1 引言

我國是大面積種植蔬菜的國家，葉菜類蔬菜不僅是種植的蔬菜品種中的主要品種，而且葉菜類蔬菜是蔬菜生產(chǎn)種類最為豐富的，包括菠菜、青菜、芹菜、雞毛菜、空心菜，上海青，生菜，小白菜等，約有 200 多個種類（張真和，2014）。我國居民喜愛綠葉菜，特別是菠菜，素有“三天不吃青，兩眼冒金星”的說法。綠葉菜是以肥嫩菜葉和葉柄作為食用部位的速生性蔬菜，是一種重要營養(yǎng)源，在食物中的構(gòu)成比例越來越高，需求量越來越大。葉菜類蔬菜的種植面積約占蔬菜種植面積的三分之一，占蔬菜生產(chǎn)的40%~50%，尤其是菠菜是我國普遍栽培的品種，為極常見的蔬菜之一；菠菜以它鮮、嫩的品質(zhì)，深受廣大消費(fèi)者喜愛，市場需求量大，具有更好的經(jīng)濟(jì)價值（黃丹楓，2012）。菠菜能夠提供人體所需的多種維生素和礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，是人們?nèi)粘ｏ嬍持斜夭豢缮俚氖澄镏�。此外，菠菜有“營養(yǎng)模范生”之稱，它富含類胡蘿卜素、維生素 C、維生素 K、礦物質(zhì)等多種營養(yǎng)素。

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2 菠菜的力學(xué)性能試驗(yàn)測試

2.1 試驗(yàn)材料準(zhǔn)備

試驗(yàn)材料為大葉菠菜，該品種可進(jìn)行條播，條播的大葉菠菜，行距為 18cm，株距一般為 5~8cm，生長速度快，從播種到成熟只需 30~50 天，葉柄較短，株型直立，葉片光滑、肥大，中等深綠色，經(jīng)過對大葉菠菜的幾何特性多次測量，測量項(xiàng)目如圖 2-1 所示，莖高h(yuǎn)為 10~17cm，根莖結(jié)合部直徑為 1.5~2cm，大葉菠菜的根系平均直徑較小，主根上部直徑 D1為 4~9mm，主根長度 h1為 8~14cm，菠菜一般 2~3 個葉片彎曲向地面展開，莖稈直徑為 1.8~3.2mm，莖葉開展跨度 L1為 15~25cm，如圖 2-2 所示；主根入土較淺，側(cè)根較少且較細(xì)，以大葉菠菜作為試驗(yàn)材料較為合適。

2.2 菠菜莖稈的抗拉強(qiáng)度的測定

對菠菜進(jìn)行拉伸試驗(yàn)屬于斷裂現(xiàn)象的范疇，蔬菜拉伸斷裂屬于延性斷裂，塑性變形之后的斷裂。隨著所受載荷的增加，應(yīng)力達(dá)到生物屈服點(diǎn) Y（應(yīng)力最大值），物質(zhì)的細(xì)胞構(gòu)造開始受到破壞，而發(fā)生塑性變形，無法恢復(fù)原樣，直到破斷點(diǎn) R 時，物質(zhì)開始斷裂，如圖 2-3 所示。菠菜的力學(xué)性能主要體現(xiàn)在植株內(nèi)部的纖維素含量和內(nèi)部組織構(gòu)造上，組織排列越松散，纖維素含量越低，菠菜植株越發(fā)生斷裂現(xiàn)象，越易發(fā)生損傷，通過大葉菠菜抗拉強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，得到菠菜根系、莖葉的抗拉強(qiáng)度，找到容易發(fā)生延性斷裂的部位，為采收提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 菠菜整株機(jī)械收獲試驗(yàn)臺整機(jī)方案確定..........15

3.1 仿生采收原理..............15

3.2 菠菜整株機(jī)械收獲試驗(yàn)臺整機(jī)結(jié)構(gòu)...........15

3.3 工作原理.................16

3.4 主要技術(shù)參數(shù)..........17
4 根土鏟切的離散元仿真..........18
4.1 EDEM 軟件介紹.............18
4.2 離散元的接觸力學(xué)模型...............18
4.3 鏟切土壤的 EDEM 仿真...........19
4.3.1 破土鏟仿真模型選擇...............20
4.3.2 仿真參數(shù)設(shè)定..........................22
4.3.3 仿真結(jié)果分析...........22
4.3.4 三角直鏟的單因素仿真試驗(yàn)..............23
4.4 EDEM 模擬仿真根土復(fù)合體鏟切過程...........25
4.4.1 根系的模型建立...................25
4.4.2 仿真環(huán)境設(shè)定..................25
4.4.3 仿真結(jié)果分析..............26
5 菠菜整株機(jī)械收獲試驗(yàn)臺關(guān)鍵部件設(shè)計與選型............27
5.1 輸送裝置的設(shè)計..........27
5.1.1 輸送裝置結(jié)構(gòu)與選型................27
5.1.2 輸送裝置的速度 Vc 的確定........28
5.2 根土鏟切裝置的設(shè)計...................28
5.2.1 平鏟的受力分析...................29
5.2.2 根土鏟切裝置的可靠性分析........................30
5.2.3 調(diào)節(jié)距離的確定........31
5.3 植株夾持裝置的設(shè)計.................31
5.3.1 植株夾持裝置的工作原理............31
5.3.2 浮動機(jī)構(gòu)的設(shè)計...................32
5.3.3 扭轉(zhuǎn)彈簧的選型與計算................34
5.3.4 植株夾持裝置的浮動范圍..................35
5.3.5 柔性帶的設(shè)計.................36
5.3.6 柔性帶表面海綿條的靜摩擦系數(shù)的測定..................36
5.4 升降調(diào)整裝置的設(shè)計.................37

6 菠菜整株機(jī)械收獲試驗(yàn)臺工作參數(shù)選擇的試驗(yàn)研究

6.1 試驗(yàn)方案的確定

綠葉菜采收過程的本質(zhì)就是將綠葉菜根土復(fù)合體鏟切，使得鏟切后的殘根的抗拉拔能力小于綠葉菜莖葉抗拉拔力，實(shí)現(xiàn)綠葉菜殘根與土壤分離。由于綠葉菜采收方式中，根土鏟切裝置用于松動土壤或者切斷根系，減小綠葉菜的抗拉拔能力，植株夾持裝置用于低損傷拔取綠葉菜，二者組合實(shí)現(xiàn)低損傷整株采收，因此，破土鏟的工作參數(shù)影響綠葉菜的鏟切過程，例如，破土鏟的入土深度、破土鏟的鏟切速度和破土鏟的入土夾角；植株夾持裝置的工作參數(shù)影響綠葉菜的低損傷拔取過程，例如夾持位置，，夾持力（夾持間距），柔性帶線速度。本文采用室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)在菠菜整株機(jī)械收獲試驗(yàn)臺上進(jìn)行。以菠菜整株機(jī)械收獲試驗(yàn)臺為試驗(yàn)設(shè)備，以大葉菠菜為試驗(yàn)材料，通過單因素和多因素正交試驗(yàn)方法，對影響菠菜采收率的鏟切速度、夾持力等因素進(jìn)行菠菜性能采收試驗(yàn)，鏟切過程對破土鏟切根系進(jìn)行觀測；借助高精度數(shù)顯測力計，對采收浮動裝置拔取力進(jìn)行監(jiān)測，以采收試驗(yàn)采收率和損傷率為評價指標(biāo)，獲得菠菜整株機(jī)械收獲試驗(yàn)臺最佳的采收參數(shù)組合方案，為菠菜整株采收機(jī)的研制提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

6.2 浮動喂入口夾持力測定的試驗(yàn)

浮動喂入口在拔取綠葉菜時，會與植株產(chǎn)生相互擠壓，夾持力過大易導(dǎo)致葉莖組織出現(xiàn)夾持損傷，甚至導(dǎo)致莖葉撕裂出現(xiàn)拉拔損傷，但夾持力過小又易導(dǎo)致的拔取力過小，無法完成采收，需要對浮動喂入口夾持力的數(shù)值進(jìn)行測定，浮動喂入口的夾持間距可體現(xiàn)夾持力的大小，通過改變浮動喂入口的間距進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)菠菜力學(xué)性能的測定結(jié)果，菠菜植株的莖稈要比菠菜莖葉抗拉拔能力強(qiáng)，所以植株夾持裝置的夾持位置應(yīng)為菠菜莖稈。
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7 結(jié)論與展望

本文完成的主要工作如下：（1）針對綠葉菜生長狀態(tài)的復(fù)雜性，以菠菜單株個體為研究對象，分別測試收獲期菠菜的綠葉、莖和根系形態(tài)特征，分析統(tǒng)計典型菠菜菜形態(tài)特征，抽象出典型單株菠菜生物形態(tài)模型。（2）通過對菠菜根莖葉拉伸試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)和拔取力試驗(yàn)，獲得了菠菜植株的生物力學(xué)特性。（3）采用 EDEM 軟件對鏟切裝置切削根土復(fù)合體進(jìn)行離散元仿真，獲到破土鏟鏟切土壤工作的阻力變化和鏟切根系的動態(tài)過程。（4）參考菠菜力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，確定了采收關(guān)鍵部件的設(shè)計方案，創(chuàng)制了菠菜整株機(jī)械收獲試驗(yàn)臺并進(jìn)行菠菜采收試驗(yàn)研究。（5）通過單因素和多因素正交試驗(yàn)方法，對影響菠菜采收率的鏟切速度、夾持力等因素進(jìn)行了采收性能試驗(yàn)，鏟切過程中對破土鏟切根系進(jìn)行觀測；借助高精度數(shù)顯測力計，對采收浮動裝置拔取力進(jìn)行監(jiān)測，以采收試驗(yàn)中的采收率和損傷率為評價指標(biāo)，獲得了菠菜整株機(jī)械收獲試驗(yàn)臺最佳的采收參數(shù)組合方案，為菠菜整株有序收獲機(jī)的研制提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：240932