生产管理机械化岗位

徐丽明 马帅 马俊龙 沈聪聪 周慧能 郭朝阳

  1.研究内容与方法

  目前的葡萄采收过程仍然高度依赖人工操作，导致作业效率较低。传统采收方式，如人工采摘和振动式果粒采收，普遍存在人工成本高、采收效率低、果实损伤风险大的问题。为此，本研究创新性地提出了一种用于酿酒葡萄的气力收获方法(图1a)。该方法通过气流作用使葡萄果串从原始生长状态向吸附口方向偏转，完成果串的抓取动作，随后由割刀将偏转后的果串切下，并通过气力输送管道输送至收集箱中，从而完成采收作业。

  与振动式果粒采收方法相比，该方法通过整串采收，显著减少了采收过程中果粒的脱落和破损。为深入研究葡萄果串的气力抓取过程，本研究结合果串的形态特征设计了气力吸附口(图1b)。针对现有吸附口设计中普遍忽视结构参数对能耗影响的问题，系统研究了吸附口结构参数对吸附气流流速(记为 Vf)和管道压降(记为 Pd)的影响，并首次引入离散伴随方法(一种CFD优化方法，根据气动部件对目标函数的敏感性，优化部件形状的方法)对吸附口壁面形状进行优化，在确保足够Vf的前提下，有效降低了Pd，从而减少了整个气力系统的能耗。

  此外，本研究还搭建了葡萄果串气力偏转试验台(图1c)，利用优化后的吸附口，开展了葡萄果串在气力作用下的偏转行为研究，为实现葡萄果串的有效抓取提供了理论支持。

  2.葡萄果串在气力作用下的力学分析

  3. 基于离散伴随法的酿酒葡萄气力吸附口结构设计

  利用CFD方法，通过ANSYS Fluent2022构建了吸附口流场仿真模型(图3a)，在网格尺寸为5mm， va为25m·s⁻¹的条件下，进行了仿真试验。进行仿真模型精度验证试验，得到Vf和Pd的相对误差分别为9.65%和4.37%，验证了仿真模型的准确性。提出了单因素试验-响应面试验-离散伴随法的优化流程。通过单因素试验，研究了吸附口长度L，宽度W，高度H对Vf和Pd的影响，初定了吸附口结构参数的范围。接着使用响应面法(RSM)，通过多目标优化方法，确定了吸附口的最佳结构尺寸，优化方程分别为式(4)。在此基础上，创新地引入离散伴随法，以Pd最小为目标，进一步对吸附口壁面形状进行了优化(图3b)。经离散伴随优化后，Vf提升至21.64 m·s⁻¹， Pd降低至44.02 Pa，较离散伴随优化前分别提升了0.51%和降低了28.21%。验证了离散伴随法在降低Pd 方面的潜力。

  通过在流场中设置监测面(图3b)、监测线(图3c)的方法，研究了离散伴随优化后，吸附口Pd减小的原因。研究发现，离散伴随优化后的吸附口内，流场分布更为均匀，涡流区域面积更小，从而达到了降低Pd的目的。

  4.葡萄果串在气力作用下的偏转行为研究

  首先研究了葡萄形态特征(图4a)及各个形态特征参数之间的关系(图4b)，确定了葡萄形态特征的取值范围。利用优化后的吸附口进行葡萄果串在气力作用下的偏转行为研究(图4c)。以葡萄形态特征参数:葡萄果柄角,葡萄水平,果串质量M，以及果柄长度lp，以及葡萄果串与气力吸附口的距离Ds为因素，以偏转角a和偏转宽度d为指标，进行正交试验。通过方差分析可知Ds，M，和lp对a和d影响显著。为保证葡萄在气力作用下的偏转效果，实现有效抓取，在后续吸附葡萄果串时，应使Ds保持在20mm。