自走式电动钙果收获机的设计与试验研究

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针对目前钙果枝条倒伏现象严重、人工采收费时费力,制约钙果产业规模化发展的问题,本文在借鉴国内外学者在小林果采收机械的研究经验基础上,结合钙果种植农艺要求及生长特点,采用理论分析法和试验法相结合的方法开展钙果收获机的设计、试验研究,研制了一种具有高收获率、低破损率、性能可靠的自走式电动钙果收获机,本文的主要结论如下:(1)调研了钙果的种植农艺要求,测得钙果种植株距为0.5 m,窄行距为0.5 m,宽行距为1.2 m;测定了与收获相关的钙果基本物理特性,包括钙果成熟期枝条生长特性、倒伏枝条形态参数及钙果果实的物理参数等;通过钙果果实静态压缩试验,基于变形能建立了钙果果实损伤评价依据:变形能为0~28.56 m J为轻度损伤、28.56~88.21m J为中度损伤、88.21~123.41 m J为重度损伤、大于123.41 m J钙果破裂。通过钙果果实动态下落碰撞试验得到钙果重度损伤等效下落临界高度为2.97 m,此时碰撞速度为7.63 m/s。(2)进行了钙果收获机整机结构及五大关键部件(扶禾装置、梳脱装置、螺旋输送装置、行走底盘、控制系统)的设计分析。扶禾装置的设计:根据钙果枝条倒伏特点设计了钙果扶禾试验台,对扶禾过程中的钙果枝条进行受力分析、对拨指扶禾运动轨迹进行理论计算和ADAMS软件仿真分析,并进行试验研究,最终确定扶禾装置较优结构参数和工作参数组合为:仰角50°、扶禾速比4、拨指间距160 mm;梳脱装置的设计:经过对梳脱装置的结构及其工作原理分析,确定梳脱装置为3排梳齿,梳齿间距为20 mm较为合理。对梳脱过程中钙果的受力及运动轨迹分析,最终确定接果厢宽度335 mm,初始状态时刻钙果与接果厢侧壁距离的范围为250~560 mm;螺旋输送装置的设计:对螺旋输送过程中钙果的受力及运动进行了分析,根据输送特点确定了螺旋输送叶片外径120 mm、内径为32 mm、导程为100 mm,输送管外径140 mm、内径130 mm;行走底盘的设计:利用ANSYS软件对行走车架进行静力学分析,得到最大受力部位为中部纵梁后部,其最大应力为83.59 MPa,小于许用应力117.5 MPa,满足强度设计要求;转向性能分析得到最小转弯半径为3807 mm;经分析计算驱动电机选用额定电压为60 V、额定功率为3000 W、额定转速2000 r/min的无刷直流电机;控制系统的设计:对行走控制系统、采收控制系统、液压升降系统进行了设计。(3)田间试验以收获机前进速度、扶禾电机转速、脱果电机转速、输送电机转速为试验因素,以收获率和破损率为试验指标,进行了四因素三水平正交试验设计。试验结果表明,对收获率影响的主次顺序为:收获机前进速度>扶禾电机转速>脱果电机转速>输送电机转速,对破损率影响的主次顺序为:脱果电机转速>扶禾电机转速>输送电机转速>收获机前进速度。优化求解得到的较优工作参数组合为:前进速度0.2m/s、扶禾转速104.6 r/min、脱果转速22 r/min、输送转速137.4 r/min,在该组合下的预测结果为:收获率为81.26%、破损率为2.80%。验证试验结果分别为82.12%、2.79%,与回归模型预测值的相对误差不大于3.45%。本文设计的自走式电动钙果收获机可为钙果收获机械装备的研发、钙果产业化发展提供参考。
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