工厂化叶菜收割系统设计及关键部件研究

发布时间：2020-06-11 03:34

【摘要】：随着全球农业科学技术的发展,农业生产方式正在从露地栽培、设施栽培向植物工厂这一新的阶段迈进,其重要特征之一就是高度的机械化、自动化,各类机械设备和配套装置是工厂化农业系统的重要组成部分。本文选题基于重庆市技术创新与应用示范专项产业类重点研发项目“蔬菜工厂智能装备研发与示范”,针对工厂化生产叶菜的栽培特点,进行叶菜收割环节中叶菜切割装置的开发研究,提出了一套叶菜收割系统的设计方案,并对其切割装置进行了参数优化。目前,露地栽培和设施栽培的叶菜收割机械,其研发思路大多是方案设计、样机制造、田间试验、改进优化4个流程,其设计成本高,开发周期长。随着仿真理论和计算机技术的不断发展,计算机建模与仿真技术已大规模应用于产品设计过程中。本文在叶菜收割系统的开发过程中,借助联合仿真技术对切割装置进行研究,以预测其性能并缩短研发周期。本文在分析国内外叶菜收割机械的发展现状、多领域联合仿真技术的应用现状和回归设计方法的发展与应用的基础上,确定了主要研究内容如下:1)工厂化叶菜收割系统设计。首先分析了工厂化生产叶菜的作业流程,确定了栽培盘、定植杯的结构参数,并对一批水耕栽培的叶菜进行了采样,收集了株高、展开度、茎粗和净重的数据;然后从输送方案、切割方式和传动类型等方面对比了几种不同设计的优缺点,确定了“连续输送—气动驱动—往复切割”的总体方案;最后对关键部件进行了设计和选型,包括栽培盘输送机构、叶菜切割机构、成菜转移机构和气动传动与控制系统等。2)切割装置的联合仿真建模。基于ADAMS-AMESim联合仿真技术对包括叶菜切割机构和气动系统在内的切割装置进行了建模。首先根据气动系统原理图在AMESim中选择合适元件建立仿真草图,创建联合仿真图标,建立气动系统模型;然后通过SolidWorks三维软件将切割机构导入动力学仿真软件ADAMS,对其设置约束和驱动完成动力学建模;最后在ADAMS界面进行两个软件的连接设置,并试运行仿真验证联合仿真模型。3)试验平台的搭建及试验研究。对切割装置进行实物试验台的搭建,包括台架装配、切割机构加工、气动系统连接和拉压力采集系统安装。首先进行了叶菜切割试验,结果显示工作过程稳定,能完成预定切割任务;然后进行了气压对切割力的影响试验,得到了实际工况下气缸对外输出力的数据;最后以同等条件下的参数运行仿真,发现仿真与试验的结果存在较大偏差。通过分析找出了原因,对边界条件进行了完善,修正后的仿真模型更接近实际装置,可用于参数优化。4)气动系统的参数优化与仿真分析。结合回归设计方法和联合仿真虚拟试验,对切割装置的工作参数进行了优化。首先以减压阀压力和节流阀开度为影响因素,气缸输出力、剪切速度和气缸功率为评价指标,进行了二元二次回归正交旋转组合设计的方案编制;然后依据联合仿真的结果数据,得到3个回归方程,结合切割装置对切割力和速度的约束条件,构建了约束优化问题;最后利用MATLAB优化函数fmincon计算得到可行域内的最优因子组合。与中心试验点的仿真结果对比发现,气动系统经优化后功率损失有所降低。
【图文】：

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工厂化叶菜生产条件分析1 作业流程分析按照日本最早提出的“植物工厂”概念，在设施内通过高精度环境控制物周年连续生产的系统就叫做植物工厂。它利用计算机对设施内温度、湿、CO2浓度及营养液等进行自动控制，使设施内植物生长发育不受或很少件的制约[4]。在植物工厂中，叶菜的生产流程如图 2-1 所示，主要包括播种、育苗、移等环节，在叶菜的规模化生产过程中，为了降低劳动强度、提高生产效广泛的引入工业自动化技术。作业的准备阶段要对基质进行处理，包括、搅拌和育苗盘填充等；然后，在精量播种机上给每个穴杯播种，并覆；送往温室的育苗盘在这里催芽并进一步培育到可以移栽；通过自动化将种苗从育苗盘转移到栽培盘；然后送往立体旋转栽培架培育，直至长以栽培盘为载体，送往人工处理或机械收割；最后将叶菜打包后送往冷出售。

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西南大学硕士学位论文在“成菜收割”这一环节，由于以上特点的存在，工厂化叶菜收割机将般田间作业机械。按照国外的经验，可以结合物流输送流水线的形式安工序，包括叶菜的根叶分离、定植杯和基质收集、栽培盘清洗回收等。和精力，本文仅对叶菜的根叶分离这一作业过程进行分析，并设计了工收割系统。2 工序对接分析成熟期叶菜在进入收割系统时，是以栽培盘为载体进行输送的，为了和中的其他工序相对接，，收割系统必须匹配栽培盘的相关结构参数。收获期的叶菜以栽培盘为基本操作单元，如图 2-2 所示，叶菜被种植在定基质里，在移栽过程中直接连定植杯从育苗盘转移至栽培盘。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S225.92

【参考文献】