生产管理机械化岗位
徐丽明 马帅 周慧能 沈聪聪 马俊龙 郭朝阳
1.研究内容与方法
为了实现酿酒葡萄精细化、高脱粒率和低破损率的收获作业，探究了酿酒葡萄的振动脱粒机理和测量8个品种在不同成熟度下的收获作业参数。本研究测量了马瑟兰果串的几何物理参数与力学特性参数, 测量得到了最佳成熟阶段果粒果柄结合力FDF(Fruit Detach Force)与果粒破裂力FBF(Fruit Bursting Force)均值。基于测量结果，采用Bonding粘结模型建立葡萄果串离散元柔性模型；研发了一种酿酒葡萄振动式脱粒参数测试系统，具备振动频率、振动角幅度、移动速度与振动杆间距的调节功能和对果串振动强度的检测功能；通过台架试验与仿真试验的对比，验证了仿真模型的准确性；以频率、振动角幅度、移动速度和糖度为试验因素，脱粒率和破损率为试验指标，对适采阶段的马瑟兰葡萄品种进行多因素仿真BBD试验(Box-Behnken Design)。仿真对比实验表明建立的离散元模型具有良好的精度，通过结合仿真和台架试验分析，表明果粒的脱粒形式主要是撞击脱粒和振动脱粒，前者主要影响破损率，后者主要影响脱粒率。明确了作业参数（频率、振幅移动速度）和品种固有特性（FDF、FBF和果粒质量）是影响脱粒质量的关键因素，同时得到了葡萄的破损系数（CB），CB越大越适合振动脱粒。最后，通过正交试验确定了多个品种在不同成熟度下的较优脱粒参数组合。研究结果为酿酒葡萄机械化高质高效收获作业提供了参考依据。
2、参数测量与离散元建模
以马瑟兰为主要研究对象，测定了葡萄果串的几何和物理特性及力学参数。记录不同成熟度下的FDF与FBF变化。在Creo软件中建立了三维果串模型（图1a），并在EDEM平台上采用 Bonding V2 粘结模型构建柔性离散元模型（图1b），准确模拟果粒与果梗的连接、受力与断裂过程；通过参数标定法实验确定关键参数，保证模型的精度。此外研究还尝试了果粒多球聚合模型（图1c），该模型在理论上具有更好的反映果粒内部的受力，具有更高的精度。
3.振动参数测试试验台的研制
脱粒试验台（图2）主要由机架、控制系统、动力传递机构、滑台导轨、振动杆和IMU惯导传感器组成，其中动力传递机构包括带传动机构、曲柄连杆机构、齿形链机构和双摆杆机构。工作时，电机动力经动力传递机构的转化传递，变成振动杆的周期性摆动。
为获得真实的振动脱粒数据并验证模型，研究团队设计并制造了可调振动频率、角振幅和前进速度的振动脱粒试验台。试验台配备IMU传感器，可同步记录振动加速度、位移与时间序列，保证实验数据与离散元仿真条件高度一致。
4. 模型验证与BBD试验
通过仿真实验结合台架试验（图3），进行脱粒机理分析，揭示葡萄振动脱粒存在两种主要形式：撞击式脱粒：果粒直接受到振动杆击打，当冲击力超过FBF时发生破裂，是破损的主要来源。振动惯性脱粒：果粒因周期性简谐振动产生惯性力，当惯性力超过FDF时脱落，可有效降低破碎率。
研究首次提出破碎系数（Coefficient of Breakage, CB），分析得到，葡萄串受到的振动次数和振动强度是影响脱落率和破损率的直接因素，降低移动速度和增加振动频率可以增加振动次数，增加振动频率和振动角幅度和提高振动强度，在其他参数一致的情况下，果粒质量越大越容易脱粒。当葡萄受到碰撞时，在保证果粒脱离的情况下，CB越大，果粒越不容易破损。因此可以看出影响脱粒率和的关键因素主要有频率、振幅、移动速度、FDF、FBF和果粒质量，其中后三者为品种的特性CB<0.1 的品种不适合机械化振动脱粒，CB值越高的品种在保证脱粒率的前提下越不易破裂。
5.多品种不同成熟度参数测试
对马瑟兰、小芒森、赤霞珠、品丽珠、小味儿多、贵人香、白玉霓、熊岳白等8个品种（图4）进行了参数测试，测量了多个品种得到直径，FDF,FBF,计计算得到CB，在仿真试验的理论基础上多品种正交脱粒试验，得到了不同品种不同成熟度下较优脱粒参数，及其对应的脱粒率和破损率，确定不适合机械振动收获的品种，试验结果也验证了本研究对脱粒机理分析得出的结论。可以解决由于气候因素导致采摘成熟度不同和大面积种植时采摘时间跨度大、收获区域成熟度不同时的收获参数设置问题，以实现参数精细化调控和提高收获质量。
6.试验结论
(1) 测量了果串的几何与力学特性参数，其中马瑟兰在成熟阶段的FDF与FBF均值分别为3.22N、8.52N，借助离散元法，采用Bonding模型对葡萄果串进行柔性建模，并完成了粘结参数的标定试验。仿真模型准确性验证试验结果，仿真脱粒画面和试验台脱粒画面的一致性较好，仿真试验与实际试验的脱粒率与破碎率相对误差分别是2.36%和7.86%，最大加速度幅值相对误差为10.3%，验证了模型的准确性。该模型可以用于酿酒葡萄振动收获机的研究，以缩短研究周期，提高开发效率
（2）试验发现果粒脱离主要有撞击脱粒和振动脱粒两种形式，前者是主要影响破损率，后者主要影响脱粒率，通过分析得到了衡量葡萄是否适合振动脱粒的关键系数CB, 在保证果粒脱离的情况下，CB越大，果粒越不容易破损，越适合振动脱粒。当CB小于0.1时该品种当前成熟度下不适合振动脱粒收获。
(3) 进行了仿真响应面试验，结果表明作业参数（频率、振幅移动速度）和品种固有特性（FDF、FBF和果粒质量）是影响脱粒质量的关键因素。频率和振幅增加可以提高脱粒率，过高的频率和振幅会导致破损率增加；移动速度影响的振动次数，降低速度可以增加脱粒率，移动速度对破损率的影响不显著。果粒的FDF和FBF随着成熟度的增加都会减小，且不同品种间的FDF和FBF存在较大差异；FDF越小越容易脱粒，FBF越大约不容易破碎，同时也验证脱粒的机理分析得到的结论。此外建立了马瑟兰的频率、振幅、移动速度和糖度对脱粒率和破损率的回归方程。
(4) 测量了多个品种得到直径，FDF，FBF得到CB，在仿真试验的理论基础上多品种正交脱粒试验，得到了不同品种不同成熟度下较优脱粒参数，及其对应的脱粒率和破损率，确定不适合机械振动收获的品种，试验结果也验证了本研究对脱粒机理分析得出的结论。可以解决由于气候因素导致采摘成熟度不同和大面积种植时采摘时间跨度大、收获区域成熟度不同时的收获参数设置问题，以实现参数精细化调控和提高收获质量。同时为收获机的设计提供了参数范围依据。