【摘 要】
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本研究针对花椒机械化收获过程中存在花椒损伤率高的问题,通过理论分析、花椒机械损伤机理研究、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,设计了一种低损伤的花椒收获设备,完成了其工艺参数的优化。(1)进行收获期花椒果实的力学特性研究,以收获期内的“大红袍”花椒为实验对象,采用试验法对其基本物理参数进行了测量,试验测得花椒短轴4.37mm、长轴5.37 mm、含水率56.82%、密
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本研究针对花椒机械化收获过程中存在花椒损伤率高的问题,通过理论分析、花椒机械损伤机理研究、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,设计了一种低损伤的花椒收获设备,完成了其工艺参数的优化。(1)进行收获期花椒果实的力学特性研究,以收获期内的“大红袍”花椒为实验对象,采用试验法对其基本物理参数进行了测量,试验测得花椒短轴4.37mm、长轴5.37 mm、含水率56.82%、密度1 010 kg/m~3、泊松比0.37、剪切模量2.3 Mpa,花椒和材料的静摩擦系数0.56。采用Hertz-Mindlin-Deresiewicz(no slip)模型,以花椒所形成堆积角为响应标定了其接触参数,得出花椒与花椒恢复系数0.53,静摩擦系数0.20,滚动摩擦系数0.15;花椒与材料恢复系数0.41,滚动摩擦系数0.25,建立了花椒果实精确离散元模型。(2)通过研究植物组织细胞结构中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。研究表明在室温环境下,花椒应变量小于5%时果实以弹性形变为主,不发生损伤,果实最大受力为0.38N,积累变形能小于0.04×10-3J,VICW/VECW大于13.07,此时花椒颜色鲜红、色彩艳丽、有光泽,香气浓郁、纯正,麻味浓烈持久、纯正。(3)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,对花椒的采收和收集过程进行了数值模拟分析,探索了清选收集装置和采摘头结构参数、工作参数对采收效果和损伤率的影响,获得了较优参数组合。(4)试制齿梳-气流式花椒采收机,以损伤率为指标通过台架试验得出了采摘头最优参数为转速330 r/min,梳齿折弯角110°,齿根角50°,损伤率2.27%,与优化值2.14相对误差为6.07%。清选收集装置的最优参数为风机流速5 m/s,筛网直径500 mm,筛孔直径4.5 mm,损伤率1.83%,与优化所得损伤率最大相对误差为8.28%。在最优参数组合下进行整机田间收获试验,进一步验证所优化所得参数。试验得出:采净率90.17%;损伤率4.50%,相对误差8.42%;含杂率7.46%,达到了良好的采收效果,优化结果符合设计需求,实现了低损伤花椒机械化采收。本研究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。
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