Simulation of the dynamic behavior of the coffee fruit-stem system using finite element method

Abstract

Mechanical harvesting can be considered an important factor to reduce the costs in coffee production and to improve the quality of the final product. Coffee harvesting machinery uses mechanical vibrations to accomplish the harvesting. Therefore, the determination of the natural frequencies of the fruit-stem systems is an essential dynamic parameter for the development of mechanized harvesting system by mechanical vibrations. The objective of this study was to develop a three-dimensional finite element model to determine the natural frequencies and mode shapes of the coffee fruit-stem systems, considering different fruit ripeness. Moreover, it was carried out a theoretical study, using the finite element three-dimensional model, based on the linear theory of elasticity, for determining the generated stress in a coffee fruit-stem system, during the harvesting process by mechanical vibration. The results showed that natural frequencies decrease as the ripeness condition of the fruit increases. Counter-phase mode shape can provide better detachment efficiency considering the stress generation on coffee fruit-stem system during the harvesting by mechanical vibrations and presented a difference greater than 40 Hz between the natural frequencies of the green and ripe fruit.

A colheita mecanizada pode ser considerada como um importante fator na redução de custos de produção e na obtenção de café de qualidade. Um dos princípios mais difundidos e empregados em máquinas colhedoras de frutos é o de vibrações mecânicas. Logo, a determinação das frequências naturais dos sistemas fruto-pedúnculo é requisito básico para o desenvolvimento de sistemas de colheita por vibrações mecânicas. O objetivo desse trabalho foi o desenvolvimento de um modelo tridimensional em elementos finitos do sistema fruto-pedúnculo, para a determinação das frequências naturais e modos de vibração para os diferentes graus de maturação do sistema fruto- pedúnculo. Adicionalmente, foi realizado um estudo teórico para a determinação dos esforços gerados em um sistema fruto-pedúnculo quando submetido a vibrações mecânicas. Os resultados mostraram que as frequências naturais diminuem à medida que o grau de maturação dos frutos aumenta. O modo de vibração em contra-fase pode proporcionar melhor eficiência de derriça por gerar níveis de tensões mais acentuados na união entre o fruto e o pedúnculo, pela sua configuração geométrica. Para o modo de vibração em contra-fase o intervalo entre as frequências naturais para os graus de maturação verde e cereja foi superior a 40 Hz.