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                        一種鱗莖類作物的收獲機械的設計

                        添加時間:2021/06/03 來源:未知 作者:樂楓
                        因此本文綜合考慮土壤與百合鱗莖物理機械特性,開展百合鱗莖收獲機的研制,有效解決了百合鱗莖與土壤的分離問題,為鱗莖類作物的收獲機的設計提供了思路。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          目前,我國百合鱗莖主要通過人工挖掘和利用其他根莖類作物的收獲機械進行收獲,隨著百合產業規模的不斷擴大,逐漸凸顯出人工挖掘成本高、效率低的問題,同時其他根莖類作物與百合鱗莖的物理機械特性存在差異,其收獲機械也不適宜百合收獲,主要存在土壤與百合鱗莖分離不徹底的問題,導致撿拾效率低。因此本文綜合考慮土壤與百合鱗莖物理機械特性,開展百合鱗莖收獲機的研制,有效解決了百合鱗莖與土壤的分離問題,為鱗莖類作物的收獲機的設計提供了思路。

                          本論文主要研究內容如下:

                         。1)通過查閱國內外根莖類收獲機相關文獻,分析其結構特點,結合百合鱗莖收獲的實際情況,確定了整機的結構方案;通過分析借鑒國內外根莖作物的挖掘裝置,對挖掘鏟進行設計;通過對比根莖類作物輸送分離裝置的特點,確定了輸送分離裝置為抖動篩式,升運器為桿條式升運器,抖動輪采用雙頭式;通過計算所消耗的功率,確定了配套動力。

                         。2)對收獲期土壤以及百合鱗莖的物理機械特性進行測定與分析,包括土壤質地的測定、土壤含水率的測定、土壤密度的測定、鱗莖三軸尺寸的測定、密度的測定、鱗莖與 65Mn 材料板的滾動摩擦系數的測定、鱗莖碰撞恢復系數的測定與分析,為收獲機關鍵部件的設計以及收獲過程的仿真分析提供了基礎理論數據。 (3)利用 SolidWorks 軟件對收獲機的關鍵零部件進行靜應力分析,包括機架、挖掘鏟、升運器驅動軸,通過對比最大應力值與材料屈服強度,分析最小安全系數和最大變形量,保證關鍵零部件滿足正常工作需求。

                         。4)利用 EDEM 軟件建立土壤-鱗莖-挖掘鏟-分離部件的仿真模型,分別對影響收獲效率的主要工作參數:機具前進速度、升運器線速度、升運器傾角進行單因素仿真試驗,通過分析鱗莖所受平均法向力以及鱗莖與土壤、桿條之間的碰撞次數,得出工作效率較高的因素水平,為工作參數優化提供取值參考。 (5)在仿真試驗結果的基礎上,采用三因素三水平旋轉組合試驗方法,以損失率和傷莖率為試驗指標,對工作參數進行了優化,最后確定機具前進速度為 1.4m/s,升運器線速度為 1.8m/s,升運器傾角為 25°是最佳工作參數組合,鱗莖損失率為 2.31%,傷莖率為 1.82%,由于損失率包括對埋莖量的統計,因此鱗莖與土壤的分離率應大于 97.69%,驗證試驗表明,優化結果與試驗結果相近。

                          關鍵詞:百合鱗莖;收獲裝置;參數設計;仿真分析;試驗研究

                        Abstract

                          At present, lily bulbs in China are mainly harvested by manual excavation and machineryof other tuber crops. With the continuous expansion of the scale of lily industry, the problemsof high cost and low efficiency of manual excavation gradually stand out. At the same time, thephysical and mechanical parameters of other tuber crops and lily bulbs are different, otherharvesters are not suitable for lily bulbs harvesting. The main problem is that the separation ofsoil and bulbs is not complete, resulting in low picking efficiency. Therefore, this paper carriedout the research of lily bulbs harvester, though considering the physical and mechanicalproperties of soil and lily bulbs, which solved effectively the separation of lily bulbs and soil.

                          This paper provides another idea for the design of the harvester of bulbs.

                          The main contents of this paper are as follows:

                         。1) Reviewed related literature about tuber crops harvester at home and abroad, determinedthe structural scheme of the whole machine. Analyzed of the research on the digging device oftuber crops at home and abroad, designed the digging shovel. Compared the characteristics ofthe conveying and separating device for rhizome crops, determined the conveying andseparating device as the shaking screen type, the elevator is the rod type elevator, and theshaking wheel is the double head type . Calculated the power consumption, confirmed thematching power.

                         。2) Measured and analyzed the physical parameters of soil and lily bulb, including soiltexture, soil moisture content, soil density, bulb size, density, rolling friction coefficient betweenbulb and 65Mn material plate, and bulb coefficient of restitution, which provided the theoreticalbasis of each parameter.

                         。3) Carried out the static stress analysis of the key parts of the harvester by SolidWorkssoftware, including the frame, digging shovel and elevator drive shaft. Compared the maximumstress value with the material yield strength, analyzed the minimum safety factor and maximumdeformation to ensure that the key parts meet the normal working requirements.

                         。4) Built up soil-lily bulbs-digging shovel-separation parts model by EDEM, and thesimplified machine model, the main working parameters affecting the harvesting efficiency,such as the forward speed of the machine, the linear speed of the elevator and the angle of theelevator, were tested by single factor. Analyzed the average normal force of the bulb and thecollision times between the bulb and the soil and the rod, obtained the factor level of higherwork efficiency, which provides the reference for working parameter optimization.

                         。5) On the basis of the simulation test, optimized the working parameters though the threefactors and three levels rotation combination test, with the loss rate and the stem damage rateas the test indexes. Finally, the optimal working parameters combination was determined as theforward speed of the machine was 1.4m/s, the linear speed of the elevator was 1.8m/s, and theelevator inclination angle was 25 °。 The lily bulbs loss rate was 2.31%, and the stem injury ratewas 1.82%. The results show that the optimization results are similar to the experimental results.

                          Key words: Lily Bulbs; Harvesting Device; Parameter Design; Simulation Analysis;Experimental Study

                        目 錄

                          第一章 緒論

                          1.1 研究背景與意義

                          百合作為中國傳統的出口特產,是藥膳食療的佳品,其含有豐富的蛋白質、脂肪及維生素等各種營養素外,還含有豐富的生物堿,這些營養成分作用于人體,不僅具有良好的營養滋補之效,而且還可以預防多種季節性疾病。百合包括觀賞百合、食用百合、藥用百合,由于我國食用、藥用百合種植歷史悠久,又有特產品種,因此在食用藥用百合產業研發上處于世界領先地位,已在世界范圍內形成巨大的食用和藥用百合市場,并呈現逐年增長的趨勢,其收獲過程的機械化逐漸成為市場所需。

                          通過市場調研,目前尚未發現推廣應用的百合鱗莖收獲機械,嚴重制約了百合產業的發展。針對百合的收獲,部分地區利用人工進行收獲,存在收獲效率低、勞動強度大、收獲成本高等問題;也有地區利用其它根莖作物的收獲機進行收獲,但是由于百合鱗莖與其它根莖作物的物理特性上的差異,在收獲過程中,存在鱗莖破皮嚴重、土壤與鱗莖分離不徹底等問題,由于百合特殊的種植方式及生長周期,培育一顆 50g 的鱗莖大約需要 2-3 年,因此損傷對百合的產值會造成巨大損失。綜上所述,研究出一種低損傷、碎土分離效果好、可靠性高的百合鱗莖收獲機具,尤其適用于東北地區的種植模式,對有效改善當地百合收獲現狀意義重大。

                          1.2 根莖類作物收獲機械發展現狀

                          1.2.1 國外根莖類作物收獲機械發展現狀

                          1.2.2 國內根莖類作物收獲機發展現狀

                          1.3 根莖類作物收獲機關鍵部件研究現狀

                          1.3.1 根莖類作物收獲機挖掘裝置研究現狀

                          1.3.2 根莖類作物收獲機輸送分離裝置研究現狀

                          1.4 研究目標與內容·

                          1.4.1 研究目標

                          1.4.2 研究內容

                          1.5 技術路線

                          第二章 土壤及百合鱗莖物理機械特性的測定與分析

                          2.1 土壤參數的測定

                          2.1.1 土壤質地的測定

                          2.1.2 土壤含水量的測定

                          2.1.3 土壤密度的測定

                          2.2 百合鱗莖參數的測定

                          2.2.1 三軸尺寸的測定

                          2.2.2 密度的測定與分析

                          2.2.3 動摩擦系數的測定與分析

                          2.2.4 碰撞恢復系數的測定與分析

                          2.3 本章小結

                          第三章 百合收獲機關鍵部件的設計與受力分析

                          3.1 整機結構設計方案·

                          3.2 傳動系統設計方案·

                          3.3 關鍵部件的設計

                          3.3.1 機架的設計

                          3.3.2 挖掘鏟的設計

                          3.3.3 輸送分離裝置的設計

                          3.4 功率計算·

                          3.4.1 牽引功率

                          3.4.2 輸送分離功率

                          3.5 關鍵部件有限元分析

                          3.5.1 機架的有限元分析

                          3.5.2 挖掘鏟的有限元分析

                          3.5.3 軸的有限元分析

                          3.6 本章小結

                          第四章 收獲過程仿真試驗研究

                          4.1 離散元基礎理論

                          4.1.1 離散元簡介

                          4.1.2 EDEM 軟件簡介

                          4.2 離散元模型的建立·

                          4.2.1 土壤顆粒模型的建立

                          4.2.2 百合鱗莖模型的建立

                          4.2.3 收獲機具三維模型的建立

                          4.2.4 接觸模型的選擇

                          4.2.5 生成顆粒床

                          4.3 物料在升運器上的運動仿真·

                          4.3.1 機具前進速度的影響

                          4.3.2 升運器速度的影響

                          4.3.3 升運器傾角的影響

                          4.4 本章小結

                          第五章 樣機試制及田間試驗研究

                          5.1 因素與水平選擇

                          5.2 試驗方案的確定

                          5.3 試驗結果與分析

                          5.3.1 損失率 Y1 的顯著性分析

                          5.3.2 傷莖率 Y2 的顯著性分析

                          5.4 響應面分析

                          5.5 參數優化

                          5.6 本章小節

                        第六章 結論與展望

                          6.1 結論

                          近年來,隨著百合種植模式的不斷擴大,其生產過程機械化逐漸成為市場所趨,收獲過程機械化作為機械化的重要一環,其收獲質量直接影響到百合的產量。目前尚未找到專門用于百合收獲的機械,基本上是利用其他根莖類作物的收獲機械或者人工進行收獲,收獲成本高,效率低,因此設計一種用于百合鱗莖的收獲機對百合產業的發展具有重要意義。本論文在查閱相關國內外文獻的基礎上,進行實地調研,深入了解百合的種植模式,通過理論研究、建模分析、仿真分析以及搭建樣機試驗相結合的方式,完成了對百合收獲機的結構方案設計、傳動系統設計、關鍵零部件設計及受力分析、工作參數離散元仿真分析、工作參數試驗研究與優化。得出以下結論:

                         。1)針對百合根系比較發達,不易與土壤分離,研制了一種主動抖動式百合鱗莖收獲機,該機參考其他根莖類作物收獲機械,通過對百合種植基地的實地調研,確定整機結構方案,主要由挖掘鏟、升運器、抖動器、機架以及傳動系統等部分組成。根據百合種植模式,確定機架長 1400mm,寬 730mm,高 970mm;依據挖掘鏟的工況,確定挖掘鏟的材料為 65Mn,根據挖掘鏟的挖掘深度需求以及整機的工作寬度,確定了挖掘鏟的鏟長為 440mm、鏟寬為 110mm,通過理論分析,確定了挖掘鏟的鏟刃夾角為 100°;結合百合鱗莖易損傷的特性,確定升運器的類型為帶桿式升運器,依據機架的結構長度確定桿條長 700mm,升運帶長 2.5m,依據百合鱗莖的三軸尺寸,確定桿條間距為 35mm;依據各運動部件轉速以及實際工作條件,設計了本機的傳動系統。

                         。2)利用 SolidWorks 對整機結構進行建模,并對機架、挖掘鏟、升運器驅動軸關鍵零部件進行靜應力分析,并對收獲機的機架進行結構調整,最終得出結論:三個關鍵零部件所受靜應力均小于各零件的屈服極限,并且安全系數都大于 3,滿足工作需求。

                         。3)對收獲期百合鱗莖以及土壤的物理參數進行測定分析,包括鱗莖的三軸尺寸、密度、滾動摩擦系數、碰撞恢復系數、土壤的質地、土壤含水率以及土壤密度,為利用EDEM 分析軟件對收獲過程中工作參數的仿真分析提供參數依據。

                         。4)利用 EDEM 對收獲機關鍵工作參數機具前進速度、升運器線速度以及升運器傾角進行仿真分析,利用對百合鱗莖以及土壤的物理參數的測量結果,對仿真參數進行設置,并對鱗莖和土壤進行建模,最終生成顆粒床,添加零部件進行單因素試驗,最終得出以下結論:當機具前進速度為 1.6m/s 時,升運器帶速為 1.8m/s,傾角為 25°時,對百合鱗莖的損傷較小,混合物分離效果較好,工作效率較高。

                         。5)利用仿真分析的結果,對三個關鍵工作參數細化取值進行田間試驗,通過Design-Expert8.0.6 設計正交旋轉組合試驗,并對各工作參數進行優化,得出結論為:當機具前進速度為 1.4m/s,升運器線速度為 1.8m/s,升運器傾角為 25°時,鱗莖損失率和傷莖率最低,收獲效率最高。

                          6.2 展望

                          本研究重點在于對收獲機工作參數進行仿真、試驗與優化,也實現了百合鱗莖較高質量的收獲,但是在結構參數的設計方面略顯不足,建議今后在以下方面展開深入研究。 (1)本文僅利用 EDEM 對百合鱗莖的碰撞次數和平均法向力進行仿真分析,以最小值為指標,并未進行實際損傷試驗,因此對百合鱗莖損傷方面的研究有待深入,比如碰撞試驗、跌落試驗,以獲取更加精確的損傷邊界數據。

                         。2)本文設計的收獲機僅滿足將鱗莖鋪放到田地中,需要人工撿拾,后續可設計集挖掘-輸送分離-收集于一體的聯合收獲機,解放勞動力。

                          參考文獻

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                        致謝

                          時光荏苒,歲月如梭,轉眼間兩年半的研究生生活即將結束,心里有說不出的喜悅感和成就感,但更多的是感激、留戀與不舍,我的所有成績的取得都離不開師長們的傳道、授業、解惑,由衷的感謝老師、同學、家人以及工廠師傅們在研究生期間對我的悉心指導和幫助。

                          感謝我碩士兩年半以及本科四年的導師趙萍老師,在這六年多的學習與相處過程中,我的老師總是對我嚴格要求,對待每一件事都一絲不茍,對我產生了潛移默化的影響,凌晨和夜深的工程樓、塵土飛揚的田地里,總能看到老師忙碌的身影?蒲蟹矫,老師對我的嚴格要求,讓我養成了認真仔細的好習慣,在指導我完成畢業設計之余,趙老師也利用一切資源幫助我完成科研,解決了許多設備等方面的問題,使我的科研道路暢通無阻。生活方面,每個節假日都能感受到老師的無微不至的關懷,對于我的校外實習,趙老師一直都很支持我,詢問我的進展,讓遠在他鄉的我感受到了家的溫暖。

                          感謝田素博老師、辛麗麗老師、白曉虎老師、寧曉峰老師、郭娜老師、白雪衛老師、王君玲等老師在每次開題組會時指出問題并悉心指導,引導我向正確的方向展開科研;感謝遼寧省農科院花卉研究所的楊迎東老師,為我提供足夠的百合鱗莖用于試驗,為整個收獲機的設計奠定了堅實的基礎。感謝沈撫立交橋加工廠王經理在機械設計與加工過程中給予的指導與幫助,讓我學會了許多圖紙加工以及機械制造基礎等相關的知識;感謝李松師哥、于天闊師弟在零部件加工以及整機裝配過程中對我的幫助。

                          感謝同組研究生康建、趙晨希、關旭生在我科研、整機裝配以及田間試驗中對我的幫助,感謝徐國發我機械設計方面提供的巨大幫助,他嚴謹認真的態度一直感染著我,感謝朱紅杰等 407 實驗室的兄弟姐妹,感謝同寢室室友郭敬陽、馮指名的陪伴,在漫長的科研道路上,給予我鼓勵與支持,這深厚的同學情誼是我研究生生活的無價之寶。

                          感謝家人的默默付出、感謝女友顧家的關心與支持、感謝朋友的鼓勵,在我迷茫的時候為我指明道路。

                          最后,我要向百忙之中參與審閱、評議本論文各位老師表示由衷的感謝!人生的每個階段都值得好好珍惜,這段美好歲月,因為有你們的關心和幫助,才會變得風景獨好,謝謝大家!

                        (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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