红花采摘力学特性及高速旋转吸附机械采收机理研究

Because of the growth characteristics of safflower, causing great difficulties to the mechanization of harvesting.Especially flowers and seeds harvested at different stages. Existing mechanical harvester have shortcomings that petals are broken,droped and fruit are damaged phenomenons,but if use the manual harvest, high cost, low efficiency. In response to these problems,the study uses the characteristics of a single petal on small, light, slender form and easily air turbulence, proposed use of high-speed rotating rollers negative pressure air stream, adsorption safflower, complete mechanical harvesting methods in plucking roll effect. In order to optimize the structure of sub pluckers and improve the quality and efficiency of harvesting, it is necessary and essential to abstract mechanical properties, adsorption petals flow field characteristics, and further exploring the interactive relationship between safflower and harvesters.Based on the mechanism between the safflower and machinery, the purpose of this study is to analyze and research the plucking mechanism in the harvest petals process, construct a gas-solid two-phase flow model concerning the complex safflower surface including articles such as petals, air and the dual rollers surface,conduct a systematic nonlinear contact constitutive dynamics analysis on the petals-roller, investigate the characteristics of safflower dissipative particle dynamics, explore the role of multi-physics coupling petals between clusters and the roll surface , reveal the mechanism of mechanical harvesting safflower, finally achieve high efficiency and high quality harvest.This study is a combination of multibody dynamics, numerical analysis and complex interface lubrication technology. Theoretical analysis, combining with indoor tests and field experiments, will provide a theoretical basis for the safflower and other top growth small fruit harvester.

由于红花的生长特性，给机械化采收造成很大困难。现有机械存在效率低、花丝破碎、掉落及果球损伤现象，而手工采收，成本高、效率低。基于此，本项目以高效率、高质量机械采收红花的实现为目标，针对单根花丝轻而长、易被气流扰动的特点，提出利用对辊高速旋转产生负压吸附捕获红花、辊压完成采收的方法。项目通过红花采摘力学特性的研究，建立花丝团簇聚合体、果球柔性体的本构方程；采用耗散粒子动力学计算模拟方法分析花丝团簇耗散粒子采收时的动力学特性，在此基础上，提取过程中各物理场对花丝摘离、破碎、掉落、果球损伤的影响因素，并建立相关响应数学模型，最终揭示红花高效率、高质量机械采收机理；最后通过理论与实际分析的对比，检验、修正模型。本研究提出了一种新的针对花-果不同期作物的机械采收方法，融合了多体动力学、数值分析和复杂界面建模技术，理论-试验-田间测试相结合，研究成果将为红花及其它顶生小果实的采收机具研发提供理论基础。

本项目通过开展收获期红花采摘力学特性和对辊高速旋转吸附采摘红花机理的研究，获取不同成熟度红花在不同采摘方式下的花丝-果球分离条件。通过仿真与一系列试验分析，获得基于高速旋转吸附采摘红花装置的优化组合参数。其主要研究内容包括：. 1、红花收获期采摘力学特性研究与分析 . 针对红花收获期不同品种、不同成熟度红花的物理性态特性，采摘力学特性的研究，探明了红花花丝-果球-侧枝-主茎秆采摘力学特性等统计学规律。. 2、基于对辊式高速旋转吸附-喂入机理研究. 研究红花-负压气流场气固二相流模型的设计描述方法，研究对辊式红花高速旋转吸附-捕获“主动”喂入机理。 研究“限制”花丝“主动倾向”机具的负压气流场特征，分析红花丝团簇在负压气流场中的运动规律，并研究不同工作条件参数变化对负压气流场吸附-捕获花丝效果的影响规律。. 3、旋转对辊捕获-夹持-摩擦-拉离-抛送红花采摘机理研究. 基于花丝团簇体系，研究旋转对辊采摘红花的瞬态非线性应力-应变过程，量化红花团簇与机具之间的相互作用关系；研究采摘过程中，红花破碎、红花掉落损失、果球损伤、枝条折断的原因，分析实现红花高质量采摘的条件。 . 4、红花采摘综合性能试验. 基于对辊式采摘试验研究，提取过程中各物理场对花丝摘 离、破碎、掉落、果球损伤的影响因素。.通过理论分析、技术创新与关键技术突破，将弹性力学与数值仿真及工程试验相结合，为红花高速旋转吸附机械采收研究提供了一种新的思路和解决方法；基于花丝团簇体系，研究旋转对辊采摘红花的瞬态非线性应力-应变过程，量化红花团簇与机具之间的相互作用关系, 突破了传统的研究局限，提出了一种有效的花-果不同期收获方法。. 通过该项目的实施，为红花机械化采收提供一种可行的采收方式。项目发表论文18篇，其中SCI检索论文1篇，EI检索论文3篇，获得授权专利18项，其中发明专利2项，实用新型专利16项。培养博士研究生1名，硕士研究生7名。