酿酒葡萄振动分离机理及装置的研究

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新疆独特的光热和水土条件非常适合葡萄的生长,生产的葡萄具有品质好、单产高、营养丰富等特点,具有其他葡萄产区无法比拟的独特优势。近年来,新疆依托优势资源进行农业结构调整,酿酒葡萄种植面积、产量大幅提高,但目前葡萄收获还完全依靠人工,严重阻碍了酿酒葡萄产业的发展,迫切需要采收的机械化。以新疆种植面积最大的赤霞珠为研究对象,针对酿酒葡萄多主蔓扇形树形、长宽叶幕形的生长与管理特点,对振动分离机理进行了研究,获得了葡萄果-蒂振动分离条件,设计试制出了振动分离装置,并进行了试验研究,试验结果表明振动分离装置满足工作要求。研究结果为新疆酿酒葡萄采收机械化奠定了理论和技术基础。主要研究内容及结论:(1)针对新疆酿酒葡萄的多主蔓扇形树形、高宽单壁直立叶幕形等栽培管理特点进行了研究,获得了酿酒葡萄种植行距L=3.0~3.3 m,叶幕形高度H2=1.5~2.0m,宽度W=0.8m,修剪高度H1=0.5 m,葡萄串在垂直方向分布范围为500~1600mm;试验研究了葡萄果-蒂连接力,确定了果-蒂连接力范围为5~13N,为装置外形尺寸设计及葡萄振动分离机理的揭示奠定了基础。(2)为了研究葡萄振动分离机理,在假设葡萄果粒的主要运动形式为摆动的基础上,建立了酿酒葡萄果粒振动学模型,分析了葡萄粒运动时受力情况,得到了葡萄果-蒂分离的临界条件m0A2ω2l’-1cos2ωt>F0;搭建了针对单串葡萄的振动分离率测定装置,进行了正交试验,试验结果表明:影响酿酒葡萄分离率显著因子的主次顺序为偏心距离、摇杆长度和电机转速,并在分离率最优条件下,结合临界条件获得了单串葡萄振动时果-蒂分离的频率范围为2.11~3.69Hz、葡萄穗梗处的振幅为169.8mm,为振动分离装置工作参数设定提供了依据。(3)在获得单串葡萄振动时果-蒂分离的频率和振幅的基础上,设计了基于葡萄藤蔓振动的酿酒葡萄振动分离装置,其驱动部件为一对曲柄呈180°的RSSR空间四杆机构,工作部件为多组对称双摇杆平面四杆机构构成,四杆机构的两对置肋条组件间距可调以适应不同叶幕宽度的酿酒葡萄;分析了分离装置工作原理及调节方法,分别利用当量平面法和复数矢量法对驱动部件及平面双摇杆机构进行了运动学分析,得到肋条角位移及角速度理论关系方程;确定了RSSR空间四杆机构偏心距L1=15mm、动力源转速为450~750 r/min、肋条有效振动长度为850mm。利用ADAMS软件,对振动分离机构进行了运动学仿真验证,结果表明可以满足酿酒葡萄振动分离的需求。(4)研制了振动分离装置物理样机,并针对带葡萄串的藤蔓进行了试验研究,方差分析表明电机转速和枝条装夹位置是影响分离率的极显著因素,振动摇杆长度影响不显著;获得了酿酒葡萄振动分离装置的最优工作参数组合为电机转速750 r/min,枝条装夹位置550mm,振动摇杆长度125mm,采净率为95.42%;利用高速摄像系统对酿酒葡萄的分离过程进行了分析,在最优参数组合条件下,仿真模型与实际运动角速度、角加速度曲线吻合较好,验证了装置作业机理的合理性。
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