菜用大豆联合收获采摘装置优化设计与试验
我国菜用大豆产业快速发展，传统人工采摘模式已经不能满足收获需求。但目前国内菜用大豆收获机械化处于起步阶段，缺少对采摘装置的研究。为了提高菜用大豆机械化收获效率，降低采摘过程的损失。本文以收获期菜用大豆植株为研究对象，农机农艺融合，对植株生长特性和力学特性进行检测。设计一种用于菜用大豆联合收获的弹齿滚筒型采摘装置，并对其进行校核、试验及优化。本文的主要研究工作及结论如下： （1）菜用大豆植株物理特性研究。对菜用大豆豆荚尺寸进行统计分析，结果表明豆荚长、宽、厚尺寸数据基本符合正态分布；同时对菜用大豆植株进行植株高度、结荚范围、底荚高度进行了测量统计；按上中下三个结荚区域区分豆荚，并利用万能材料试验机对三个部分的豆荚进行荚-柄拉伸试验，结果显示不同部分的荚柄断裂力临界值无显著差异，表明不同高度豆荚的荚-柄断裂力的大小基本一致；对豆荚进行抗压特性试验，并研究整株切割后放置天数对豆荚抗压特性的影响规律，结果显示豆荚发生塑性变形的压力临界值均随放置天数增加而减少，表明割后采摘易导致豆荚损伤，田间直接收获为比较合理的收获方式。 （2）采摘装置结构设计。根据菜用大豆自身特性和采摘技术要求，设计了一种卧式采摘装置。该装置核心为滚筒弹齿结构，通过滚筒上弹齿旋转击打植株实现田间直接采摘作业。通过关键部件设计，合理配置了弹齿排数、弹齿间距、滚筒半径等关键参数，并经过受力分析，优化了弹齿固定结构，并对豆荚进行运动分析，初步确定了机具影响豆荚采摘的作业参数。 （3）采摘装置主要结构有限元分析。通过滚筒主体结构模态分析，得到了滚筒前六阶模态振型云图、固有频率、最大变形量和最大变形位置。并对滚筒主要变形区域进行优化，使滚筒前六阶固有频率避开收割机发动机燃烧激励频率的范围。通过对弹齿固定结构进行静力学分析，获得应力和变形云图、最大变形量及应力集中位置。通过添加弹齿约束轴减少齿根处应力集中，结果表明，在正常载荷和随机载荷下，机构强度均满足要求。 （4）采摘装置台架单因素试验。搭建采摘机构试验台，为了明确各因素对整机工作性能的影响规律和趋势，选择前进速度、滚筒转速、割台高度、前挡板开合角度为试验因素，以掉落率、挂枝率、破损率为评价指标，进行单因素试验。试验结果表明：掉落为主要损失形式，前进速度、滚筒转速、割台高度对作业质量具有显著影响，合适的参数调节范围为：前进速度0.2~0.6m/s、滚筒转速200~300r/min、割台高度4~8cm。 （5）采摘装置多因素组合试验。通过Box-Benhnken试验方法设计三因素三水平采摘试验，以前进速度、滚筒转速、割台高度为试验因素，进行豆荚采摘性能试验研究。分别建立了评价指标和试验因素之间的回归模型；获得了试验因素对主控目标影响的主次顺序；通过粒子群优化算法（PSO）对模型进行最优值求解。最优值预测结果为：当前进速度0.46m/s、滚筒转速222r/min、割台高度4cm时，对应的掉落率、挂枝率和破损率预测值分别为11.4%、3.3%、4%。在最优组合条件下进行田间试验，得到掉落率12.3%，挂枝率3%，破损率4.3%，各项指标实际值和预测值基本吻合，设备采摘性能满足使用要求。
菜用大豆联合收获机;卧式采摘装置;滚筒弹齿结构;弹齿旋转击打;Box-Benhnken试验
中国农业科学院
硕士
农业工程与信息技术
袁文胜
2022
中文
S225.6
2023-07-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）