花椒机械化收获果实损伤机理及齿梳-气流式采收方法研究

The low rate of zanthoxylum harvest mechanization is the key to restrict its industrialization development and the damage from harvest mechanization will cause adverse effects on its quality. The insufficient research on damage characteristics of zanthoxylum and its harvest theory has caused some defects of zanthoxylum harvest, such as low efficiency and high loss rate. The project studies zanthoxylum fruit’s biological and mechanical properties, establishes its biomechanical models and explores its physical regularity and influential factors with different mechanical effects. The effect of zanthoxylum fruit damage characteristics and its influence on quality under different external loads will be studied, and the zanthoxylum damage prediction model will be established by using the finite element method. Based on digital image processing techniques, analyzing the damage of the zanthoxylum fruit，combined with the macro mechanical property and damage property, comprehensive interpretation of the damage mechanism of zanthoxylum fruit mechanization harvest will be gained. Furthermore, a low damage harvest method based on comb-airflow coupling will be explored and its recovery mechanism will be revealed, which will enrich the connotation of the damage mechanism and harvesting theory for top-grown little fruit, practically improve the level of zanthoxylum mechanized harvesting, and have important application value to promote the development of the pepper industry.

花椒的机械化收获是制约其产业化发展的关键因素，同时机械化收获造成的损伤又会对其品质造成不良影响。由于缺乏对花椒果实损伤特性与收获理论方面的研究，目前花椒收获仍然存在效率低、损失率高等缺陷。本项目以收获期花椒果实为研究对象，研究其生物学、力学特性，建立花椒果实的生物力学模型，探讨经不同机械作用后花椒果实生理变化规律及影响因素。研究花椒果实经不同外载作用下的损伤特性及其对品质的影响，并利用有限元法建立花椒损伤预测模型。基于数字图像处理技术，对花椒果实损伤进行显微结构分析，结合宏观力学特性、损伤特性，全面阐释花椒机械化收获时果实的损伤机理。在此基础上，探索一种基于齿梳-气流耦合作用的花椒果实低损伤采收方法，并揭示其采收机理。这在理论上丰富了顶生小果实损伤机理和收获理论的研究内涵，在实践上对提高花椒采收的机械化水平，促进花椒产业的发展具有重要的应用价值。

本项目针对花椒机械化收获过程中存在收获效率低、花椒损伤率高的问题，通过理论分析、数值模拟与试验相结合的方法，深入研究了花椒在机械作用下的损伤机理，探索了一种低损伤、高效率的花椒收获方法。首先，进行了收获期花椒果实的力学特性研究，确定了花椒果实的基本物理参数和接触参数，测定了花椒果穗与枝干、花椒果穗与果实之间的连接力，建立了花椒果实精确离散元模型。第二，通过研究植物组织细胞结构水分迁移与其电学特征的关系，建立了花椒细胞内外水分比方程，基于花椒果实受到机械损伤时细胞内外水分比变化规律，量化了花椒在机械作用下的微观损伤特性。通过将花椒运动受力、能量积累和细胞内外水分迁移与扫描电子显微镜分析、色差分析和感官评定相结合的方式，建立了一套宏微观相结合的花椒果实机械损伤评价标准。第三，研究了花椒在采收机流场中的气固两相流模型，通过CFD-DEM耦合的仿真试验法，对花椒的采收、输送、清选和收集过程进行了数值模拟分析，探索了采收机结构参数、工作参数对采收效果和损伤率的影响，获得了采收机各参数的最优值。第四，试制齿梳-气流式花椒采收机，通过台架试验和田间收获试验相结合的方法，进一步验证所优化所得参数，实现了低损伤花椒机械化采收。同时提出了一种基于改进YOLOV5s的轻量化、高检测、高速度、准确率的花椒果实目标识别检测方法，实现了自然场景下受枝叶遮盖、果实重叠等影响的花椒的准确快速识别，为低损伤花椒采摘机器人的研制提供了理论支持。本项目研究在理论上丰富了收获期花椒机械损伤机理和收获理论的研究内涵，在实践上对提高花椒采收的机械化水平，对促进花椒产业的发展具有重要的应用价值。