水培生菜低损整株收获装置及关键技术研究

发布时间：2020-10-23 09:01

　　 水培生菜是植物工厂典型作物之一,多采用立体栽培。现阶段,我国水培生菜生产过程中,立体搬运、切茎、包装等环节仍以人工为主,费时费力。为提升水培生菜生产全程机械化水平,本文研究了水培生菜低损整株收获方法及关键技术,研制了自动收获装置(包含立体输送机构、聚拢-切茎-卸菜机构、包装机构等)。本文开展了基于响应曲面的生菜茎部剪切特性试验研究,设计了水培生菜自动收获装置整体方案,对生菜低损整株收获方法与机构试验优化进行了研究,基于高速摄影机研究了纵向卸菜过程生菜位姿特性、对自动收获装置进行系统集成并开展了验证试验。本文主要研究及结论如下:(1)利用响应曲面试验方法求解了生菜茎部剪切过程刀片间隙、滑切角、斜切角、削切角4个因素最优组合。为减小水培生菜收获时茎部的切割力,开展了生菜茎部剪切特性基础试验研究。设计了生菜茎部剪切试验夹具,基于响应曲面试验方法研究了剪切刀片滑切角、斜切角、削切角、刀片间隙对剪切应力的影响。利用扫描电子显微镜观察了生菜茎部微观组织特性,结合剪切力-位移曲线,分析了生菜茎部的剪切特性。生菜茎部剪切过程中,剪切力-位移曲线呈双峰状,剪切力最大值出现在致密纤维最大处。响应曲面试验结果表明,单因素显著性主次顺序为滑切角、削切角、斜切角、刀片间隙;双因素显著性主次顺序为刀片间隙和削切角、滑切角和斜切角、滑切角和削切角。响应曲面试验求解所得最优组合参数为刀片间隙1.66 mm,滑切角39.88°,斜切角12.99°,削切角11.15°;此条件下剪切应力为1.1844×10~4 Pa。最优组合参数下的剪切应力较对最大值减小69.9%。响应曲面试验优化结果减小了剪切应力,可为割台的设计提供参考。(2)设计了水培生菜自动收获装置整体“T”型布置方案。为提高水培生菜生产全程机械化水平,设计了自动收获装置,主要包括立体输送机构、聚拢-切茎-卸菜机构、包装机构等。调研分析了水培生菜农艺特性和工艺流程,确定了收获装置的功能及性能指标。对立体输送机构、聚拢-切茎-卸菜机构、包装机构及其关键部件进行设计,确定了主要尺寸参数、作业参数范围及工作流程。该研究可为后续章节提供基础。(3)提出了生菜低损整株收获方法,搭建了聚拢-切茎-卸菜机构试验平台并进行试验优化。为解决水培生菜收获品质低等问题,提出了一种水培生菜低损整株收获方法并试制了试验样机。结合生菜农艺特点及其改进,通过夹持杆对菜叶的低损聚拢、割刀对生菜茎部的精准切割,实现单株水培生菜的低损整株收获。归纳了影响菜叶损伤的因素,利用正交试验研究了聚拢速度、聚拢角、聚拢高度、压菜速度对菜叶损伤面积的影响。采用人工提取菜叶损伤的图像处理方法计算菜叶损面积。通过力学分析、高速摄影分析了聚拢角、聚拢高度对菜叶损伤面积的影响。聚拢-切茎-卸菜机构正交试验表明:试验因素影响菜叶损伤面积的显著性次序为聚拢角、聚拢高度、压菜速度、聚拢速度。最优组合参数为聚拢速度100 mm/s、聚拢角15°、聚拢高度70 mm、压菜速度100 mm/s。力学分析、高速摄影可知:增大聚拢角可减小菜叶受力;聚拢高度70 mm时,可避免切茎后生菜在输送过程中菜叶与定植板接触。对正交试验优化结果进行了试验验证,结果显示:最优组合参数下,菜叶损伤面积平均值为4.32×10~2 mm~2,损伤程度平均值(聚拢-切茎-卸菜过程)为0.13%,损伤较低;生菜均可实现整株收获。聚拢-切茎-卸菜机构试验平台及相关试验,验证了水培生菜低损整株收获方法的可行性。(4)基于高速摄影机研究了卸菜过程生菜的水平偏移、姿态角等位姿特性。针对切茎后生菜纵向卸菜过程中的偏移、翻转等问题,提出了一种切茎后生菜精准纵向装盒方法并开展了试验验证。利用聚拢气缸和压菜气缸执行生菜纵向卸菜,利用导向环减小纵向卸菜过程中生菜的偏移、翻转,从而保证生菜纵向装盒位姿要求。基于高速摄影机,提出了利用3个特征点检测生菜位姿特性(水平偏移、姿态角)的方法:利用中间点计算生菜的水平偏移,利用两端的点计算生菜翻转的姿态角。开展了切茎后生菜卸菜试验,试验结果显示:生菜入盒时,有导向环水平偏移平均值为5.8 mm,比无导向环时减小75.0%;有导向环姿态角平均值为17.9°,比无导向环时减小74.2%。导向环可减小生菜卸菜过程的偏移、翻转,保证生菜纵向装盒成功。(5)集成了水培生菜自动收获装置(包括立体输送机构、聚拢-切茎-卸菜机构、包装机构等),并开展了验证试验。为减少水培生菜立体输送、聚拢-切茎-卸菜、包装等过渡环节的人工操作,实现整机自动作业,对收获装置硬件和控制系统进行了集成。整机验证试验结果表明:整机可实现自动作业;单株生菜整机作业时间为44~81 s,平均用时61 s,整机作业效率为59株/h;整机作业成功率为92%;生菜损伤程度平均值(整机作业过程)为0.23%,生菜损伤程度较低。整机验证试验结果达到本文所提出的各功能性能指标要求。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S636.2
【部分图文】：

（a）大型植物工厂（Ohara et al. 2015） （b）小型植物工厂（贺冬仙等 2016）(a) Large plant factory (b) Small plant factory图 1-1 植物工厂Fig. 1-1 Plant factory目前，生菜是最常见的水培作物；其立体搬运、切茎、包装等生产环节仍以人工为主，费时费力且容易对营养液槽、定植板等水培设施造成污染。随着其生产规模的增大、人工成本的提升，对机械化、自动化作业的需求日益增大，其中切茎、包装等环节尤为迫切。水培生菜的收获期较短，对收获质量要求较高，最主要表现在菜叶损伤方面，且一般水培生菜切茎后以带包装盒的形式进行销售（高国华和马帅 2015；郑兆启 2017；郑兆启等 2016a；郑兆启等 2016b；郑兆启等 2018；Cheng and Hsueh2007; Jarimopas et al. 2008）。因此，需研发水培生菜自动收获装置（包含立体输送、聚拢-切茎-卸菜、包装等作业环节）。针对上述背景下，本文根据水培生菜立体输送、切茎、包装等作业仍以人工为主的现状，对水培生菜低损整株收获方法及自动收获装置（包含立体输送、聚拢-切茎-卸菜、包装等作业环节）进行研究。在保证生菜收获质量的前提下，通过研发自动作

分之间的相互关系，研究了茎秆纤维素、半纤维素、成分间的差异，结果显示纤维素为茎秆主要成分；伸强度的量化关系，未研究其他化学成分与拉伸强米、小麦等常见农作物茎部剪切特性的研究外，大研究主要集中在切割方式、切割参数等方面（陈诚维俊等 2009；贾洪雷等 2017；姜元华等 2014；马凡钟和刘继展 2014；庞声海 1982；田昆鹏等 201张世福等 2013；赵春花等 2009；赵淑红等 2017；杨等 2016；Chen et al. 2004; Ghahraei et al. 2011; 2; Khamedi et al. 2017; Liu et al. 2012; Mathanker et 2017）。Chen et al.（2004）对不同含水率下大麻茎试验，研究了单点支承（动刀与定刀相结合）切割2），将剪切力-位移曲线分为 3 个特征区，最后将试

图 1-3 洋麻剪切因素（Ghahraei et al. 2011Fig. 1-3 Shearing factors of kenaf农作物收获装置的设计，常借用小麦台布置形式。然而，由于水培生菜的明显；且生菜以鲜食菜叶为主，对切刀片及割台参数收获生菜，会引起切此，需对影响生菜切割质量的切割刀、斜切角等）等割台参数展开基础性装置研究现状散叶蔬菜（生菜、菠菜等）和结球蔬种类散叶蔬菜的物理特性、农艺特它散叶蔬菜收获装置。散叶蔬菜的种常见形式有大田种植、大棚温室种
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本文编号：2852824