禽蛋破损在线检测自动敲击发声装置设计与试验

针对禽蛋破损在线检测技术要求,设计了一种轻巧的自动敲击发声装置,该装置利用电磁吸合原理,由单片机控制线圈中电流的方向和大小变化,改变感应区的磁场方向和磁场强度,控制敲击杆的伸出、停止和返回,从而实现对蛋壳的敲击发声,密闭在敲击杆内部的麦克风采集声音信号。对自动敲击发声装置的结构和工作原理、硬件参数及软件实现进行了描述,并以鸡蛋为对象,进行了声音信号采集试验。结果表明：该装置运行稳定,反应迅速,敲击准确率达到了100%,而且敲击力度适中,敲击引起的蛋壳损伤率为0,采集的声音信号实时、清晰,为改善禽蛋无损检测装备性能提供了参考。     

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。     

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。     

糙米机械破碎力学特性试验与分析

为了研究糙米机械破碎力学特性及其与籽粒结构特性的关系。采用物性测试仪对糙米的锥刺、三点弯曲、剪切、挤压4种机械破碎力学特性进行测试与分析,并对糙米和精米的破碎力学特性(三点弯曲)进行了比较。结果表明:糙米的断裂是由于内部胚乳组织不均匀,在外力作用下首先形成内部裂纹,裂纹尖端处的应力集中又进一步促进裂纹扩展,最终导致籽粒断裂;厚度为(1.0±0.5)mm的不同样品锥刺破碎力在10N左右,各样品籽粒内部的结合力相差较小,籽粒的断裂主要与厚度及胚乳特性有关,其中三点弯曲力更能反映籽粒的破碎特性,糙米的糠层对籽粒有一定的保护作用,糙米力学特性比精米好。该文为糙米储藏加工技术参数的确定提供依据。     

豆禾牧草茎秆的力学特性试验

为了应用力学性能指标对豆禾牧草茎杆进行评价,以多年生豆科牧草紫花苜蓿、绿宝石小冠花和禾本科牧草扁穗冰草、无芒雀麦4个品种刈割期茎秆为试验对象,在500 N微机控制电子万能试验机上进行拉伸和剪切试验,测得4个品种拉伸和剪切（砍切、斜切和滑切）的最大载荷、应力、应变和弹性模量等力学指标。用统计软件对牧草茎秆力学特性进行相关性分析。结果表明：豆禾牧草的抗拉强度与其直径之间呈幂函数负相关关系;刈割期茎秆外径差异不大,豆科略大于禾本科牧草,但禾本科牧草抗拉强度是豆禾牧草的3～4倍;茎秆抗剪切强度均随直径增大有减小的趋势;加载速度为100 mm/min时,砍切的切割阻力最大,斜切的切割阻力比砍切低30%～40%;当滑切角为30°时,滑切阻力比砍切阻力降低50%～60%。试验结果为设计牧草收获机、打捆机及深加工等机具提供了理论依据。     

用于机械化栽植的西兰花钵苗力学特性试验

为了降低西兰花钵苗机械化栽植过程中的破损率,避免栽植嘴已经运行到栽植位置而钵苗还未滑到栽植嘴的底部而造成移栽失败,该文采用正交试验的方法,以土钵体积(表示穴盘规格)、苗龄和含水率为试验因素,针对栽植过程农艺要求,进行了不同方案下土钵的抗压强度试验和钵苗沿栽植嘴壁面下滑的运动阻力系数测试。通过建立西兰花土钵与栽植嘴壁面碰撞过程接触力学模型,分析得到为避免土钵破损钵苗和栽植嘴碰撞时不同组合允许的最大相对速度。以栽植作业中避免钵苗破损,同时运动阻力不能过大为目标,采用综合评分法,得到适宜机械化栽植的4个土钵体积、苗龄和含水率组合,进而对这4个组合进行模拟田间栽植试验,得到最优的组合:土钵体积为中(穴盘规格为128),苗龄为2~3片真叶,含水率约为63%。该研究为栽植机构的设计提供依据。     

面向机器人采摘的荔枝果梗力学特性

为了给荔枝采摘机器人夹持与切割器的设计和控制提供依据,对荔枝果梗分别进行了切割性能和夹持性能的影响因素试验以及弯曲试验。试验结果表明:峰值切割力和切割强度随着切割速度增加而减小,随着切割角度的减少而减少,凹刃和凸刃的峰值切割力和切割强度都比平刃小;除果梗直径因素外对峰值切割力和切割强度影响显著的因素均依次为切割角度、刃口形式和切割速度;切割角度每减少1,峰值切割力和切割强度分别减少4.45N和0.16MPa;相比平刃的峰值切割力和切割强度,凸刃分别减少166.90N和2.11MPa,而凹刃分别减少167.39N和4.21MPa。随着夹持力增加,荔枝果梗与夹持物间摩擦力增加,夹持物为橡胶时,摩擦力最大,夹持力对摩擦力的影响大于夹持材料;试验范围内,最大摩擦力为44.54N。荔枝果梗具有较强的抵抗变形的能力,平均弹性模量为867.15MPa;试验范围内,最大弯曲力的平均值为118.95N,抗弯强度的平均值为56.03MPa。该研究为荔枝采摘机器人的夹持与切割机构的优化设计和控制提供了理论依据。     

面向机器人采摘的番茄力学特性试验

番茄果实及果梗的力学特性,是采摘机器人设计与控制的重要依据。对不同成熟期的番茄果实进行了纵向和横向挤压试验,对其果梗进行了折断和拉断试验。试验表明番茄果实的抗挤压能力具有明显的各向异性,且从青果期至绿熟期达到最大,而后随着成熟度增加而迅速减小。利用简化结构对这一规律的力学原理进行了分析。果梗拉断和折断试验发现,果梗均从离层处断裂,与拉断相比,折断方式更省力和易于实现机器人采摘。     

宽皮柑橘移动夹持剥皮力学特性与果皮分离特性试验研究

为了解决目前柑橘剥皮设备,果皮一次剥净率较低,且损伤率较高。需要人工二次剥皮等问题,探索宽皮柑橘剥皮方法,该文以温州蜜柑为研究对象,利用自制的试验平台开展柑橘剥皮试验,对比了不同加载条件(不同剥皮方向、剥皮宽度及剥皮速度)对温州蜜柑的果皮分离过程中拉力值以及果皮分离位移的影响规律。试验结果表明:1)柑橘的剥皮特性具有各向异性,剥皮方向对剥皮特性具有显著性影响(P0.05),沿柑橘轴向方向剥皮,剥离的果皮长度与径向相比长约15%,且剥皮过程果皮能够均匀剥离;2)柑橘果皮分离过程中大致存在3种果皮断裂形态,其中剥离的果皮形态呈对称状,剥皮过程较为平稳;而剥离的果皮形态呈偏移或是果皮边缘带锯齿状,剥皮过程均存在波动过程,果皮呈斜向撕裂,剥离的果皮长度小于正向撕裂的对称状果皮长度;3)剥皮宽度、剥皮速度对柑橘果皮分离的最大拉力值有显著影响(P0.05),对果皮分离位移影响不显著(P0.05),其对剥皮长度影响较小,根据试验指标及自身剥皮设备参数,夹持较宽(采用环割划皮)的果皮,较高的剥皮速度(300 mm/min以上),利于提高剥皮效率。该研究可为宽皮柑橘的机械剥皮加工设备提供一定的理论依据。     

高密实度模拟月壤力学特性试验研究

为保证月面采样任务顺利实施,该文以钻取采样的JLU5系列模拟月壤(JLU5-1、JLU5-2和JLU5-3,探月工程内场试验采用)为对象,利用振实装置进行高密实度模拟月壤整备,开展不同密实度条件下(相对密度为0.85、0.9、0.95和0.99)模拟月壤剪切和贯入特性力学试验,分析了相对密度对剪切强度、内聚力、内摩擦角、圆锥指数和圆锥指数梯度的影响规律。试验结果表明,剪切强度和内聚力随相对密度增加总体呈现增加规律,平均变化率分别为11.1%和35.8%;3种模拟月壤内摩擦角随相对密度增加无明显变化趋势,范围为53.3o～67.7o;圆锥指数和圆锥指数梯度随相对密度增加而增加,且圆锥指数和圆锥指数梯度平均变化率较剪切强度和内聚力的大;相同试验条件下,颗粒较细的JLU5-3型模拟月壤较JLU5-1和JLU5-2具有更大的剪切强度、内聚力和圆锥指数,JLU5-2内摩擦角总体上较JLU5-1和JLU5-3的小。利用EDEM软件建立贯入特性试验数值模型,仿真结果表明:不同模拟月壤圆锥指数仿真值总体小于实际试验值,且随相对密度变化规律一致,建立了仿真与试验值线性关系。研究结果可为采样任务顺利实施、钻取机构优化设计、采样触月部件与月壤相互作用力学模型建立提供参考。     

鸡蛋彩盒装箱生产线设计与试验

为了满足消费者需求,鸡蛋被包装成规格众多的礼品彩盒,这给彩盒装箱自动化带来了巨大困难,由于彩盒大小多变,每箱装入数量不同,加上鸡蛋的易碎物理特性,目前,国内禽蛋加工企业均采用人工装箱。该研究为实现对鸡蛋机械自动装箱,研发出基于直角坐标机械手的彩盒装箱搬运机构,通过机械臂轨迹规划算法,计算出直角坐标机械手各单元的运动轨迹,设计了鸡蛋彩盒柔性装箱生产线,并实现产业化。为了保证装箱过程中机械手夹持彩盒稳定可靠,同时,避免生产线共振导致盒内鸡蛋的破损,该研究首先对彩盒基本物性及所需包装防护性能进行跌落试验、压力试验、扫频试验和随机振动试验,确定鸡蛋彩盒包装的防护性能参数,包括临界跌落高度、无破损夹持力、共振频率、无破损鸡蛋运输系统激励。由彩盒跌落试验得出盒内鸡蛋破损临界跌落高度为290 mm;压力试验确定彩盒夹持力小于870 N时,盒内鸡蛋无破损;扫频试验确定彩盒包装件共振频率范围为10～15 Hz;随机振动试验确定系统的激励需小于等于0.52 g2/Hz。在彩盒物性参数测定值约束下,采用Siemens PLC S7-200 Smart作为中央控制器,MCGS触摸屏界面,配合可以根据彩盒大小、规格和入箱彩盒数量要求而快速拆装更换的夹板和导入架,实现了鸡蛋彩盒柔性、高效、低破损装箱。该生产线设计的直角坐标机械手X、Z轴的最大有效行程分别为750、380 mm;X 轴移动线速度0～199 mm/s可调,Z 轴移动线速度0～149 mm/s可调;Y轴夹爪板运动轨迹最大行程200 mm,最大线速度50 mm/s。整机额定功率1.5 kW。生产线在企业包装流水线上运行11个月,机械装置及控制系统软硬件稳定可靠。对生产线进行了为期10 d的现场测试,结果显示：包装线完成每箱6盒、每箱4盒的装箱效率分别为96.2和120.4箱/h,是人工装箱效率的4～6倍,同时还可节省3～6名辅助工,测试全过程蛋品破损率为0。研究结果可为禽蛋彩盒包装自动化生产线的设计与应用提供参考。     

原粮包装机凸轮撑袋机构的设计与试验

针对定量原粮包装机由不同气缸分别驱动撑袋机构与夹袋机构,导致同步难、效率低、低温环境下气动系统易结露、以及工作环境粉尘较大而引起的气动部件动作迟缓甚至失灵等问题,该研究设计了一种随夹袋机构同步运动的凸轮撑袋机构。利用一台电机驱动平面六杆机构带动凸轮撑袋机构与夹袋机构,实现撑袋、夹袋和复位的同步运动;基于几何坐标变换和矢量法建立撑袋机构的凸轮工作廓线参数方程和空间凸轮机构的压力角求解方法,确定撑袋运动规律和凸轮工作廓线;建立凸轮撑袋机构三维模型,利用ADAMS软件对凸轮撑袋机构的撑袋运动规律进行仿真分析,结果表明：撑袋运动规律理论计算与仿真分析结果基本一致,最大压力角23°小于许用压力角,满足机构工作要求;开展气缸驱动与电机驱动撑夹袋机构的对比试验,得到后者的生产率达10袋/min,验证了机构设计的合理性,研究可为北方寒区原粮包装机设计提供一种设计思路和理论分析方法。     

基于苗钵力学特性的自动移栽机执行机构参数优化试验

为有效减少加工番茄机械化移栽过程钵苗基质的损伤,提高移栽机取苗、植苗成功率,该文构建了移栽过程中取苗、植苗阶段加工番茄钵体的力学模型,结合钵体的抗压力学特性试验,研究移栽过程中造成钵苗基质破损、影响取苗、植苗成功率的因素,通过试验分析适合机械化移栽的钵体和移栽机执行机构的相关参数。参数组合重复性验证试验表明：钵体基质配比（珍珠岩：砾石：泥炭）为1∶1∶2,钵体绝对含水率为72%,取苗夹片插入穴孔深度为35 mm,取苗夹片对钵体的夹持角度为14°,投苗点与接苗碰撞点高度为90 mm,鸭嘴锥度为38°时,移栽成功率满足加工番茄穴盘苗机械移栽要求。该研究为机械化移栽的加工番茄钵苗培育农艺及移栽机参数优化设计提供了参考。     

穴盘苗自动移栽钵体力学特性试验

穴盘苗钵体的力学特性,是穴盘苗自动移栽机取苗机构设计的重要依据。以黄瓜为育苗对象,选用镇江培蕾育苗有机土,使用128孔正方形锥体穴盘,在Venlo型玻璃温室培育穴盘苗。试验时,穴盘苗苗龄28 d,长出两片子叶和第一片心叶,钵体含水率范围为54.21%～60.47%。对穴盘苗钵体进行了平板压缩、加卸载循环和蠕变试验,试验仪器为TA-XT2i型质地分析仪,测前、测试、测后速度均为1 mm/s。钵体压缩试验测试10 mm压缩量下的抗压特性,试验重复20次,钵体加卸载循环试验测试2、4、6、8 mm压缩量下的加卸载特性,每个压缩量重复10次,钵体蠕变试验试验测试2、4、6、8 N不同加载力下的蠕变特性,保持时间为120 s,每个测试力重复10次。试验表明穴盘苗钵体的抗压力与变形呈非线性变化,抗压力随着变形的增大先缓慢增大再显著增大。在平板压缩过程中,钵体无明显的屈服破坏点。穴盘苗钵体的压缩破坏是从钵体盘根较少的区域开始,逐渐扩大破碎度。在弹塑性方面,随着压缩量的增大,滞后损失、抗压峰值力均增大,弹性度减小,并且穴盘苗钵体压缩变形越大,其塑变能力越强,具有一定的可塑性,可以从两侧或四周夹紧钵体而不破坏其整体性。利用Burgers模型能有效表征穴盘苗钵体的压缩蠕变特性,获得了对应的黏弹性参数。通过钵体不同压力下的蠕变试验,得到随着加载力的增大,瞬时弹性系数、延迟时间均减小,在1 s内,加载力为2、4、6、8 N时,钵体平均蠕变量分别为0.0244、0.0308、0.0446、0.0549 mm,表明其蠕变量比较小,这对快速夹取穴盘钵体的夹紧松弛特性影响不大,即钵体一旦夹紧不会松弛掉落。     

球形水果塑料发泡网套包装机设计与试验

塑料发泡网套能有效降低运输过程中水果发生机械损伤的概率。为了解决球形水果塑料发泡网套自动包装的问题,在分析苹果和脐橙等主要球形水果生物力学特性的基础上,提出一种柔性扩膜锥体扩膜、倒刺卡筒下膜的球形水果网套包装工艺方案,并确定了机器关键部件结构参数,设计了部件组合运行控制时序,加工了试验样机。30个苹果样本包装试验,包装成功率100%,损伤率0,平均单果包装时间25 s,工作效率35 kg/h,下膜长度主要分布在104～110 mm范围内,约占样本总数的76.6%。试验结果表明,样机机构设计合理性,结构紧凑,球形水果果面包覆完整,可实现连续包装功能,但是机器作业效率低于人工效率,需要优化包装流程,采用多组同时包装的方式提高效率。研究结果可为后续球形水果网套包装设备的研制和优化提供参考。     

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。     

胡萝卜微粉碎机盘刀设计及试验

为提高胡萝卜微粉碎机的粉碎效率,降低能耗,该文基于干燥后的胡萝卜力学特性,确定了其较佳粉碎方式为:采用剪切粉碎,胡萝卜片的含水率为5%。在此基础上,试验设计了3种粉碎盘刀(单刃盘刀、双刃盘刀、齿式盘刀),进而对粉碎物料及粉碎盘刀受力分析,表明3种盘刀运行时,受到的最大应力均小于其屈服力,工作稳定,不宜发生断裂。以盘刀类型、转子转速、刀底间隙为因素,以单位耗能粉体产量为试验指标,试验结果表明:齿式盘刀单位耗能粉体产量最高,其次为双刃盘刀,单刃盘刀最低;胡萝卜微粉碎机最佳工作参数为:齿式盘刀、转子转速为1455r/min、刀底间隙为7mm,此时生产120目的胡萝卜微粉单位能耗产量最大,该结果为胡萝卜微粉碎机的设计与推广使用提供了参考。