鲜切果蔬包装机输送机构仿真与试验

针对鲜切果蔬包装机输送机构作业时包装物料损伤和滑移的问题,分析了输送机构对包装盒压缩变形原理,通过PET包装盒的压缩试验,得到了包装盒及盒内的果蔬产品避免造成机械损伤的条件,PET包装盒压缩位移应在10 mm以内,包装机输送机构压缩力应在5~15 N之间。采用参数化建模,通过有限元仿真分析了输送机构对包装盒压缩变形的过程及机理,分析了包装盒的易损伤位置及原因。根据压缩试验及仿真分析,以滑移率为指标,进行正交试验,确定最佳参数组合:包装盒质量为19 g,立式输送带对包装盒的压缩位移为8 mm,输送带速度为0.25 m/s,在包装盒及鲜切果蔬不压缩受损的同时PET包装盒和输送机构有较好的输送同步性。     

负压式生鲜食品包装机设计与试验

针对目前国内人工包装生鲜食品劳动强度大、生产效率低等问题,设计了一种负压式生鲜食品包装机。该包装机由横封装置、切断机构、送膜机构和纵封装置等构成,能够一次性完成物料的输送、封膜包装作业,可适用多种规格生鲜食品的包装。通过FLUENT对后吸风盒流场分析,采用截面参数lA和lB分别为25 mm和64 mm的直角盒型,并经过试验确定后吸风盒吸风口静压为32 Pa。张膜输送带通过调整偏心滚筒,保证上部输送带和下部输送带之间有足够的压力。样机试验表明:包装机对于生鲜食品的包装速度为49.4包/min,包装率为99.4%,鼓包率为5%,基于负压式原理的负压式生鲜食品包装机达到了生鲜食品包装作业要求。     

果蔬包装机凸轮连杆式切断机构运动分析与优化

针对目前果蔬包装机中存在切刀刮膜和切口不正等问题,提出了一种基于连杆机构和凸轮机构的果蔬包装机切断机构。建立了切断机构的运动数学模型,并以此为依据建立了切断机构基于ADAMS的参数化模型,得到该机构主要参数变化对机构运动的影响规律。通过二次规划算法优化分析计算,得出一组最优参数组合。利用此参数组合的运动学仿真分析表明,下切刀的加速度最大值为7.971mm/s2,切割距离为20.4mm。根据优化结果加工组装试验样机,以PVC膜切断率为主要检测指标对该试验样机进行试验,结果表明,对11、12、13μm 3种厚度的PVC保鲜膜切断率都在98%以上,切断机构满足果蔬包装机作业要求。     

大蒜仿形浮动切根机构运动特性分析与仿真

为深入研究大蒜仿形浮动切根机构作业机理,进一步提升仿形浮动切根作业质量,开展切根机构仿形浮动作业过程运动学解析,构建切根机构浮动位移量数学模型、回转切刀刃口轨迹曲面数学模型、切刀刃口切割速度数学模型,探明切根机构结构参数和运动参数对仿形浮动切根作业过程的影响;同时,通过ADAMS虚拟样机仿真试验,获取切刀运动轨迹曲线、时间—切割速度曲线和位移—切割速度曲线,分析不同切刀转速、切刀数量、刃口位置点、切刀位移等对切割次数、漏切区、切刀运动轨迹、切割速度的影响。研究结果表明,通过合理设置切根机构结构参数和运动参数,可有效实现机构的仿形浮动切割作业,提升切根作业效果;当蒜株输送速度为1 m/s、切刀倾斜角度为33°、回转切刀转速为2 600 r/min时,根盘处的根系被单个切刀刃口旋转最高点的切割次数可达到2次,且漏切区面积很小;当蒜株输送速度为1 m/s、切刀倾斜角度为33°、回转切刀转速为1 000 r/min、切刀数量为4片时,根盘处的根系被所有切刀的刃口旋转最高点的切割次数为2次,且漏切区面积很小。该研究可为大蒜联合收获仿形浮动切根作业机理研究和机构优化提供理论参考。     

生鲜食品包装机气力式超薄自粘膜横封装置设计与试验

为解决气力式超薄自粘膜横封装置结构复杂、稳定性差等问题,以现有生鲜食品包装机为平台,设计了一套生鲜食品包装机气力式超薄自粘膜横封装置。该装置由立式输送带、前后平行布置的两个上风盒、下折膜机构、切断机构和无动力托辊等组成,其中下折膜机构包括下风盒、滚轮、气缸等,利用气力和机械结构的复合运动,可较好地完成超薄自粘膜横封作业。构建了横封作业过程中包装物料与横封部件的力学模型,利用Fluent软件对其关键部件下风盒进行结构优化分析,得到最优参数为：下风盒进风口位置和水平方向出风口位置对称布置,风腔高度14mm、水平出风口直径3mm、水平出风口个数10个。以后上风盒出风口压强、下风盒水平出风口压强、下折膜机构与包装盒底部折膜间距为试验因素,以托盘后部横封率为试验指标进行了正交组合试验。经试验和结果分析,得到最佳参数组合为：后上风盒出风口压强113.3Pa、下风盒水平出风口压强85Pa、下折膜机构与包装盒底部折膜间距-3mm。经试验验证,最佳参数组合下横封率为99%,横封平整、美观,满足包装机横封作业要求。     

复杂地形下仿生轮腿式机器人位姿控制研究

丘陵山地地势复杂、地形多变,农机装备作业环境以倾斜角度较大的斜坡为主,传统农机装备在丘陵山区复杂地形下作业时效率低、稳定性差,甚至会出现侧倾、翻车等现象。本文从仿生机械设计角度出发,提出一种在丘陵山地复杂地形下能够自主实现位姿调平控制的轮腿式机器人平台,提升复杂地形下的作业稳定性和安全性。以昆虫后足为仿生机械设计对象,并结合多连杆机构原理,完成新型变行程轮腿机构及机器人平台的整体架构设计。采用D-H参数法分析了轮腿机构运动学特性,结果显示轮腿式机器人离地间隙最大调整量为574mm,具备较强的越障能力。在空间坐标系上定义轮腿式机器人空间姿态参数,推导得到机身姿态角与轮腿伸缩量之间的空间姿态模型,并设计了基于NSGA-Ⅱ的机身空间姿态逆解算法。基于空间姿态逆解算法构建了轮腿式机器人全向位姿调平位姿控制系统,包含机身调平控制器、“虚腿”补偿控制器和质心高度控制器,在复杂地形下行驶时能够控制轮腿式机器人俯仰角、侧倾角、接地力、质心高度等空间姿态参数,然后通过搭建的轮腿式机器人ADAMS-Matlab联合仿真模型完成了位姿控制系统算法仿真验证。在机器人样机上开展了离地间隙自动调整和机身全向位姿调平试验,试验结果表明,试验样机离地间隙最大调整量为574mm,同时在复杂地形下能够实现机身位姿全向自动调平,调平平均时间约为1.2s,调平平均误差为0.8°,位姿控制响应速度与调平精度能够满足实际工作要求。     

青花椒采收机环切式穗枝分离装置设计与试验

青花椒采收过程中,果皮上散生多数突起的油苞极易破裂导致果实干后变黑,有效成分挥发而严重影响质量。青花椒的油苞破损程度直接影响其品质,在保证花椒低油苞破损率的前提下,为实现花椒机械化采收,基于枝条环切原理,设计了一种花椒采收机的穗枝分离装置。通过理论分析得到影响采收效果的结构参数和作业参数,并根据花椒枝条物理特性和加工经济性进行优化。选取环切式穗枝分离装置的环切刀刃口角度、环切刀转速和枝条进给速度为试验因素,以花椒采收效率和油苞破损率作为评价指标,进行了单因素试验及二次正交旋转组合试验。采用响应曲面法对试验结果进行分析并找出主控因素,运用Design-Expert软件的多目标优化算法进行参数优化。结果表明,枝条进给速度是影响花椒采收效率和油苞破损率的主要因素,枝条进给速度与花椒采收效率成正比关系。各因素对花椒采收效率和油苞破损率的影响程度由大到小依次为枝条进给速度＞环切刀转速＞环切刀刃口角度。随着枝条进给速度的增加,花椒采收效率迅速提高,花椒油苞破损率先缓慢增加后急剧增加。随着环切刀转速的增加,花椒采收效率并无明显增加,在枝条进给速度＜0.4 m/s时,花椒油苞破损率随环切刀转速增加先小幅减小后趋于平稳最后小幅增加,在枝条进给速度＞0.4 m/s时,花椒油苞破损率随环切刀转速增加平稳减小。该装置最优参数组合:环切刀转速2 800 r/min,枝条进给速度0.45 m/s,环切刀刃口角度25°。样机田间试验表明,花椒采收效率和油苞破损率分别为50.7 kg/h和6.7%,优于目前人工采摘作业效果。      

液压式棉田地膜回收压捆机设计与参数优化

针对棉田地膜收储运困难、易造成二次污染等问题，设计一种液压式棉田地膜回收压捆机，可一次性完成棉田地膜的回收和液压压捆作业。根据机具初步试验结果，将挑膜滚筒转速、机具前进速度、切刀线速度、地膜喂入量、地膜厚度作为试验因素，将地膜回收率、压缩密度和缠膜率作为目标值，进行5因素3水平的Box Behnken试验，采用Design Expert软件进行响应面分析，建立相关的数学模型和目标函数，进行样机作业参数组合优化计算，并对优化结果进行试验验证，最终确定样机的最优作业参数组合。结果表明：样机进行地膜回收压捆作业时的最优作业参数组合为挑膜滚筒转速4800 r/min，机具前进速度0.80 m/s，切刀线速度2.47 m/s，地膜喂入量0.52 kg/次，地膜厚度0.012 mm，地膜回收率95.09%，压缩密度137.68 kg/m3，缠膜率8.91%。     

柚子仿形热封切模的设计

柚子热封切模是柚子自动化包装最重要的环节。针对柚子的特殊形状经过多次试验,本设计将模具的主要件推板、导热块及热封切刀制作成柚子的半边仿形状,并将电热管置入导热块的孔内。实践表明,此设计能够更好地完成对柚子裹膜的热封切,在合理配置控制机构后实现流水线的自动化作业,降低薄膜的消耗,减轻劳动强度,提高生产率。     

移动并联式六自由度转运调姿方法研究

针对大型航天相机长距离转运和快速精确自动调姿需求,提出一种基于全向移动平台和3-RPS并联调姿机构的移动并联式六自由度调姿方法。首先,测得相机当前姿态和目标姿态,推导二者位姿矩阵;通过运动学模型反解全向移动平台和并联调姿机构的各轴运动参数,将多轴耦合的空间六自由度完全解耦;建立全向移动平台和并联机构的运动学模型,实现上述运动参数的驱动;最后,进行了调姿算法试验,结果表明,调姿设备能够快速精准实现大型相机任意姿态向目标姿态的自动化柔性姿态调整,全向移动平台移动精度优于0.3mm,旋转精度优于0.05°,并联机构杆长精度优于0.5mm,验证了自动调姿的准确性。     

水培生菜低损柔性采收装置设计与试验

植物工厂水培生菜采收过程中易损伤菜叶,为提升采收质量,结合水培生菜农艺特征,设计了一款水培生菜低损柔性采收装置。利用图像处理检测水培生菜轮廓外切矩形,获取生菜株高及菜叶展开尺寸,进而通过柔性手指对菜叶的低损抓取、切割器对生菜茎的一次切除,实现水培生菜低损柔性采收。分析确定了柔性抓取机构、切茎机构、控制系统等关键部件的作业流程及结构参数。利用响应曲面试验方法,优化了柔性手指抓取高度比、抓取圆周比、柔性手指弯曲角的参数组合。试验结果表明,各因素影响采收成功率的显著性顺序为柔性手指弯曲角、抓取圆周比、抓取高度比,各因素对菜叶损伤面积的影响均极显著。利用二次拟合方程求得最优参数组合为抓取高度比0.55、抓取圆周比0.76、柔性手指弯曲角39.7°。对最优参数组合进行试验验证,结果表明,菜叶损伤面积为186mm2,采收成功率为96%,实现了水培生菜低损柔性采收。     

马铃薯定量装袋装置设计与试验

针对目前国内马铃薯定量装袋机在定量装袋时存在测量不稳定、装袋损伤较大以及装换袋效率低等问题,采用S型拉力传感器原理称量,提高了称量精度和稳定性。在此基础上对定量装袋装置进行了结构设计,通过对定量装袋装置关键部件的分析确定了结构参数,并明确了影响装袋性能的关键因素及取值范围。以输送带速度、引流板角度以及装袋高度为试验因素,以称量合格率、破皮率和伤薯率为试验评价指标,借助软件Design-Expert 10.0.3,采用Design-Behnken进行三因素三水平试验,对试验结果进行方差分析,通过响应面试验分析了各交互因素对试验指标的影响规律,对定量装袋装置的结构以及工作参数进行优化,结合实际工况确定各因素最佳取值,在此基础上进行5次试验台定量装袋试验,验证试验表明,当输送线速度为0.44m/s、引流板角度为62.3°、装袋高度为496.1mm时,其称量合格率为97.32%,破皮率为1.22%,伤薯率为0.94%。对比参数优化后的理论值,实测值与理论值的相对误差分别为1.23%、2.40%、2.17%,表明本定量装袋装置提高了装袋合格率,在提高装换袋效率的同时减少了破皮和伤薯等损伤。     

马铃薯微型种薯种植机双侧位深施肥装置设计与试验

基于前期设计的马铃薯微型种薯(简称"微型薯")播种机,结合微型薯种植农艺特点,设计了一种单行薯双侧位深施肥装置,并对其关键部件排肥器和施肥开沟器进行分析。采用运动学理论分析了颗粒肥料在排肥器内的运动特性,并通过离散元仿真模拟研究了不同螺距下排肥器排肥情况,以确定较佳的螺距;采用力学理论对施肥开沟器进行分析,明确开沟圆盘等设计参数。机具静态试验表明,排肥器间的排肥均匀性变异系数为2.29%,排肥器排肥稳定性较好;田间试验结果表明,肥料与种薯间的平均横向间距为51.2 mm,平均纵向间距为63.5 mm,施肥装置的整体施肥作业性能满足农艺要求。     

保护性耕作破茬碎土刀设计与试验

针对深松作业时残留土块较大、破茬作业中机组载重过大等问题,设计了与深松铲互作效应的破茬碎土刀。结合机构互作效应时的运动学分析及深松铲的田间试验,确定破茬碎土刀刃口曲线与地面夹角为10°～70°,破茬碎土刀最小半径为180 mm,中间半径为215 mm,最大半径为235 mm,深松铲与破茬碎土刀的最小间隙为20 mm,并运用离散元仿真试验为机构配合设计的合理性提供依据。田间性能试验表明,互作效应装置与参照指标相比,破茬比率提高10. 92%、碎土率提高6. 04%、耗油量降低31. 39%;田间对比试验表明,互作效应的破茬碎土刀比分离作用的破茬碎土刀、圆盘刀、缺口破茬刀,在相同工况下,平均破茬比率分别增加了3. 53%、19. 38%、8. 86%;在不同工况下,比分离作用的圆盘刀,平均载质量降低20 kg,破茬比率提高13. 8%,耗油量减小7%,平均载质量降低40 kg,破茬比率提高5. 82%,耗油量减小21. 82%,比分离作用的缺口破茬刀,平均载质量降低20 kg,破茬比率提高4. 5%,耗油量减小12. 79%。因此与深松铲互作效应的破茬碎土刀,在降低载质量时性能较优。     

油菜铺膜打孔播种机滚动式割膜打孔装置设计与试验

针对现有油菜播种膜上成穴打孔装置实际作业过程中存在膜孔尺寸偏大、形状不规则及膜孔粘连等问题，基于滑切原理设计了一种滚动式割膜打孔装置，确定了打孔装置和仿形机构结构参数，建立了打孔装置运动学模型，分析确定了影响膜孔长度的主要因素及其取值范围。运用DEM-MFBD耦合仿真，采用三因素三水平回归正交试验，以整机前进速度、纵向刀片长度、纵向刀片高度为试验因素，膜孔长度和孔距差值为评价指标进行仿真试验，结果表明：各因素对膜孔长度的影响由大到小依次为纵向刀片长度、整机前进速度、纵向刀片高度，各因素对孔距差值的影响由大到小依次为纵向刀片高度、整机前进速度、纵向刀片长度。整机前进速度为3.3 km/h、纵向刀片长度为34 mm、纵向刀片高度为31 mm时，膜孔长度为44.78 mm、孔距差值为0.64 mm,打孔性能较优。以较优参数组合开展了滚动式割膜打孔装置田间试验，结果表明膜孔平均长度为43.15 mm,膜孔长度稳定性变异系数为3.86%,平均孔距差值为-1.32 mm,膜孔孔距误差为4.22%,满足油菜播种割膜打孔要求，该研究可为油菜铺膜播种机割膜打孔装置提供参考。     

全膜双垄沟覆膜土壤离散元接触参数仿真标定

为进一步提升基于离散元法对全膜双垄沟机械化覆土作业过程研究的准确性,结合EDEM软件进行覆膜土壤摩擦角(土壤休止角及其与钢滑动摩擦角)离散元仿真试验。通过三因素三水平正交组合试验,得出各接触参数对土壤休止角、土壤与钢滑动摩擦角的影响显著性顺序。分别建立了各关键接触参数与土壤休止角、土壤与钢滑动摩擦角的二次多项式回归模型,以自制试验装置测定结果作为优化的目标值,获得全膜双垄沟覆膜土壤离散元最优接触参数组合为:土壤与土壤静摩擦因数0. 68、土壤与土壤滚动摩擦因数0. 27、土壤与土壤恢复系数0. 21、土壤与钢静摩擦因数0. 31、土壤与钢滚动摩擦因数0. 13和土壤与钢恢复系数0. 54。为验证所标定全膜双垄沟覆膜土壤接触参数的可靠性,对模拟仿真与实际试验的土壤休止角、土壤与钢滑动摩擦角进行了对比分析,两者相对误差分别为2. 6%和3. 1%;同时应用离散元法进行全膜双垄沟覆土装置在覆膜土壤颗粒最优标定参数组合设置下的种床覆土过程仿真模拟,通过与实际作业效果对比,仿真结果与田间试验工况基本一致,验证了仿真试验与建立回归模型的有效性。     

切抛组合式小麦宽幅沟播破茬清秸防堵装置设计与试验

针对西北地区玉米秸茬覆盖地小麦免少耕宽幅沟播时,由于玉米根茬阻碍秸秆流动导致的秸茬聚集壅堵、土壤扰动大、种带清洁率低、播种质量差等问题,提出先被动切割、后主动抛撒的种带清理方法。设计了一种切抛组合式破茬清秸防堵装置,通过纵向布置的倾斜缺口圆盘与旋抛装置配合作业对种带残茬与秸秆进行清理。适配防堵装置设计了分流式开沟器,实现行距稳定的一沟两行播种。分析确定了缺口圆盘倾角与偏角参数;依据滑切理论设计计算了平直旋刀与侧倾旋刀刃线结构参数;建立MBD-DEM联合仿真平台并采用正交旋转组合试验方法,以种带清洁率、秸茬粘结键破碎率与土壤扰动宽度为指标进行旋抛装置关键参数优化仿真试验。基于仿真结果建立各指标回归模型并通过响应面分析与多目标优化得出,当侧倾旋刀倾角为20°、回转速度为310r/min时,防堵装置种带清洁率达到96.9%,秸茬粘结键破碎率为26.9%,土壤扰动宽度为139mm。在玉米秸茬覆盖地进行小麦播种试验,结果表明切抛组合式小麦宽幅沟播破茬清秸防堵装置通过性良好,种床清洁率为90.1%,破茬率为96.2%,土壤扰动宽度为127mm,土壤扰动量为6.9%,整机作业质量稳定且播种后小麦出苗均匀,满足宽幅沟播小麦免耕播种农艺要求。     

移栽机覆土量自动调节装置设计

针对移栽机的覆土装置受地面不平整的影响,导致覆土不均匀等问题,设计了一种移栽机覆土量自动调节装置.装置由覆土滚筒、覆土圆盘、覆土厚度检测机构、覆土量自动调节机构和覆土圆盘角度调节器组成;控制系统由PLC和组态屏组成,实现移栽机膜上覆土量的自动调节控制.利用覆土厚度检测机构,获取膜上覆土厚度信息,借助PLC自带PID模块...     

滚筒式棉花覆膜装置设计与试验

针对山东省棉花种植的农艺要求,研制了一种可调滚筒式棉花覆膜装置。该装置由开沟圆盘、仿形压膜轮、覆土圆盘和覆土滚筒等部件组成。重点设计了仿形压膜轮装置,分析优化了开沟圆盘和覆土圆盘的结构参数。田间试验结果证明:该装置的适应能力强、调节方便,可与大型棉花播种机配套使用,覆膜效果稳定,膜边覆土厚度≥40 mm,膜上覆土厚度≥30 mm,作业指标优于相关行业标准。