菠菜整株机械收获试验台设计与试验研究

发布时间：2017-02-08 07:47

1 引言

我国是大面积种植蔬菜的国家，叶菜类蔬菜不仅是种植的蔬菜品种中的主要品种，而且叶菜类蔬菜是蔬菜生产种类最为丰富的，包括菠菜、青菜、芹菜、鸡毛菜、空心菜，上海青，生菜，小白菜等，约有 200 多个种类（张真和，2014）。我国居民喜爱绿叶菜，特别是菠菜，素有“三天不吃青，两眼冒金星”的说法。绿叶菜是以肥嫩菜叶和叶柄作为食用部位的速生性蔬菜，是一种重要营养源，在食物中的构成比例越来越高，需求量越来越大。叶菜类蔬菜的种植面积约占蔬菜种植面积的三分之一，占蔬菜生产的40%~50%，尤其是菠菜是我国普遍栽培的品种，为极常见的蔬菜之一；菠菜以它鲜、嫩的品质，深受广大消费者喜爱，市场需求量大，具有更好的经济价值（黄丹枫，2012）。菠菜能够提供人体所需的多种维生素和矿物质等营养物质，是人们日常饮食中必不可少的食物之一。此外，菠菜有“营养模范生”之称，它富含类胡萝卜素、维生素 C、维生素 K、矿物质等多种营养素。

.....

2 菠菜的力学性能试验测试

2.1 试验材料准备

试验材料为大叶菠菜，该品种可进行条播，条播的大叶菠菜，行距为 18cm，株距一般为 5~8cm，生长速度快，从播种到成熟只需 30~50 天，叶柄较短，株型直立，叶片光滑、肥大，中等深绿色，经过对大叶菠菜的几何特性多次测量，测量项目如图 2-1 所示，茎高h为 10~17cm，根茎结合部直径为 1.5~2cm，大叶菠菜的根系平均直径较小，主根上部直径 D1为 4~9mm，主根长度 h1为 8~14cm，菠菜一般 2~3 个叶片弯曲向地面展开，茎秆直径为 1.8~3.2mm，茎叶开展跨度 L1为 15~25cm，如图 2-2 所示；主根入土较浅，侧根较少且较细，以大叶菠菜作为试验材料较为合适。

2.2 菠菜茎秆的抗拉强度的测定

对菠菜进行拉伸试验属于断裂现象的范畴，蔬菜拉伸断裂属于延性断裂，塑性变形之后的断裂。随着所受载荷的增加，应力达到生物屈服点 Y（应力最大值），物质的细胞构造开始受到破坏，而发生塑性变形，无法恢复原样，直到破断点 R 时，物质开始断裂，如图 2-3 所示。菠菜的力学性能主要体现在植株内部的纤维素含量和内部组织构造上，组织排列越松散，纤维素含量越低，菠菜植株越发生断裂现象，越易发生损伤，通过大叶菠菜抗拉强度的实验结果分析，得到菠菜根系、茎叶的抗拉强度，找到容易发生延性断裂的部位，为采收提供可靠的数据依据。

3 菠菜整株机械收获试验台整机方案确定..........15

3.1 仿生采收原理..............15

3.2 菠菜整株机械收获试验台整机结构...........15

3.3 工作原理.................16

3.4 主要技术参数..........17
4 根土铲切的离散元仿真..........18
4.1 EDEM 软件介绍.............18
4.2 离散元的接触力学模型...............18
4.3 铲切土壤的 EDEM 仿真...........19
4.3.1 破土铲仿真模型选择...............20
4.3.2 仿真参数设定..........................22
4.3.3 仿真结果分析...........22
4.3.4 三角直铲的单因素仿真试验..............23
4.4 EDEM 模拟仿真根土复合体铲切过程...........25
4.4.1 根系的模型建立...................25
4.4.2 仿真环境设定..................25
4.4.3 仿真结果分析..............26
5 菠菜整株机械收获试验台关键部件设计与选型............27
5.1 输送装置的设计..........27
5.1.1 输送装置结构与选型................27
5.1.2 输送装置的速度 Vc 的确定........28
5.2 根土铲切装置的设计...................28
5.2.1 平铲的受力分析...................29
5.2.2 根土铲切装置的可靠性分析........................30
5.2.3 调节距离的确定........31
5.3 植株夹持装置的设计.................31
5.3.1 植株夹持装置的工作原理............31
5.3.2 浮动机构的设计...................32
5.3.3 扭转弹簧的选型与计算................34
5.3.4 植株夹持装置的浮动范围..................35
5.3.5 柔性带的设计.................36
5.3.6 柔性带表面海绵条的静摩擦系数的测定..................36
5.4 升降调整装置的设计.................37

6 菠菜整株机械收获试验台工作参数选择的试验研究

6.1 试验方案的确定

绿叶菜采收过程的本质就是将绿叶菜根土复合体铲切，使得铲切后的残根的抗拉拔能力小于绿叶菜茎叶抗拉拔力，实现绿叶菜残根与土壤分离。由于绿叶菜采收方式中，根土铲切装置用于松动土壤或者切断根系，减小绿叶菜的抗拉拔能力，植株夹持装置用于低损伤拔取绿叶菜，二者组合实现低损伤整株采收，因此，破土铲的工作参数影响绿叶菜的铲切过程，例如，破土铲的入土深度、破土铲的铲切速度和破土铲的入土夹角；植株夹持装置的工作参数影响绿叶菜的低损伤拔取过程，例如夹持位置，，夹持力（夹持间距），柔性带线速度。本文采用室内试验，试验在菠菜整株机械收获试验台上进行。以菠菜整株机械收获试验台为试验设备，以大叶菠菜为试验材料，通过单因素和多因素正交试验方法，对影响菠菜采收率的铲切速度、夹持力等因素进行菠菜性能采收试验，铲切过程对破土铲切根系进行观测；借助高精度数显测力计，对采收浮动装置拔取力进行监测，以采收试验采收率和损伤率为评价指标，获得菠菜整株机械收获试验台最佳的采收参数组合方案，为菠菜整株采收机的研制提供理论依据和数据参考。

6.2 浮动喂入口夹持力测定的试验

浮动喂入口在拔取绿叶菜时，会与植株产生相互挤压，夹持力过大易导致叶茎组织出现夹持损伤，甚至导致茎叶撕裂出现拉拔损伤，但夹持力过小又易导致的拔取力过小，无法完成采收，需要对浮动喂入口夹持力的数值进行测定，浮动喂入口的夹持间距可体现夹持力的大小，通过改变浮动喂入口的间距进行试验。根据菠菜力学性能的测定结果，菠菜植株的茎秆要比菠菜茎叶抗拉拔能力强，所以植株夹持装置的夹持位置应为菠菜茎秆。
.....

7 结论与展望

本文完成的主要工作如下：（1）针对绿叶菜生长状态的复杂性，以菠菜单株个体为研究对象，分别测试收获期菠菜的绿叶、茎和根系形态特征，分析统计典型菠菜菜形态特征，抽象出典型单株菠菜生物形态模型。（2）通过对菠菜根茎叶拉伸试验、剪切试验和拔取力试验，获得了菠菜植株的生物力学特性。（3）采用 EDEM 软件对铲切装置切削根土复合体进行离散元仿真，获到破土铲铲切土壤工作的阻力变化和铲切根系的动态过程。（4）参考菠菜力学性能试验结果，确定了采收关键部件的设计方案，创制了菠菜整株机械收获试验台并进行菠菜采收试验研究。（5）通过单因素和多因素正交试验方法，对影响菠菜采收率的铲切速度、夹持力等因素进行了采收性能试验，铲切过程中对破土铲切根系进行观测；借助高精度数显测力计，对采收浮动装置拔取力进行监测，以采收试验中的采收率和损伤率为评价指标，获得了菠菜整株机械收获试验台最佳的采收参数组合方案，为菠菜整株有序收获机的研制提供理论依据和数据参考。

.....

参考文献（略）

本文编号：240932