄半径为23.11 mm时，误筛率和生产率分别为5.3%和440 kg/(m²·h),与优化结果误差在允许范围内。     

基于气固耦合的气筛式马铃薯清选装置参数优化与试验

针对马铃薯联合收获后含杂率高、后续二次清选伤薯破皮严重等问题,对气筛式马铃薯清选装置进行了优化设计,在低损伤的同时保持一定的清选除杂功能,在阐述总体结构及工作原理基础上,结合马铃薯运动学模型和碰撞特性分析,得到影响除杂率和薯块损伤的主要因素,通过EDEM-Fluent耦合构建仿真模型,以风机出风口气流速度、摆抖筛摆抖形式、摆抖频率、筛面倾角为试验因素,以马铃薯清选率和洁净率作为评价指标,对清选过程进行了多组仿真,并依据仿真结果进行验证与优化。研究结果表明,清选装置风机出风口气流速度对马铃薯气力清选的可行性起着决定性作用,摆抖筛摆抖形式、摆抖频率和筛面倾角对清选效果影响大,影响由大到小为风机出风口气流速度、摆抖筛筛面倾角、摆抖筛摆抖频率,且摆抖筛前后简谐摆抖优于上下摆抖。最优工作参数组合：摆抖筛前后简谐摆抖、摆抖筛筛面倾角为25°、摆抖频率为10Hz、风机出风口气流速度为60m/s,此时仿真试验马铃薯清选率为93.1%,洁净率为98.7%,台架试验马铃薯清选率为91.6%,洁净率为99.2%。研究结果可为马铃薯清选装置设计与优化提供理论依据。     

茶叶平面圆筛机筛分条件研究

在充分调研茶叶在平面圆筛机的筛分工作后,基于理论力学的知识和离散元的软件分析影响茶叶在平面圆筛机上的筛分条件主要取决于筛网的回转半径,回转速度和筛面角度,确定了茶叶由筛面落下,获得较高的筛分率。     

抛振式抖筛机筛网过滤效率的优化

针对抖筛机筛网结构不当导致的过滤效果不佳的问题,通过优化筛网结构,改变电机种类,优化振幅,达到提高抖筛机筛选效率,减轻筛床重量,使得产能增加的目的。结果表示:采用双层筛结构,使用变速电机,优化振幅的方法,可以提高筛网的筛选率,减少茶叶卡网情况。     

基于离散元的马铃薯收获机波浪形筛面参数优化与试验

针对分段式马铃薯收获机薯土分离环节伤薯率和破皮率较高的问题,在适应国内北方种植模式和农艺特点的条件下,对分离筛后半段采用波浪形筛面薯土减损分离的结构进行优化。在分析影响碎土分离过程和薯块运动特征的关键因素的基础上基于构建的离散元土块和薯块模型,明晰了不同波浪形筛面结构参数和运行参数对碎土分离过程和薯块碰撞特征的影响;同时,结合实际工况,验证波浪形筛面薯土分离减损形式的结构合理性和可行性确定采用振动与波浪形双重分离形式,以期实现较佳的薯土分离和减损效果。试验表明:在2个波峰、2个波谷同等分离行程条件下,波浪形筛面倾角较大时适宜较小的分离筛运行速度,较优的参数组合为波浪形筛面倾角35°、分离筛运行速度1.0 m/s此时伤薯率和破皮率分别为1.31%和1.44%;波浪形筛面倾角较小时适宜较大的分离筛运行速度,较优的参数组合为波浪形筛面倾角15°、分离筛运行速度2.0 m/s,此时伤薯率和破皮率分别为1.46%和1.67%,相关测试指标能够满足作业需求。     

自走式三七收获机设计与试验

针对丘陵山区三七收获时费工费时、无机械化等现状,设计了一种以柴油机为动力的自走式三七收获机。该机主要由挖掘铲、刮土机构、升运器、拍土机构、收集箱等组成,利用解析作图法对挖掘铲进行分析,确定了三七和土壤混合物顺利通过挖掘铲的铲刃夹角为96°;对升运器运动学分析得出升运器的倾角为25°时三七与土混合物的破碎率最高;以升运速度、振动分离筛振动频率、碎土轴的转速为试验因素,以伤根率、收净率为评价指标进行二次旋转正交组合试验。试验结果表明：试验因素对评价指标影响由大到小依次为振动分离筛振动频率、升运速度、碎土轴转速,当升运速度为0.78m/s,振动分离筛振动频率为10Hz,碎土轴转速为2.5r/s时,伤根率、收净率分别为1.6%、96.32%。以影响因素的最优参数组合进行验证：试验得伤根率、收净率分别为1.6%、96.8%,与计算结果一致,且符合农艺要求的收获指标。该研究为产品级的三七药材收获机的设计提供了技术参考。     

基于离散元法的往复振动筛筛分效果研究

为寻找往复振动筛的最佳筛分参数,采用三维离散元软件PFC3D研究了筛分参数对筛分效果的影响规律。结果表明:筛上物输送量随振动频率、振幅和筛面倾角的增加均呈递增关系,随振动方向角的增加先增加后下降,在30°时达到最大值;筛分效率随振动频率、振幅和筛面倾角的增加是先递增后下降,振动频率和振幅对筛分效率的影响最为显著,筛分效率随振动方向角的增加分别在35°和45°时经历了2个峰值;综合考虑筛分效率和筛上物输送量,振动频率取为14Hz、振幅为3.5mm、振动方向角为35°及筛面倾角为10°~12°时,振动筛可以取得较好的筛分效果。     

双筛体驱振式膜土分离与输送装置设计与试验

为减少铲筛式残膜回收机在工作中的振动,设计双筛体驱振式膜土分离与输送装置。采用DH5902动态测试系统对双筛面残膜回收机的振动参数进行满载田间作业测试,实验结果表明振动频率在3～5.5Hz变化时,机架左右方向振动测量值范围为4.2～5.4m/s2,在设备可承受振动范围内,减振效果明显。为实现有效逐级输膜,确定偏心轮驱动轴转速范围为260～330r/min,通过单因素试验确定筛面形式为锯齿筛,为提高残膜回收率和膜土比,选取机具前进速度、逐膜筛振动频率、逐膜筛振幅、锯齿间距作为试验因素,运用响应曲面法并在Design-Expert软件中分析各因素对残膜回收指标的影响效应,各因素影响残膜回收率的主次顺序为锯齿间距机具前进速度逐膜筛振幅逐膜筛振动频率;各因素影响膜土比强弱次序为锯齿间距机具前进速度逐膜筛振动频率逐膜筛振幅。运用Design-Expert的寻优功能得到最优参数组合为机具前进速度0.735m/s,逐膜筛振幅62mm,逐膜筛振动频率260次/min,锯齿间距12.02mm,机构设计时将获得的参数修正并进行试验验证,最终结果表明残膜回收率为90.26%,膜土比为1.46,较好地满足了残膜回收质量要求。该研究不仅为残膜回收市场提供了一款急需的实用机具,亦为残膜回收机械创新研发或优化提升提供了理论依据和参考借鉴。     

基于EDEM的荞麦籽粒建模及振动筛分数值模拟

针对荞麦振动筛分设备设计中工作参数的确定对试验依赖性大,不同振动频率下设备筛分效果评价成本高、设备研发周期长的问题。根据荞麦籽粒形态特征,借助EDEM软件采用手动填充法建立荞麦籽粒的多球颗粒模型,根据荞麦筛分需求设计单层振动筛整机结构及筛孔参数,建立荞麦振动筛分离散元模型,并对振动筛在振动频率分别为3.5 Hz、4.5 Hz、5.5 Hz时的筛分过程进行数值模拟。结果表明：在筛面倾角、振动方向角、振幅相同的条件下,随着振动频率的增大,振动筛输送能力增加,同时筛上物收集箱中所包含未透筛的小颗粒数增加,15 s时筛上物收集箱内小颗粒占比分别为0%、0.86%、4.63%。当振动频率为5.5 Hz时,会造成筛分损失。综合分析,当振动频率为4.5 Hz时,振动筛作业效果较好。本研究可为荞麦生产、加工装备的研发中应用离散元模拟提供模型,也可为荞麦振动筛分设备的工作参数优化提供参考。     

多级分离缓冲马铃薯收获机设计与试验

针对云南山地黏土条件下马铃薯机械化收获分离效果差、明薯率低、伤薯率和破皮率较高等问题,采用多级分离振动、多重缓冲和低位侧铺的方式,设计了一种多级分离缓冲马铃薯收获机。在阐述机具整体结构及工作原理的基础上,通过理论计算确定了挖掘装置、多级分离缓冲装置、主动振动装置等主要关键部件的结构参数;建立抛送分离阶段薯土运动模型,获取微波浪形薯土分离相关技术特征;建立马铃薯筛面滑动模型,对薯块的运动特性进行理论分析,得出薯块顺流、回流的运动规律;分析土块在输送分离过程中的碰撞特性,确定了影响分离破碎效果的因素。以含杂率和土壤覆盖度为试验指标,采用二次旋转正交组合试验设计方法进行了空载试验,并利用高速摄影和三轴姿态传感器实时获取分离筛上土壤的分布状态和运动规律,结果表明,分离筛最佳工作参数组合为:一级分离筛线速度1.42 m/s、二级分离筛线速度2.2 m/s、侧输出线速度1 m/s,此时土壤覆盖度69.11%,含杂率2.56%。在分离筛最佳工作参数组合下,以明薯率、破皮率和伤薯率为试验指标进行了田间收获试验,结果表明:当工作速度1.05 m/s、挖掘深度180 mm、振动强度Ⅱ级、筛面倾角22°时,明薯率为99.1%、破皮率为1.41%、伤薯率为1.32%,各项性能指标均符合国家行业标准要求。     

基于电磁振动的玉米种子定向排序输送技术

根据振动送料原理,提出了一种实现玉米种子定向排列输送的方法,对种子的定向过程进行了动力学分析,探讨了定向过程中种子各种姿态的变化过程与力学参数之间的关系。以郑单958玉米种子为试验对象,建立了振动定向试验装置;以台阶高度A、滑槽倾角B、振幅C和频率D作为影响因素进行了正交试验。试验结果表明:台阶高度A、滑槽倾角B及其交互作用对种子定向效果具有极显著影响;通过多重比较分析得出试验条件的最佳组合为:台阶高度为4 mm、滑槽倾角为4°、振幅为0.18 mm、频率为51.5 Hz。在最佳试验条件下分别对顺行和逆行种子进行10次重复试验,试验结果表明:顺行定向成功率为93.5%,逆行定向成功率为89.4%。采用高速摄影技术分别对顺行和逆行的种子进行了观察验证分析,分析表明:种子的实际运动状态与理论分析基本吻合。     

连续复式茶叶理条机优化设计与试验

针对绿茶加工杀青理条复式工序中,因茶叶理条动力学机理不明而导致成条效果不理想的问题,研究茶叶在连续复式理条机锅槽内茶叶与锅槽连续碰撞规律,建立茶叶在锅槽内滚动、抛撒、碰撞3个阶段的动力学模型,确定连续复式茶叶理条机的成条机理。根据茶叶在锅槽内的运动成形规律,优化斜U形锅槽,并利用Rocky Dem建立热固耦合下茶叶-锅槽相互作用的仿真模型,通过对茶叶平均速度及受力进行分析,确定了锅槽往复运动速率、锅槽挡板角度和锅槽与水平面夹角的最优工作参数。在最优参数确定的基础上,采用三因素三水平正交试验,确定实际工况下的最优参数组合,试验结果表明,当锅槽挡板角度为114.1°、锅槽往复运动速率为190.9 r/min、锅槽与水平面夹角为3.2°时,成条率为85.89%,碎茶率为1.70%,满足理条农艺要求。验证试验表明,在该最优结构与作业参数组合下,成条率、碎茶率分别为84.26%、1.79%,与优化结果相对误差在5%以内,表明优化结果的可靠性与精度。该研究可为茶叶理条成形机理与理条机关键参数优化提供参考。     

油莎豆联合收获机合页筛片式升运装置设计与试验

针对油莎豆机械化收获过程中升运振动装置除杂效果不明显,导致油莎豆与土壤杂质等分离不彻底,漏土率较低,伤果率较高的问题,以及在升运输送过程中存在土壤堵塞、回带等问题,结合油莎豆果-土-秧团聚体特性,设计了一种合页筛片式升运装置,通过筛片折弯部分增大筛孔面积,对团聚体提供与链筛运动方向相同的推力,使合页式升运装置提高漏土效率且有效避免了回带现象。对其倾角和固定位置进行了分析和设计,运用EDEM进行仿真试验,以油莎豆链筛线速度、链筛板折弯高度、链筛振动频率为试验因素,以油莎豆团聚体漏土率和伤果率为试验指标,通过三因素三水平正交仿真试验,最终得到输送筛片最佳结构参数组合为：链筛线速度1.151m/s、折弯高度27.779mm、振频9.561Hz,此时升运装置漏土率为96.524%、伤果率为2.439%。田间验证试验结果表明:当链筛线速度为1.2m/s、折弯高度为28mm、振频为9.5Hz时,合页式升运装置平均漏土率为96.05%,平均伤果率为2.38%,与仿真试验所测结果基本一致,满足油莎豆升运链筛工作要求。     

双层倾斜振动风筛式蓖麻清选装置设计与试验

蓖麻脱出物组分复杂,清选后含杂率高,且没有专用清选装置,清选效率低,为此设计一种双层倾斜振动风筛式蓖麻清选装置。首先对清选装置总体结构进行设计,采用双层风吹式同步振动结构。其次,对装置的振动筛、清选室、出料口等关键部件进行设计。采用离散元法对清选筛结构进行参数优化,以哲蓖4号为试验物料,测定物料离散元参数,通过单因素试验,分析上筛面筛孔排列型式、筛孔直径、筛面倾角对筛分效率和损失率的影响。确定最佳设计参数为U型筛孔排列、筛孔直径14mm、筛面倾角8°。为了获取最优的工作参数,采用离散元法与计算流体动力学（Computational fluid dynamics,CFD）耦合方法对清选过程进行仿真分析。对单目标函数进行参数优化,当振动筛振幅为8.43mm、振动筛振频为6.00Hz、气流横向角为40.00°时,蓖麻脱出物的最大筛分效率为98.20%。当振动筛振幅为7.00mm、振动筛振频为7.76Hz、气流横向角为40.81°时,蓖麻籽粒的最小损失率为2.02%。以振动筛的振幅、振频和气流横向角为试验因素,以筛分效率和损失率为试验指标,设计了正交组合试验,建立各因素与指标间的数学回归模型,并对模型进行参数优化。结果表明,当振动筛振幅9.00mm、振动筛振频6.16Hz、气流横向角40.00°时,蓖麻清选装置的筛分效率和蓖麻籽粒的损失率最优,分别为97.66%和2.32%。最后,设计出蓖麻清选装置,通过台架试验对最优参数组合进行试验,实际筛分效率与损失率分别为93.15%和6.94%,与预测结果误差在5%以内,同时实际所得到的籽粒含杂率为0.83%,满足使用要求。     

四层筛式花椒筛选机设计与试验

针对二层及三层筛式花椒筛选机筛选摆动频率、筛净率及筛选效率低等问题,设计了四层筛式花椒筛选机,利用顶层筛与第2层筛连接、第3层筛与底层筛连接,两套连接装置由偏心轮驱动和连杆牵引摆动时互为反向运动,从而减小摆动不平衡力矩,提升筛选最高摆动频率。开展了整机结构与关键部件设计,机架及四层筛的振动模态仿真,分析了机架与筛面稳定性、摆动机构参数、筛面倾角与摆角,进行了筛选稳定性和筛选性能试验。结果表明：筛选机机架、顶层筛、第2层筛、第3层筛和底层筛的1阶振动频率分别为9.7、9.9、11.7、9.3、9.4Hz,整机固有振动频率约为11.8Hz;筛选频率越高则最大喂入量和筛选效率越大;筛选机摆角为2.77°、顶层及底层筛倾角分别为6.95°和8.12°时,最优筛选频率为9.0Hz,最大喂入量达792kg/h,筛选效率为559kg/h,花椒壳筛净率和损失率分别为98.1%和3.1%,花椒籽筛净率和损失率分别为94.1%和4.2%。     

茶树叶片表面喷雾液滴斜撞击行为研究

在喷雾场景中,茶树叶片具有不同倾斜方向,且会受到不同方向喷雾液滴的撞击。为掌握液滴斜撞击茶树叶片时的撞击行为及影响机理,提出了利用椭圆铺展面积来衡量斜撞击时液滴的铺展变化,并推导出包含叶片倾角和撞击角的斜撞击液滴铺展及反弹数学预测模型。为验证理论准确性,利用两台高速摄像机对喷雾液滴撞击茶树叶片的撞击过程及结果进行测试和分析。研究结果表明,撞击角、初始直径、撞击速度对粘附液滴的铺展面积影响由大到小为撞击速度、初始直径、撞击角,其中初始直径及撞击速度对液滴铺展面积有显著性影响,且是极强正相关。对于细、中液滴,撞击角对铺展面积无显著性影响;对于粗大液滴,撞击角有显著性影响,建议采用90°撞击角。茶树叶片表面具有亲水性,水滴撞击叶片表面时无反弹行为,此结果与反弹预测模型结果吻合。对液滴飞溅的影响程度由大到小为初始直径、撞击速度、撞击角。初始直径及撞击速度对液滴飞溅有显著性影响,液滴初始直径和撞击速度越大,越容易发生飞溅,撞击角对液滴飞溅无显著性影响。因茶树叶片表面比较光滑,无长绒毛,表面粗糙度较小,飞溅临界值Kcrit采用108. 4较合适。     

玉米籽粒清选波浪筛机构设计与试验

为提高装置对大喂入量玉米脱出物的清选性能,基于曲柄-双摇杆设计了一种波浪筛机构,通过多筛片组“下凹”与“近似展平”姿态的连续转换,实现了整个筛体的波浪式运动,通过理论分析确定了波浪筛结构。采用CFD-DEM耦合仿真对波浪筛清选装置内气固两相运动进行了数值模拟,得出波浪筛清选装置内上部空间可形成一条高速气流带,其有利于杂余吹散,近筛层气流速度沿波浪筛纵向呈先降低后升高趋势,有利于配合筛片组的“下凹”与“近似展平”实现筛上物料运移与暂时滞留,在筛体波浪式运动下筛上籽粒陆续完成撞筛、滞留、抛起、越筛,此种筛分方式提高了籽粒的透筛效率。以清选装置入口气流速度、筛体安装倾角、驱动轴转速为试验因素,以籽粒的清洁率和损失率为指标,进行了二次正交旋转组合仿真试验,建立了各因素与指标间的数学模型,优化获得了各参数的最优组合为：清选装置入口气流速度为14.6 m/s,筛体安装倾角为8.5°,驱动轴转速为240 r/min。高速摄像台架试验结果表明：波浪筛上籽粒的实际运动与仿真中籽粒运动基本一致,验证了仿真结果的准确性;在玉米脱出物喂入量高达7 kg/s时,波浪筛清选装置籽粒的清洁率和损失率分别为99.12...     

手持式名优茶嫩梢采摘机械手设计与试验优化

针对名优茶机械化采摘难的问题,根据茶叶采摘农艺要求和手工采摘动作的分析,设计了一种手持式名优茶嫩梢采摘机械手,模拟人手指夹住茶叶并通过提拉进行采摘。通过采摘机械手的运动分析,得到了影响采摘效率的因素磁钢距离、主动手指角速度和主动手指转角的参数变动范围。采用Box-Behnken响应面分析方法,研究影响因素对采摘成功率的交互影响,以采摘成功率为响应值建立二次回归模型,各因素对采摘成功率的影响显著性主次排序为：主动手指角速度、磁钢距离、主动手指转角;运用Design-Expert 11.0软件的优化模块,以采摘成功率为优化目标对各因素进行优化,得到优化参数为：磁钢距离40.04 mm、主动手指转角153.0°、主动手指角速度3.38 rad/s。以优化后的参数进行采摘试验,结果表明采摘成功率为74.3%,3次采摘平均速度为25.2个/min,试验值与预测值的相对误差小于5%,优化模型结果可靠。