【摘要】：玉米是我國(guó)主要的糧食作物之一,收獲是其生產(chǎn)過(guò)程中勞動(dòng)量最大的環(huán)節(jié)。玉米籽粒直收,即在田間收獲時(shí)一次完成玉米摘穗、剝皮和脫粒等作業(yè),直接獲得玉米籽粒,具有省工節(jié)本,收獲周期短等優(yōu)點(diǎn),是我國(guó)玉米收獲機(jī)械化發(fā)展的必然趨勢(shì)。然而,我國(guó)主產(chǎn)區(qū)的玉米在籽粒收獲脫粒時(shí)極易產(chǎn)生籽粒破碎、應(yīng)力裂紋等機(jī)械損傷,嚴(yán)重影響其品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此,開展玉米脫粒損傷的研究,分析玉米機(jī)械損傷機(jī)理,研究設(shè)計(jì)應(yīng)用于籽粒收獲的脫粒裝置,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和較高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。本文在此背景下,開展玉米組織力學(xué)特性測(cè)定、玉米脫粒碰撞過(guò)程及其組織的脫粒損傷有限元分析、籽粒收獲脫粒裝置設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究。主要工作、結(jié)果及結(jié)論如下:(1)進(jìn)行玉米組織力學(xué)特性的測(cè)定及微觀結(jié)構(gòu)觀察。將玉米籽粒視作包含角質(zhì)胚乳、粉質(zhì)胚乳及胚的多體系統(tǒng),以萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)為核心構(gòu)建了組織力學(xué)特性測(cè)定系統(tǒng),得到不同品種、不同組織在不同含水率下的力-變形曲線;根據(jù)布森聶理論計(jì)算得到彈性模量、屈服極限、強(qiáng)度極限等參數(shù)。結(jié)果表明:玉米內(nèi)部組織抗損傷能力低于外部組織,彈性模量、屈服極限及強(qiáng)度極限均隨含水率的增加而減小。利用掃描電鏡對(duì)玉米籽粒組織進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察,結(jié)果表明:不同組織的淀粉粒致密程度差異明顯,籽粒組織的力學(xué)特性與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。(2)開展玉米籽粒脫粒碰撞過(guò)程及其組織脫粒碰撞損傷的有限元模擬研究。①玉米籽粒與脫粒元件碰撞過(guò)程有限元分析。通過(guò)基于三維掃描建模技術(shù)、HyperMesh和LS-DYNA的有限元仿真,研究了籽粒與脫粒元件碰撞的動(dòng)態(tài)過(guò)程,量化描述了在碰撞過(guò)程中接觸力、Von mises應(yīng)力和變形的關(guān)鍵參數(shù)動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明:籽粒與脫粒元件碰撞時(shí),接觸區(qū)域中心處的Von mises應(yīng)力值最大,沿四周擴(kuò)散并逐漸減小。在碰撞過(guò)程中,籽粒的動(dòng)能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化,同時(shí)由于籽粒和脫粒元件間的摩擦,籽粒的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為界面滑移能。玉米籽粒損傷產(chǎn)生在碰撞中階段,損傷區(qū)域可能為接觸的應(yīng)力集中區(qū)域。仿真中沙漏能最大時(shí)僅占總能量的4.67%,驗(yàn)證了有限元模型的可靠性。②玉米籽粒組織脫粒碰撞損傷的有限元分析。在量化整體籽粒碰撞情況的基礎(chǔ)上,通過(guò)圖像處理技術(shù)構(gòu)建了玉米籽粒不同組織切片的非均勻有理樣條曲線(NURBS),進(jìn)一步利用基于CAD放樣的逆向工程技術(shù)建立了包含角質(zhì)胚乳、粉質(zhì)胚乳和胚的籽粒多體三維模型。利用該多體模型,借助基于HyperMesh和LS-DYNA的籽粒碰撞有限元分析,研究了不同碰撞速度(10、12、14、16、18 m/s)下不同玉米組織的脫粒損傷動(dòng)態(tài)過(guò)程,量化在不同因素水平下碰撞過(guò)程中各組織的接觸力、Von mises應(yīng)力和變形的變化。以Von mises準(zhǔn)則為臨界狀態(tài)條件,建立了玉米與脫粒元件碰撞時(shí),不同組織的損傷的臨界速度公式。結(jié)果表明:基于圖像和非均勻有理樣條的放樣重建技術(shù)建立的玉米籽粒模型具有較高的精度,基于該模型的脫粒損傷有限元分析能夠?qū)τ衩捉M織脫粒損傷進(jìn)行預(yù)測(cè)。玉米脫粒時(shí),裂紋首先在粉質(zhì)胚乳中產(chǎn)生,隨著載荷加大損傷發(fā)展到角質(zhì)胚乳,最后損傷的組織為胚。通過(guò)建立線性回歸模型,得到角質(zhì)胚乳、粉質(zhì)胚乳和胚的損傷臨界速度在含水率11.78%時(shí)分別為13.58、9.66和17.23 m/s,在含水率17.64%時(shí)分別為 15.92、11.29 和 18.44m/s,在含水率 23.45%時(shí)分別為 19.50、13.80 和21.52m/s,在含水率29.31%時(shí)分別為21.64、14.37和22.74m/s,在含水率34.73%時(shí)分別為 23.98、16.72 和 24.40 m/s。(3)研制玉米籽粒收獲脫粒裝置,開展臺(tái)架試驗(yàn)研究。①在組織力學(xué)特性測(cè)定和有限元仿真的基礎(chǔ)上,提出了用于玉米籽粒收獲的脫粒裝置方案,對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)。利用UGNX 8.5軟件繪制了試驗(yàn)臺(tái)的三維模型、利用CAD軟件繪制了關(guān)鍵部件,并試制了試驗(yàn)臺(tái)。②以滾筒轉(zhuǎn)速、凹板間隙、喂入量和籽粒含水率為影響因素,以破碎率、損失率和脫凈率為指標(biāo),利用設(shè)計(jì)制造的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行脫粒試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了各響應(yīng)的回歸模型,分析了各因素對(duì)指標(biāo)的影響。通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化,得到因子最優(yōu)參數(shù)組合為:滾筒轉(zhuǎn)速為362 r/min,凹板間隙為45 mm,喂入量為7kg/s,含水率為20.75%,此時(shí)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)分別為破碎率2.21%,損失率0.61%,脫凈率100%。對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)值與理論優(yōu)化值的相對(duì)誤差在可以接受的范圍內(nèi),驗(yàn)證了模型的可靠性。本研究不但為玉米籽粒收獲的脫粒工序提供了新的方法和裝置,而且對(duì)于提高我國(guó)玉米籽粒收獲收獲機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)研究水平具有重要的參考價(jià)值。
【圖文】：

設(shè)計(jì)新型玉米脫粒裝置的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。逡逑織結(jié)構(gòu)與玉米類型簡(jiǎn)介逡逑織結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介逡逑物學(xué)上的穎果，主要由種皮、胚乳及胚三部分構(gòu)角質(zhì)胚乳和粉質(zhì)胚乳，各姐織之間存在明顯的分界。明，厚度僅約３丨．７邋ｐｍ［５５］，主要起到保護(hù)種子，米籽粒儲(chǔ)存能量的場(chǎng)所，主要由淀粉構(gòu)成，此外層為一層單細(xì)胞，由于該層細(xì)胞充滿含有蛋白質(zhì)的層包裹，有角質(zhì)胚乳和粉質(zhì)胚乳的區(qū)別，在外觀上，胚乳不透明，顆粒結(jié)構(gòu)松散；在組成上，角質(zhì)胚蛋白質(zhì)含量高于粉質(zhì)胚乳。胚位于籽粒的內(nèi)部，損傷后玉米發(fā)芽率降低。逡逑

密儀器儀表有限公司），，量程３００ｇ，精度Ｏ．Ｏｌｇ；邋ＧＺＸ－９１４０ＭＥ熱風(fēng)烘箱（上海博訊儀器逡逑公司）；電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺、量程１５０ｍｍ，精度０．０１邋ｍｍ邋（上海三豐精密量?jī)x有限公司）。逡逑玉米組織力學(xué)特性測(cè)定系統(tǒng)如圖２－２所示，該系統(tǒng)主要是配有圓柱平頭探針和計(jì)算機(jī)逡逑的萬(wàn)能力學(xué)特性試驗(yàn)機(jī)。圓柱平頭探針底面的直徑為１邋ｍｍ［６１］，萬(wàn)能力學(xué)特性試驗(yàn)機(jī)為逡逑Ｉｎｓｔｒｏｎ邋５５４３萬(wàn)能力學(xué)特性試驗(yàn)機(jī)（英斯特朗上海試驗(yàn)設(shè)備貿(mào)易有限公司），量程５００邋Ｎ，逡逑力傳感器精度０．０００１邋Ｎ，位移傳感器精度０．０００１邋ｍｍ，可調(diào)整加載速度范圍０？５００邋ｍｍ／ｍｉｎ。逡逑如圖２－２．所示，玉米組織力學(xué)特性測(cè)定系統(tǒng)的測(cè)試部分主要由三爪卡盤、加載單元、逡逑圓柱平頭探針、底座、載物臺(tái)構(gòu)成。試驗(yàn)開始前，將玉米組織樣品固定在載物臺(tái)上，在計(jì)逡逑算機(jī)控制軟件中粗調(diào)探針與籽粒間的距離，在探針與籽粒組織未接觸時(shí)開始試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)逡逑程中，加載單元夾持著探針以預(yù)定速度對(duì)組織進(jìn)行加載，力傳感器和位移傳感器各自反饋逡逑相應(yīng)的信息。完成一次試驗(yàn)后
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S225.51

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2609976