基于离散元理论的小浆果力学行为研究及新型采收机内腔装置设计

As for small berries, the mechanical harvesting may bring mechanical damage, which would affect the fruit quality and selling. So this may hinder the popularizing of the berry harvesting machine. While the fresh berries without mechanical damage could be mainly picked by hand, the labor intensity is high. The equivalent particle model of the fruit is established, which is used to analyze the energy consumption，and the harm evaluation standard for the berries are established. Based on the multi-body dynamics analysis of flexible body, mechanical behavior and the dispersing mechanism of fruit is analyzed, a basis for the design of the inside structure of the existing harvest machine is provided. The fruit motion trail is planed through matching the material and size of the harvesting device. The device for sifting is designed, as a result the berries harvested are sifted online. The virtual prototype is applied for simulation based on the theory of the discrete element. Through the actual harvesting experiments the feasibility of the improved design of the berries-harvesting machine is approved. This project establishes a theory of the fruit dynamic mechanical behavior, which provides the theoretical basis for the research and has an important impact on the improvement of the function and reliability of the harvesting machine for berries.

机械采收的小浆果很多发生机械损伤，影响果品的质量，鲜果不能直接销售。无机械损伤的鲜果主要依靠人工手工采摘，后期筛选，劳动强度大，阻碍了小浆果采收机械的普及和推广。建立果实的颗粒等效模型，根据能耗分析，建立小浆果机械损伤评价标准。基于多体柔性体动力学分析果实力学行为和分散机理，为内腔收获装置的设计提供依据。对收获装置进行材料和尺寸匹配，确定果实的运动轨迹。设计果实的筛选装置，实现果实采收实时筛选分级。基于离散元法对虚拟样机进行数值仿真，通过实际采收试验验证样机改进设计的可行性。该项目建立小浆果动态力学行为理论，为浆果采收设备的研究提供理论依据，对浆果采收机的功能改进和可靠性提升具有重要的作用。

目前国内小浆果机械采收技术研究处于起步阶段，机械采收小浆果时容易造成果实损伤，影响果品质量；国内小浆果种植农艺复杂，国外技术成熟的机具与国内农艺无法有效匹配，国内现有的采收机械的作业行走方式成为了主要技术难题，以上因素严重阻碍了国内小浆果采收机械的普及和推广。针对上述问题，本项目以蓝莓为研究对象，主要围绕以下四个方面展开研究：蓝莓果实力学特性及机械损伤评价、机械采收蓝莓果实碰撞力学行为、蓝莓采收机自行走装置的设计及性能研究、蓝莓果实机械采收过程数值模拟。.为保证蓝莓果实采收质量，根据机械采收原理得到了碰撞是造成机械采收过程果实损伤的主要原因，分析了蓝莓果实力学特性，提出了以果实变形能大小评价果实损伤程度，建立了蓝莓果实机械损伤评价标准；研究了机械采收过程中果实下落接触碰撞力学行为，得到影响果实变形能的主要因素及次序为果实下落高度、采收机接果板倾斜角度及果实质量，建立了变量方程，通过果实碰撞变形量可以确定果实变形能，依据变形能大小评价果实损伤程度。为解决机具与农艺有效匹配问题，设计了一款高通过性蓝莓采收机自行走装置，分析了其作业行走性能，得到了影响蓝莓采收机行驶稳定性和通过性的关键设计参数，该装置可以有效搭载现有的采收系统，整机作业性能及采收效率良好；基于离散元法得到了机械采收过程中单颗果实力学行为特性可适用于大量果实采收分析，通过对新型自走式蓝莓采收机采收数值模拟，预测了果实损伤程度及各级损伤概率分布。.研究成果完善了小浆果力学行为特性理论，为其他类似浆果的研究提供了理论基础；解决了国内蓝莓采收机面临的农机与农艺有效匹配技术难题，提高了国内小浆果采收机整体技术水平，形成了具有自主知识产权的新一代蓝莓采收机新技术；本项目成果对农林行业特种装备与技术的进步与产品质量升级有显著积极的推动作用，社会效益巨大。