【摘要】：玉米是我國主要的糧食作物之一,收獲是其生產(chǎn)過程中勞動量最大的環(huán)節(jié)。玉米籽粒直收,即在田間收獲時一次完成玉米摘穗、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,是我國玉米收獲機械化發(fā)展的必然趨勢。然而,我國主產(chǎn)區(qū)的玉米在籽粒收獲脫粒時極易產(chǎn)生籽粒破碎、應力裂紋等機械損傷,嚴重影響其品質(zhì)和經(jīng)濟價值。因此,開展玉米脫粒損傷的研究,分析玉米機械損傷機理,研究設計應用于籽粒收獲的脫粒裝置,具有重要的現(xiàn)實意義和較高的科學研究價值。本文在此背景下,開展玉米組織力學特性測定、玉米脫粒碰撞過程及其組織的脫粒損傷有限元分析、籽粒收獲脫粒裝置設計和試驗研究。主要工作、結(jié)果及結(jié)論如下:(1)進行玉米組織力學特性的測定及微觀結(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),以萬能力學試驗機為核心構(gòu)建了組織力學特性測定系統(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)布森聶理論計算得到彈性模量、屈服極限、強度極限等參數(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、屈服極限及強度極限均隨含水率的增加而減小。利用掃描電鏡對玉米籽粒組織進行微觀結(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,籽粒組織的力學特性與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關。(2)開展玉米籽粒脫粒碰撞過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程有限元分析。通過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態(tài)過程,量化描述了在碰撞過程中接觸力、Von mises應力和變形的關鍵參數(shù)動態(tài)變化。結(jié)果表明:籽粒與脫粒元件碰撞時,接觸區(qū)域中心處的Von mises應力值最大,沿四周擴散并逐漸減小。在碰撞過程中,籽粒的動能與內(nèi)能相互轉(zhuǎn)化,同時由于籽粒和脫粒元件間的摩擦,籽粒的一部分動能轉(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)域可能為接觸的應力集中區(qū)域。仿真中沙漏能最大時僅占總能量的4.67%,驗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上,通過圖像處理技術(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態(tài)過程,量化在不同因素水平下碰撞過程中各組織的接觸力、Von mises應力和變形的變化。以Von mises準則為臨界狀態(tài)條件,建立了玉米與脫粒元件碰撞時,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織脫粒損傷進行預測。玉米脫粒時,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%時分別為13.58、9.66和17.23 m/s,在含水率17.64%時分別為 15.92、11.29 和 18.44m/s,在含水率 23.45%時分別為 19.50、13.80 和21.52m/s,在含水率29.31%時分別為21.64、14.37和22.74m/s,在含水率34.73%時分別為 23.98、16.72 和 24.40 m/s。(3)研制玉米籽粒收獲脫粒裝置,開展臺架試驗研究。①在組織力學特性測定和有限元仿真的基礎上,提出了用于玉米籽粒收獲的脫粒裝置方案,對關鍵部件進行了結(jié)構(gòu)和參數(shù)設計。利用UGNX 8.5軟件繪制了試驗臺的三維模型、利用CAD軟件繪制了關鍵部件,并試制了試驗臺。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,利用設計制造的試驗臺進行脫粒試驗。根據(jù)試驗結(jié)果建立了各響應的回歸模型,分析了各因素對指標的影響。通過多目標優(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%,此時對應的指標分別為破碎率2.21%,損失率0.61%,脫凈率100%。對多目標優(yōu)化結(jié)果進行了試驗驗證,試驗值與理論優(yōu)化值的相對誤差在可以接受的范圍內(nèi),驗證了模型的可靠性。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,而且對于提高我國玉米籽粒收獲收獲機械關鍵技術(shù)研究水平具有重要的參考價值。
【圖文】：

設計新型玉米脫粒裝置的數(shù)據(jù)基礎。逡逑織結(jié)構(gòu)與玉米類型簡介逡逑織結(jié)構(gòu)簡介逡逑物學上的穎果，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］，主要起到保護種子，米籽粒儲存能量的場所，主要由淀粉構(gòu)成，此外層為一層單細胞，由于該層細胞充滿含有蛋白質(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熱風烘箱（上海博訊儀器逡逑公司）；電子數(shù)顯游標卡尺、量程１５０ｍｍ，精度０．０１邋ｍｍ邋（上海三豐精密量儀有限公司）。逡逑玉米組織力學特性測定系統(tǒng)如圖２－２所示，該系統(tǒng)主要是配有圓柱平頭探針和計算機逡逑的萬能力學特性試驗機。圓柱平頭探針底面的直徑為１邋ｍｍ［６１］，萬能力學特性試驗機為逡逑Ｉｎｓｔｒｏｎ邋５５４３萬能力學特性試驗機（英斯特朗上海試驗設備貿(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，玉米組織力學特性測定系統(tǒng)的測試部分主要由三爪卡盤、加載單元、逡逑圓柱平頭探針、底座、載物臺構(gòu)成。試驗開始前，將玉米組織樣品固定在載物臺上，在計逡逑算機控制軟件中粗調(diào)探針與籽粒間的距離，在探針與籽粒組織未接觸時開始試驗。試驗過逡逑程中，加載單元夾持著探針以預定速度對組織進行加載，力傳感器和位移傳感器各自反饋逡逑相應的信息。完成一次試驗后
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S225.51

【參考文獻】

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本文編號：2609976