陳炎杰，廖宇蘭，劉世豪，周海杰

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， ?？?570228)

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木薯形態(tài)及其收獲起拔力分析

陳炎杰，廖宇蘭，劉世豪，周海杰

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， ?？?570228)

為了得到木薯機(jī)械化收獲中的挖拔零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)和木薯全株各種形態(tài)特征之間的關(guān)系，采用了實(shí)地田間抽樣的調(diào)查統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)木薯關(guān)鍵形態(tài)特征(全株重量、根塊俯視投影面積，莖稈截面面積)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和相關(guān)公式計(jì)算為前提，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，得出可靠的木薯塊根的最大起拔力。結(jié)合木薯的主要形態(tài)特征和最大起拔力要求，可為挖拔式木薯收獲機(jī)提供設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)。

木薯；挖拔式收獲機(jī)；起拔力；木薯形態(tài)；數(shù)學(xué)建模

0 引言

我國(guó)木薯種植面積2015年已經(jīng)達(dá)到70萬(wàn)hm2，預(yù)計(jì)5年內(nèi)木薯在國(guó)內(nèi)種植面積超過150hm2。隨著木薯產(chǎn)量的不斷提高，人工收獲木薯已經(jīng)不能滿足目前的需要，對(duì)木薯自動(dòng)化收獲的要求和效率也越來越高。目前，我國(guó)已經(jīng)對(duì)木薯收獲機(jī)器進(jìn)行了較多的設(shè)計(jì)研究，取得了一定的成就，但木薯的形態(tài)特征研究和基礎(chǔ)理論研究相對(duì)較少，無(wú)法滿足快速增長(zhǎng)的木薯收獲需求，挖拔式木薯收獲機(jī)器還處于初級(jí)研究階段。為此，本文對(duì)木薯的關(guān)鍵形態(tài)采用了田間實(shí)地抽樣調(diào)查的方式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，通過查閱相關(guān)公式和數(shù)學(xué)建模，模擬木薯根塊起拔過程，得出其最大起拔力。這些數(shù)據(jù)為木薯挖拔式機(jī)械收獲提供了必要的基礎(chǔ)理論參考，該研究對(duì)快速拔出、降低薯塊傷薯率和提高挖拔式木薯收獲機(jī)性能具有重要意義。

1 木薯全株選樣形態(tài)分析

試驗(yàn)用木薯為海南大學(xué)儋州校區(qū)木薯種植試驗(yàn)地種植的木薯，因?yàn)槟臼砀鶋K收獲成熟期在12月-1月，采樣日期為2015年1月20日。木薯種植基地種植面積較大，品種多樣，所以采用系統(tǒng)采樣的抽樣方法，把試驗(yàn)田分成4個(gè)群體，然后在每個(gè)群體中隨機(jī)抽樣10個(gè)木薯全株樣品。木薯取樣盡量保證無(wú)病蟲害和無(wú)折斷的健康木薯全株。人工取樣過程中，盡可能不去破壞其莖稈和根塊形態(tài)，保證其木薯完整性。具體測(cè)的數(shù)據(jù)為：①全株質(zhì)量；②根塊果實(shí)俯視投影面積；③莖稈截面面積。其分布統(tǒng)計(jì)圖如圖1～圖3所示。

由圖1～圖3可以求出木薯的主要影響起拔力的3個(gè)形態(tài)特征的平均值。3個(gè)主要特征(木薯莖稈橫截面直徑、木薯根塊俯視投影面積、木薯全株質(zhì)量)都近似正態(tài)分布，平均值分別為29.3mm、395.4cm2、3.86kg。

圖1 木薯全株重量分布圖

圖2 木薯塊根俯視投影面積分布圖

圖3 木薯莖稈橫截面直徑分布圖

2 木薯莖稈的極限拉拔力測(cè)試分析

木薯主要由莖稈和塊根兩部分組成。在拉拔式機(jī)械收獲木薯時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)主要夾持木薯莖稈部分，設(shè)計(jì)時(shí)需要知道并且測(cè)試木薯莖稈能承受的極限豎直向上起拔力，同時(shí)也要考慮莖稈和塊根能承受的極限分離力。

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的木薯莖稈均采集于海南儋州種植的基地，分別取自試驗(yàn)田劃分的4個(gè)群體中，每個(gè)群體抽樣木薯莖稈5株，樣本盡量選取生長(zhǎng)良好、無(wú)病蟲害的。

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)農(nóng)藝和挖拔式木薯收獲機(jī)的要求，夾持木薯莖稈的最佳位置為距離地面20～30cm，截取木薯根塊底部到莖稈50cm，如圖4所示。

圖4 木薯塊根截取圖

把20個(gè)樣品分別標(biāo)記打亂，設(shè)計(jì)一個(gè)木薯最大起拔力測(cè)試系統(tǒng)，如圖5所示。

測(cè)試系統(tǒng)中夾持木薯莖稈方式為現(xiàn)在挖拔式木薯收獲機(jī)的主流夾持機(jī)構(gòu)：①夾持帶式(柔性?shī)A持系統(tǒng))，如圖6所示；②夾持鏈輪(剛性?shī)A持系統(tǒng))，如圖7所示。

1.土壤 2.土槽 3.圓盤 4.粉盒 5.應(yīng)變測(cè)試儀 6.筆記本電腦 7.電機(jī) 8.轉(zhuǎn)動(dòng)軸 9.鋼絲繩 10.鋼條 11.應(yīng)變片

圖6 夾持帶式輸送機(jī)構(gòu)

圖7 夾持鏈輪式輸送機(jī)構(gòu)

每種夾持方式分別隨機(jī)抽取10個(gè)樣品測(cè)試，結(jié)果如表1和表2所示。

表1 夾持帶式輸送機(jī)構(gòu)測(cè)試結(jié)果

續(xù)表1

表2 夾持鏈輪式輸送機(jī)構(gòu)測(cè)試結(jié)果

測(cè)量莖稈破損拉斷力可以測(cè)出莖稈在不破損情況下能承受的最大向上拉斷力；測(cè)量根莖分離拉斷力，可以測(cè)量出木薯全株根塊和莖稈的極限分離力。通過試驗(yàn)可得：木薯全株完整挖起力約為1 800～2 700N之間。所以，超過1 800N的拔起力就有破壞木薯完整的風(fēng)險(xiǎn)，而且剛性?shī)A持系統(tǒng)(夾持鏈輪)能提供更大的向上拔起力。

3 木薯塊根拔起力計(jì)算分析

木薯根塊被挖拔式收獲機(jī)器拔起時(shí)，木薯受到的各種阻力包括土壤對(duì)塊根的吸附力F1、土壤剪切力豎直方向的分力F2、土壤與塊根之間的摩擦力F3、粘附在塊根上的土壤重力G1、木薯自身的重力G2的作用。因此，木薯塊根的起拔力為

F=F1+F2+F3+G1+G2

在海南儋州木薯種植田，選取4塊種植田，分別測(cè)量其土壤的含水率、土壤密度、硬度值和內(nèi)摩擦角。種植田主要數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 種植田主要數(shù)據(jù)

因此，為了更精確地得出塊根拔起力，假設(shè)木薯塊根對(duì)土壤作用為圓盤和該圓盤外塊根的作用力。

3.1 土壤對(duì)塊的吸附力F1

塊根拔起時(shí)的吸附力與土壤的硬度、土壤含水有關(guān)，則

F1=0.1×π×R2×Ps

3．2 土壤剪切力豎直方向分力F2

根據(jù)土壤性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，土壤剪切失效面為45°～ψ/2，故取

式中H—剪切圓盤的深度(m)；

R—莫爾應(yīng)力圓半徑(m)；

τA—微土圓盤邊緣失效面的土壤動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度(Pa)。

dh—微土圓盤所在深度。

3.3 土壤與塊根之間的摩擦力F3

由于木薯塊根果實(shí)與土壤間的摩擦較為復(fù)雜，因此,根據(jù)草本植物根部與土壤相互作用力學(xué)模型，則

式中Z—木薯根塊所在深度(m)；

v—塊根和土壤的摩擦系數(shù)；

P(z)—塊根的豎直分布函數(shù)；

Q(z)—為塊根數(shù)目的豎直分布函數(shù)。

3.4 粘附在塊根上的土壤重力G1

根據(jù)圓盤失效面為45°，和土壤與塊根附著力，故取

G1=πr2h×β×α

式中r—圓盤半徑(m)；

h—塊根深度(m)；

β—土壤體積質(zhì)量1.459×103kg/m3；

α—粘附系數(shù)。

3.5 木薯自身重力G2

通過測(cè)量得出木薯自身重力。根據(jù)木薯塊根果實(shí)拔起的物理試驗(yàn)和力學(xué)模型，可以合理得出塊根拔起力的理論值。計(jì)算時(shí)，塊根深度取為150～250mm，莫應(yīng)力圓盤直徑為80～120mm，拔起速度為100mm/s，結(jié)果表4所示。

表4 木薯塊根理論起拔力的計(jì)算值

由表4可知：木薯最大起拔力隨著塊根深度和圓盤直徑增大而增大。

4 結(jié)論

1)通過木薯全株抽樣調(diào)查分析，可得出熱帶地區(qū)木薯的莖稈橫截面直徑、木薯根塊俯視投影面積和木薯全株質(zhì)量都趨于正態(tài)分布?？梢愿鶕?jù)以上3個(gè)主要影響木薯起拔力的特征的平均值，較為可靠地利用其平均值作為基礎(chǔ)研究和算出理論起拔力值。

2)因?yàn)槟臼戆纹疬^程，被夾持的莖稈和莖根的結(jié)點(diǎn)都會(huì)受到破壞，拉拔過程必須保證其破壞不會(huì)影響收獲機(jī)的挖拔。所以，根據(jù)設(shè)計(jì)的拔起力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，能有效地得出木薯的極限拔起力必須小于1 800N，才能保證絕大部分木薯能順利全株拔起。

3)實(shí)地木薯拉拔試驗(yàn)過程中，剛性?shī)A持系統(tǒng)能提供更大的向上拔起力， 以保證木薯的順利拔起。

4)通過建立數(shù)學(xué)模型和參考相關(guān)書籍及論文的公式，可以得出木薯塊根挖起所需的挖拔力(沒有疏松土壤的情況)小于 1 847N。

5)根據(jù)以上所有數(shù)據(jù)，可得木薯收獲機(jī)器中的夾持設(shè)備只要提供1 200～1 600N左右的向上挖掘力，配合挖掘鏟的疏松功能(可以減少向上挖掘阻力200～400N)，就可以成功挖掘絕大部分大部分木薯。

6)根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，剛性的夾持系統(tǒng)能提供更大的挖拔力，且更能有效和穩(wěn)定地挖拔起木薯。

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Analysis of Uprooted Force and Morphology on Cassava

Chen Yanjie, Liao Yulan， Liu Shihao， Zhou Haijie

(College of Mechanical and Electrical Engineering ,Hainan University, Haikou 570228,China)

In order to explore the relationship between design parameter on the digging component of Cassava Machine and the morphological characteristic of Cassava. Firstly ,the key morphological characteristic of Cassava(the weight ,the root’s acreage of vertical view ,the cross section of stem)was determined the testing date and correlation formula to begin mathematical modeling for calculating the mix uprooted force .Researching the key morphological characteristic of Cassava and demand of uprooted force provides parameter basis for the design of digging-Cassava harvest Machine.

cassava; harvest machine; uprooted force; morphology of cassava; mathematical modeling

2016-06-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51365011)

陳炎杰(1991-)，男，廣東湛江人，碩士研究生，(E-mail)423304949@qq.com。

廖宇蘭(1967-)，女，廣東興寧人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)liaoyulan@sina.com。

S183

A

1003-188X(2017)08-0195-04