高國華，謝海峰，王天寶

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設(shè)施蔬菜收獲機拉拔力學性能EDEM仿真與試驗

高國華，謝海峰，王天寶

（北京工業(yè)大學機械工程及應(yīng)用電子技術(shù)學院，北京 100022）

針對設(shè)施蔬菜收獲機在蔬菜拉拔的高度不能滿足要求，根莖露出的距離過短，導(dǎo)致蔬菜切散，收獲失敗的現(xiàn)象，該文通過建立影響拉拔效果的拉拔力數(shù)學參數(shù)方程，以及對蔬菜根部和莖部的生物力學特性進行研究，從而建立蔬菜拉拔過程離散元仿真模型，利用離散單元軟件EDEM（engineeringdiscrete element method），對蔬菜拉拔機理進行研究，從而確定最佳拉拔力及拉拔效果影響工作參數(shù)。通過仿真分析，得到蔬菜拉拔力與蔬菜位移的曲線及蔬菜拉拔仿真過程現(xiàn)象圖，確定在最佳拉拔距離高度為20 mm時，對應(yīng)最小拉拔阻力為26.87 N；利用對蔬菜根莖的拉伸壓縮試驗，得到在安全系數(shù)為1.1情況下，蔬菜根莖最大安全拉拔載荷為37.5 N以及蔬菜莖部最大安全壓縮載荷為84.36 N。根據(jù)拉拔力的上下限，結(jié)合拉拔數(shù)學參數(shù)方程，確定了滿足種植1～6株蔬菜的種植槽運輸架的傾斜角度為17.8°，并核算在此傾斜角度下蔬菜莖部所受最大推力小于蔬菜最大破壞力值。將最終工作參數(shù)應(yīng)用于單排樣機試驗，得到良好的收獲效果，驗證了設(shè)施蔬菜收獲機關(guān)鍵參數(shù)取值的合理性，并為后續(xù)多排收獲的整機研制打下了良好基礎(chǔ)。

農(nóng)業(yè)機械；力學特性；離散元法；設(shè)施蔬菜收獲機；拉拔機理

0 引 言

中國是蔬菜種植大國，根據(jù)農(nóng)業(yè)部數(shù)據(jù)，2014年中國蔬菜種植面積達3.21億畝，產(chǎn)量達7.60億t，種植面積和產(chǎn)量分別占世界的41.69%和51.13%；產(chǎn)值約1.3萬億元[1]。另外，隨著中國城市化和工業(yè)化的推進，可耕土地總量在逐步減少，人多地少的矛盾將進一步加劇。因此，蔬菜種植必然向工廠化方向發(fā)展，工廠化蔬菜種植也將越來越受到人們重視和推廣[2-3]。設(shè)施蔬菜種植是蔬菜種植工廠化的重要方式，但設(shè)施蔬菜溫室機械化水平不足25%，蔬菜生產(chǎn)綜合機械化水平約為20%左右，而我國葉菜類蔬菜占生產(chǎn)總量30%到40%[4]，因此需優(yōu)先發(fā)展葉類蔬菜的自動化生產(chǎn)機械。

國外對蔬菜收獲機械的起步較早，技術(shù)相對成熟，以美國、加拿大、意大利等歐美國家主要針對大田和散葉蔬菜的收獲，發(fā)展大型蔬菜作業(yè)裝備，但并不能應(yīng)用于中國設(shè)施蔬菜收獲領(lǐng)域。相比于國外，中國的蔬菜收獲機針對甘藍、馬鈴薯、胡蘿卜、玉米有了很深入的研究，但是針對設(shè)施蔬菜領(lǐng)域技術(shù)研究剛剛建立，而且國內(nèi)市場開發(fā)的收獲機都只適合大田露地蔬菜的收獲，在設(shè)施蔬菜收獲機方向還沒有完整的成果，設(shè)施蔬菜對于收獲機械的要求更加嚴格，精度要求更高，更容易出現(xiàn)收獲效果不理想的現(xiàn)象[5-8]。因此，研制高效穩(wěn)定的設(shè)施蔬菜收獲機械是實現(xiàn)蔬菜種植工廠化和生產(chǎn)過程自動化、智能化的前提，對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)尤其是蔬菜生產(chǎn)機械化具有重要的意義。

離散元法（distinct element method，DEM)是一種處理非連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法，廣泛應(yīng)用于散體物料處理領(lǐng)域。EDEM軟件是基于離散單元法的通用CAE分析軟件，用于對工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中顆粒處理和操作系統(tǒng)進行模擬和分析[9-10]。目前其在作物拉拔收獲中的應(yīng)用還未見報道，但在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域尤其處理土基質(zhì)作用問題中已取得了成功的應(yīng)用。由高國華等對盆花移栽手爪的優(yōu)化設(shè)計中，借助EDEM對移栽手抓提取土基質(zhì)的過程進行仿真，通過對土基質(zhì)受到花盆內(nèi)壁阻力以及土基質(zhì)內(nèi)聚力的分析，明確了基質(zhì)斷層的原因，實現(xiàn)了基于土基質(zhì)作用，有關(guān)力的分析研究[11]；鄧佳玉等對深松鏟的仿真與試驗研究中，應(yīng)用EDEM對深松鏟在不同工作參數(shù)下的工作過程和耕作阻力與實驗測試結(jié)果進行了分析比較，證明了基于力的分析，采用離散元法分析分析深松鏟在土壤中工作過程的可行性[12]。

因此本文針對設(shè)施蔬菜收獲機在蔬菜拉拔高度不能滿足要求，根莖露出距離過短，導(dǎo)致蔬菜切散，收獲失敗的現(xiàn)象，通過建立影響拉拔效果的拉拔數(shù)學參數(shù)方程，和對蔬菜莖部、根部生物力學特性的研究，結(jié)合離散元仿真方法從而確定最佳拉拔力及拉拔效果影響工作參數(shù)，最終應(yīng)用于單排樣機試驗，得到良好的收獲效果。

1 設(shè)施蔬菜收獲機模型

1.1 蔬菜種植方式

設(shè)施蔬菜采用種植槽種植，將穴盤中培育好的穴盤苗通過移栽機移栽到種植槽內(nèi)，可以有效減少種植空間，提高土地利用率，價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，且種植槽取放方便，隔熱和保溫效果良好，如圖1所示。

1. 葉類設(shè)施蔬菜 2. 無土基質(zhì)栽培 3. PVC種植槽

1.2 蔬菜收獲機整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

蔬菜收獲機的技術(shù)要求是要保證收獲的蔬菜菜葉的完整性，防止蔬菜在切割過程中刀具將菜葉切散，也沒有因機構(gòu)與菜葉之間相互作用導(dǎo)致擠壓折斷菜葉的情況。為了對蔬菜收獲機進行設(shè)計，根據(jù)人工工作流程對收獲機整機的工作流程進行研究，確定蔬菜收獲機的工作流程如圖2所示。

圖2 設(shè)施蔬菜收獲機收獲流程

通過對上面設(shè)施蔬菜收獲機的整機工藝分析，并結(jié)合蔬菜收獲機的技術(shù)要求，完成了對葉類設(shè)施蔬菜通用收獲機整機的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計[13]，并利用SolidWorks完成整機的虛擬模型建立，如圖3所示。

蔬菜收獲機上具有一定傾斜角度的種植槽運輸板前段摩擦力較大，防止種植槽在種植架上自由滑落。種植槽運輸板后端為光滑鋼板摩擦力較小，通過其上推桿將種植槽運輸一段距離后，蔬菜到達拉拔機構(gòu)處且種植槽完全處于光滑鋼板上，蔬菜聚攏機構(gòu)將蔬菜的菜葉聚攏保護的同時種植槽借以自身重力，通過其自適應(yīng)性在拉拔機構(gòu)處將蔬菜拉拔一定高度，蔬菜切割機構(gòu)完成蔬菜的莖部切割工作。由于種植槽輸送裝置傾斜角度的影響，蔬菜會滾落到蔬菜輸送帶上，并通過輸送帶完成最后的蔬菜運輸工作。

1. 種植槽輸送裝置 2. 種植槽 3. 推桿 4. 蔬菜拉拔機構(gòu) 5. 蔬菜切割機構(gòu) 6. 種植槽運輸板 7. 蔬菜聚攏裝置 8. 蔬菜輸送帶

1.3 蔬菜收獲機存在問題

對蔬菜收獲機的聚攏機構(gòu)和切割機構(gòu)進行樣機制作，并進行試驗測試，發(fā)現(xiàn)收獲機的收獲效果并不理想，主要是蔬菜莖葉距離基質(zhì)高度很小，沒有預(yù)留出刀具切割的距離，因此菜葉被刀具切散，導(dǎo)致蔬菜收獲失敗。因此需要確定最佳的拉拔工作參數(shù)，使得拉拔效果達到最理想的狀態(tài)，從而避免蔬菜在收獲過程中，由于沒有足夠的切割空間而導(dǎo)致蔬菜菜葉被切散。

2 拉拔參數(shù)方程建立

蔬菜在拉拔過程中蔬菜莖部以上及以下部分受力分析如圖4所示。蔬菜種植在種植槽上，種植槽在傾斜運輸架上運動，運輸架傾斜的角度為，蔬菜及種植槽自身重力，受到斜面的支持力為，蔬菜重力為G，蔬菜受到壓板的推力、摩擦力、支持力分別為F、f、N，蔬菜的莖部可以假想為二力桿，F和F'為蔬菜莖部所受到的反向拉拔力和拉拔力，是一對平衡力，蔬菜在受到壓板拉拔過程中發(fā)生彎曲變形，為彎曲角度。

以蔬菜莖部以上為研究對象，壓板與莖部接觸點為原點，沿速度方向為正方向建立11坐標系，以蔬菜及種植槽整體為研究對象，其重心為坐標原點，沿速度方向為正方向建立22坐標系，則力的分解關(guān)系式如下所示。

莖部以上受力分析為

式中G為蔬菜重力，N；F為壓板對蔬菜推力，N；f為壓板與蔬菜間摩擦力，N；N為壓板對蔬菜支持力，N；F為蔬菜莖部受到反向拉拔力，N；為傾斜角度，(°)；為蔬菜彎曲角度，（°）。

莖部以下受力分析為

式中為蔬菜及種植槽重力，N；為運輸架對種植槽的支持力，N；F'為蔬菜莖部受到的拉拔力，N；為運輸架與系統(tǒng)的摩擦力，N；為運輸架與種植槽的靜摩擦系數(shù)。

注：1. 設(shè)施蔬菜 2. 壓板 3. 傾斜運輸架

1. Protected vegetables 2. Plate 3. Inclined carrying shelves

注：G為蔬菜重力，N；F為壓板對蔬菜推力，N；f為壓板與蔬菜間摩擦力，N；N為壓板對蔬菜支持力，N；F為蔬菜莖部受到反向拉拔力，N；為傾斜角度，（°）；為蔬菜彎曲角度，（°）,為蔬菜莖部原始長度，mm；Δ為蔬菜莖部變形增長量，mm,為蔬菜及種植槽所受重力，N；為運輸架對種植槽的支持力，N；F'為蔬菜莖部受到的拉拔力，N；為運輸架與系統(tǒng)的摩擦力，N。

Note:Gis vegetable gravity, N;Fis the push force of the press plate to the vegetable, N;fis the friction between the press plate and the vegetables, N;Nis the support force of the press plate to vegetable, N;Fis the reverse pulling force for vegetable stems, N;is inclination angle, (°);is vegetable bending angle, (°),is the original length of the vegetable stem, mm; Δis the growth of vegetable stem deformation, mm,is the gravity of vegetables and planter, N;is the support of the carrier to the planters, N;F'is the pulling force on the vegetable stem, N;is the friction between the carrier and the system, N.

圖4 蔬菜拉拔受力示意圖

Fig.4 Force diagram of vegetable drawing

為了分析蔬菜彎曲變形角度的關(guān)系，將彎曲的弧線利用其切線近似，假想利用直角三角形的原理找尋角度關(guān)系，假設(shè)蔬菜莖部原始長度為，經(jīng)過拉拔后，蔬菜莖部發(fā)生彎曲變形，變形的增長量為Δ，可由式（3）表示。

由式（1）可知，為壓板提起蔬菜時作用力，其大小與和存在相互關(guān)系，又由式（3）可知，蔬菜拉拔高度與有關(guān)，因此確定最優(yōu)的運輸架傾斜角和最有效的拉拔高度將影響蔬菜拉拔效果和收獲效果。

將上述式化簡可得到蔬菜拉拔力方程為

式（4）是拉拔力關(guān)于和的方程組，同時拉拔力F'的最大值不應(yīng)超過根莖的最大拉力值，但要大于蔬菜拉拔的最小值，N與F的大小要保證不破壞蔬菜，防止拉拔過程中由于與壓板發(fā)生作用，蔬菜莖部提前被破壞。由于力大小與和關(guān)系緊密，因此需確定拉拔高度以及運輸架的最佳傾斜角度，從而獲取可以成功拔起蔬菜的拉拔力。

3 設(shè)施蔬菜根莖力學模型建立

為確定蔬菜在收獲過程中對蔬菜根莖的拉拔力，并對拉拔過程進行仿真分析，需建立蔬菜根莖的簡化模型。為減少計算時間、提高計算可行性，建立根莖力學簡化模型[14-15]。在建立蔬菜根莖力學簡化模型中，需要得到蔬菜根莖的相關(guān)尺寸和力學參數(shù)，并對設(shè)施蔬菜樣本的根部、莖部分別進行拉伸、壓縮試驗，為設(shè)施蔬菜拉拔力仿真參數(shù)及其他研究提供必要的理論支持。

3.1 設(shè)施蔬菜根莖尺寸參數(shù)

試驗材料采用北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司設(shè)施大棚內(nèi)種植的設(shè)施生菜，于2016年10月23日采集。采集時，設(shè)施蔬菜處于成熟期，選取5株生長良好的植株作為蔬菜樣本，將蔬菜根莖沿土壤緩慢取出，保持蔬菜根系的完整性，如圖5所示。蔬菜結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。利用游標卡尺測量蔬菜相應(yīng)尺寸，為后續(xù)理論研究及工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)。其中，莖部一部分埋藏在土壤內(nèi)，如圖5中1、4。蔬菜拉拔過程中，根部和莖部共同受力作用，因此在蔬菜生物力學特性研究中，拉伸試驗試樣稱為根莖。

注：d：莖部的直徑 l1：莖部的長度 l2：根部的長度 l3：根部的寬度 l4：莖部離種植槽上沿高度，下同。 1：種植槽上沿

表1 根莖結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)

3.2 設(shè)施蔬菜生物力學特性

取生長健康，無機械損傷的根莖，根莖平均含水率87.1%，利用已破損的根系對兩端夾持根莖部位進行加厚處理，并用粗細度為P120的砂紙裹上1層，在砂紙外再纏繞1層醫(yī)用膠布，借此增大摩擦力，避免出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。

由于要測量莖部垂直于軸線方向的力學參數(shù)，蔬菜莖部是圓柱形，很難保持穩(wěn)定，極易發(fā)生滾動，若不進行預(yù)處理，很可能莖部在受力過程中發(fā)生滾動，因此試樣兩邊用砂紙打磨平整。

拉伸和壓縮試驗采用的系統(tǒng)為ZQ-PT890A型小型萬能材料試驗機（100 N標準），采用井字紋夾頭、圓盤型專用壓頭裝置進行試驗。ZQ-PT890A型小型萬能材料試驗機規(guī)格：測力分辨率：1/10 000（1 000 N/10 000=0.1 N）；測力精度：高于±1%；試驗速度：0.5～500 mm/min；試驗行程：350 mm（不含夾具）；機臺容量：本機臺最大測試量程為100 N。

3.2.1 蔬菜根莖拉伸試驗

首先制作試樣，然后用數(shù)顯游標卡尺測定試樣長度和外徑，在試件中間段用黑碳素筆做上標記，然后按照要求夾在試驗機上下夾頭之間，試驗速度為20 mm/min，在設(shè)定速度下，試件基本上都被拉斷。試驗過程中，計算機系統(tǒng)會自動采集數(shù)據(jù)點，自動繪制載荷位移和應(yīng)力應(yīng)變曲線，并記錄最大拉力和彈性模量。當試樣被拉斷后，及時量取斷裂處的厚度和寬度并記錄，由于設(shè)施蔬菜根莖部位厚度并非均勻，所以要在斷裂處附近從3個不同方位測量取平均值作為其直徑。拉伸曲線如圖6所示。

1. 試樣1 2. 試樣2 3. 試樣3 4. 試樣4 5. 試樣5

在試驗過程中會出現(xiàn)夾持部位被夾裂、夾持打滑等現(xiàn)象造成曲線失真。隨著施加載荷的增加，曲線雖無明顯屈服強化現(xiàn)象，但有明顯塑性變形階段，因此蔬菜根部拉伸力學特性可表現(xiàn)為一定的塑性。圖6為通過拉伸試驗獲得的5組試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，求得彈性模量并對其取平均值，則蔬菜根莖的近似拉伸彈性模量為4.57 MPa，取安全系數(shù)為1.1，則安全最大載荷37.5 N。通常水果與蔬菜的泊松比在0.2～0.5之間[18-19]，這里取值0.3，則蔬菜根莖剪切模量為1.76 MPa。

3.2.2 蔬菜莖部壓縮試驗

同根莖拉伸試驗一樣，首先制作試樣，由于所測為莖部徑向的壓縮力學性能，因此用砂紙打磨側(cè)端，防止莖部因為受壓而發(fā)生滾動。用游標卡尺準確測量試樣的直徑和長度，夾具采用平面圓形壓塊，在支座中心位置將蔬菜莖部放置安穩(wěn)，試驗速度為20 mm/min。壓縮曲線如圖7所示。

蔬菜莖部在徑向壓縮作用后破壞，與軸線成一定角度處發(fā)生斷裂，表現(xiàn)出脆性材料的特性。圖7為5組蔬菜莖部壓縮曲線，求得蔬菜莖部的近似壓縮彈性模量為38.28 MPa，取安全系數(shù)為1.1，則試驗測得蔬菜垂直軸向方向莖部能承受的最大壓縮載荷為84.36 N。這里蔬菜莖部泊松比取值為0.4，則蔬菜莖部的剪切模量為13.67 MPa。

1. 試樣6 2. 試樣7 3. 試樣8 4. 試樣9 5. 試樣10

4 離散元模型的建立與拉拔工作參數(shù)研究

4.1 設(shè)施蔬菜拉拔仿真模型

采取以上設(shè)施蔬菜根莖結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)的平均值，利用SolidWorks對蔬菜實現(xiàn)建模，并導(dǎo)入EDEM軟件內(nèi)，創(chuàng)建模塊的幾何體（Geometry），如圖8所示，仿真參數(shù)如表2所示。根莖下面根系密集復(fù)雜，但其外部輪廓形狀近似，定其簡易模型的形狀為圓錐形。簡易模型可以代替復(fù)雜的根系模型建模，減少計算量，提高計算時間。模型中蔬菜莖部直徑20 mm，底葉到根系之間的長度40 mm，根系長度37 mm，根系擴展寬度41 mm，仿真拉拔前，離種植槽上沿高度5 mm。

1. 壓板 2. 種植槽 3. 蔬菜根莖

4.2 土基質(zhì)顆粒模型

為方便模擬和減少計算量，土基質(zhì)顆粒模型為球形，直徑為0.8～1.2 mm，顆粒數(shù)為50 000個。并通過環(huán)刀法、土基質(zhì)直剪試驗和土基質(zhì)3軸試驗測得土基質(zhì)顆粒泊松比為0.43，剪切模量為1.25 MPa，密度為0.782 g/cm3。利用顆粒工廠（Factory）在種植槽完成土基質(zhì)顆粒的生成、壓縮，最終得到蔬菜種植土基質(zhì)模型如圖9所示。

表2 EDEM材料特性仿真參數(shù)表

圖9 蔬菜種植土基質(zhì)3D模型

4.3 接觸模型

在對蔬菜進行拉拔過程中，實際是由根系向上帶動密實的土基質(zhì)顆粒使其各部分相互移動、變形，迫使孔隙率增大和土基質(zhì)松散化的過程。該過程是通過根系與土基質(zhì)顆粒以及土基質(zhì)顆粒自身之間的接觸和碰撞來實現(xiàn)的，且受濕度等影響土基質(zhì)顆粒間在接觸區(qū)域內(nèi)存在凝聚力的作用，而Hertz-Mindin with JKR 接觸模型是1種凝聚力接觸模型，可以在接觸區(qū)域考慮范德華力影響，可以較好模擬濕顆粒的力學行為，因此為保證仿真結(jié)果真實準確，仿真采用Hertz-Mindin with JKR 接觸模型，另外因根毛與土基質(zhì)顆粒間也存在液橋作用，相互之間存在凝聚力作用，因此根毛與土基質(zhì)顆粒間設(shè)置同種接觸模型[21-22]，模型如圖10所示。

1. 顆粒剛度 2. 阻尼器 3. 滑動器

4.4 離散元仿真計算

利用EDEM求解器對建立的蔬菜拉拔模型進行模擬仿真，對土基質(zhì)顆粒的生成、壓縮，并且對蔬菜施加了向上運動的速度，最終得到蔬菜拉拔仿真模型如圖11所示。由上文中拉拔過程的工作機理可知，蔬菜到達工位后靠種植槽自身重力的自適應(yīng)性實現(xiàn)根莖的拉拔，拉拔速度不受人為控制，前期在16°、18°、20°3種傾斜角度下進行測試，其拉拔距離為19～24 mm，用時0.4～0.5 s，因此仿真實驗設(shè)定其平均拉拔速度為50 mm/s。

圖11 蔬菜根莖拉拔仿真模型

通過軟件仿真可以模擬蔬菜從土壤內(nèi)拉拔的全過程，蔬菜根莖逐漸露出土壤表面，根系周邊的土壤被翻起，整個種植槽內(nèi)的土壤受到壓板的作用，沒有溢出槽外。根莖周邊土壤密實度降低，根莖下方拔出部分會有土壤塌陷進行掩埋。再進一步通過仿真軟件分析，可得速度大小為50 mm/s時，蔬菜拉拔50 mm過程中的蔬菜受到土壤的阻力與拉拔時間之間的關(guān)系圖，如圖12所示。

圖12 蔬菜拉拔阻力與拉拔時間圖

從圖12可以看出，拉拔阻力隨著位移的增加逐漸上升，莖部逐漸露出土面，拉拔阻力逐漸趨于平穩(wěn)，待根部露出表面時，拉拔阻力開始出現(xiàn)下降趨勢。經(jīng)實際試驗驗證，在蔬菜切割過程中，由于蔬菜種植基質(zhì)面與種植槽表面不能保證齊平，拉拔距離太短將導(dǎo)致拉拔效果不能滿足要求，距離過大，根莖在切割之前被拉出，蔬菜傾倒，因此當莖部拉拔距離為20 mm時，能避免切割刀具切割菜葉，蔬菜切割達到最好的效果。當拉拔距離為20 mm時，對應(yīng)的仿真時間為0.4 s，所對應(yīng)的拉拔阻力為26.87 N。

4.5 設(shè)施蔬菜收獲機拉拔參數(shù)確定

通過上面的受力分析、力學模型的建立以及離散元模型的仿真，已經(jīng)確定了蔬菜的各項力學參數(shù)和最優(yōu)拉拔距離所對應(yīng)的拉拔阻力。將得到的拉拔力的最小值及蔬菜根莖的最大安全載荷作為蔬菜拉拔的邊界參數(shù)，如式（5）所示。

式中種植槽與運輸架之間的摩擦系數(shù)通過試驗測量確定為=0.8。為蔬菜莖部露出土基質(zhì)以上部分的長度，對種植槽內(nèi)6株蔬菜進行測量，最終取其均值30 mm，Δ為蔬菜莖部伸長尺寸，即最佳拉拔距離為20 mm，由式（3）可以得出sin0.8，蔬菜莖部發(fā)生了約53o的彎曲變形。由于每個種植槽可以種6株生菜，因此每收獲1株后，種植槽的總重量會發(fā)生變化，需要考慮種植槽變化對拉拔力的影響。通用蔬菜的質(zhì)量為300 g/株，種植槽與土壤的質(zhì)量為3.5 kg，因此取種植槽種植1～6株蔬菜與種植槽的重力之和分別為38、41、44、47、50、53 N（圖13中1~6）。利用Matlab分別作出不同重力下蔬菜拉拔力與角度之間的關(guān)系曲線，如圖13所示。

注：1~6種植槽總重分別為38 N、41 N、44 N、47 N、50 N、53 N，7為拉拔力上限，8為拉拔力下限。

Note: 1~6 aretotal weight of planting tiles 38 N, 41 N, 44 N, 47 N, 50 N, 53 N, 7 represents drawing force upper limit, 8 representsdrawing force lower limit.

圖13 蔬菜拉拔力與傾斜角度關(guān)系曲線

Fig.13 Relationship between drawing force and inclination angle of vegetables

拉拔力上限為37.5 N，下限為26.87 N（虛線7和虛線8），為了求得可以適用于1～6株種植槽的傾斜角度，通過曲線圖，利用Matlab中fsolve函數(shù)計算出種植槽內(nèi)有單株蔬菜重力為38 N時與拉拔力下限的交點為0.308 7 rad，種植槽內(nèi)有6株蔬菜重力為53 N時與拉拔力上限的交點為0.309 5 rad，2個極限角度理論取值相近，試驗及仿真取值相對較小，因此種植槽運輸架的角度選擇為0.31 rad，即17.8°，蔬菜拉拔效果達到最優(yōu)要求。

在得到蔬菜最優(yōu)傾斜角度后，需要求得式（4）中壓板對蔬菜的支持力N與壓板對蔬菜的推力F的大小，其中sin0.8，cos0.6；f通過試驗機連接夾具勻速提取蔬菜莖部，測得10.3 N；G為蔬菜自身重力3 N；種植槽傾斜角度的三角函數(shù)值sin=0.305 7，cos=0.952 1，帶入到r表達式內(nèi)，得到對應(yīng)單個的種植槽內(nèi)有6株蔬菜的最大拉拔力F=37.65 N。由式（4）得到蔬菜的支持力N為19.57 N，壓板對蔬菜的推力F為15.97 N，結(jié)論小于蔬菜最大破壞力值，符合蔬菜校核標準，因此所選拉拔角度不會對蔬菜莖部造成破壞。最終確定拉拔工作參數(shù)，運輸架的傾斜角度為17.8°。

5 試驗驗證

2017年4月，根據(jù)對設(shè)施蔬菜收獲機的工藝改進以及對其工作參數(shù)的設(shè)計研究，完成了設(shè)施蔬菜單排樣機的生產(chǎn)制造，并結(jié)合3D打印技術(shù)，利用PLA材料完成設(shè)施蔬菜種植槽的增材制造，可以有效降低制造成本并減輕整機重量，單排樣機的種植槽運輸架可以對角度進行調(diào)整。設(shè)施葉類蔬菜利用種植槽委托北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司培育，利用已經(jīng)在設(shè)施溫室大棚培育生長良好的設(shè)施蔬菜進行單排樣機收獲試驗，如圖14所示。

通過單排樣機的試驗發(fā)現(xiàn)，機器在工作中可以實現(xiàn)收獲過程中的主要功能，推桿可以將種植槽推送到收獲位置，通過聚攏拉拔機構(gòu)在種植槽自適應(yīng)性下將蔬菜提離所需距離，平均提離速度50 mm/s，蔬菜切割機構(gòu)可將蔬菜莖部平穩(wěn)切割，蔬菜被切散的問題得到了有效的改善，利用單排樣機分別對種植槽種植試樣編號1～6分別進行3次試驗，并測定拉拔高度，取得平均值，然后驅(qū)動刀具完成切割，對切割效果進行評定，計算改進運輸架傾角后的收獲成功率，其收獲效果如表3所示。

圖14 設(shè)施蔬菜收獲機單排試驗

表3 設(shè)施蔬菜收獲機單排收獲效果

6 結(jié)論

本文針對蔬菜在切割過程中蔬菜莖部露出土面過少，導(dǎo)致刀具切散蔬菜的問題，對蔬菜的拉拔過程進行了詳細的分析，研究了蔬菜拉拔機理，本文的主要工作內(nèi)容包括：

1）建立了設(shè)施蔬菜收獲機模型，并對蔬菜收貨過程中切散問題進行分析，對蔬菜拉拔過程進行受力分析，建立拉拔力參數(shù)方程，分析出了影響蔬菜拉拔力關(guān)鍵因素是蔬菜拉拔高度及運輸架傾斜角度。

2）對多株蔬菜的根莖和莖部進行了測量，對蔬菜的根莖部進行了拉伸試驗，得到了蔬菜根莖的拉伸最大安全載荷=37.5 N和拉伸剪切模量=1.76 MPa，同時對蔬菜的莖部進行了壓縮試驗，得到了蔬菜壓縮的最大載荷=84.36 N和壓縮剪切模量13.67 MPa，并由此建立了蔬菜的簡化生物模型。為蔬菜拉拔過程離散元仿真模型的建立提供了參數(shù)基礎(chǔ)。

3）利用離散元仿真模型得到蔬菜拉拔力與蔬菜位移的曲線及蔬菜拉拔仿真過程現(xiàn)象圖，確定在最佳拉拔距離高度為20 mm時，對應(yīng)最小拉拔阻力為26.87 N；并根據(jù)拉拔力的上下限確定了滿足種植1～6株蔬菜的種植槽運輸架的傾斜角度為17.8°。驗證了關(guān)鍵參數(shù)取值的合理性。

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EDEM simulation and experiment of pullout force of protected vegetable harvester

Gao Guohua, Xie Haifeng, Wang Tianbao

(100022,)

Although China is a vegetable planting country, the degree of mechanization of vegetable production is low. With the advance of the urbanization and industrialization in China, arable land gradually becomes less, and the vegetable cultivation is paid more and more attention. Facilities vegetable cultivation is an important way for vegetable cultivation. However, the level of mechanization of protected vegetable is lower than 25%, and the comprehensive mechanization level of vegetable production is about 20%, while production of leaf vegetables in China accounts for 30%-40% of total production. Therefore, the development of efficient and stable facilities vegetable harvesting machinery is the premise to achieve the automation of vegetable plantation and production process, and is of great significance to achieve the mechanization of agriculture, especially vegetable production. However, the height of the existing vegetable picking machine can not meet the requirements, for the distance of the rhizome exposed is too short, which leads to the phenomenon that vegetable is cut loose and harvesting fails. Therefore, in this paper, the model of the vegetable harvester is established, and the problem of cutting is analyzed. Based on the analysis of the above and lower parts of the vegetable stem in the process of drawing, the mathematical parameters of the drawing force were analyzed, and the key factors affecting the pulling force of the vegetables were the height of the vegetables and the height slope. Through the tensile test of the rhizome of the vegetable sample and the compression test of the stem of the vegetable sample, the mechanics parameters of the vegetable were obtained, and the necessary theoretical support was provided for the simulation of the drawing of the vegetable and other research. The distinct element method (DEM) is a numerical simulation method for dealing with discontinuous medium problems. And it is widely used in the field of bulk material processing. EDEM (enhanced distinct element method) software is a general CAE (computer aided engineering) analysis software based on the DEM, which is commonly used to simulate and analyze particle processing and operating system in industry and agricultural production. At present, its application in crop harvesting has not been reported, but it has been successfully applied in the field of agriculture, especially in the treatment of soil matrix. The discrete element simulation model of vegetable drawing process was established by using discrete element software EDEM, and the optimal drawing force and drawing effect were determined by studying the mechanism of pulling the vegetables. According to the simulation analysis, the relationship between the pulling force of vegetables and the displacement of vegetables and the simulation process of vegetable drawing were obtained. It was determined that the minimum drawing resistance was 26.87 N when adopting the optimum drawing distance of 20 mm. The maximum safe drawing load of vegetable rhizome was 37.5 N and the maximum safe compression load of vegetable stem was 84.36 N under the condition of safety factor of 1.1, using small universal testing machine. According to the upper and lower limits of the drawing force and the mathematical parameters of the drawing, the inclination angle of the planting trough, which met the requirement of planting 1-6 rows of vegetables, was determined to be 17.8°. And at this angle of inclination, the maximum thrust value of the stem of the vegetable was less than the maximum destructive force of the vegetable 84.36 N. The final working parameters were applied to the single-row prototype test, and the good harvesting effect was obtained, which verified the rationality of the key parameters of the vegetable harvester.

agricultural machinery; mechanical properties; discrete element method; facility vegetable harvesting machine; drawing mechanism

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.004

S225.92

A

1002-6819(2017)-23-0024-08

2017-07-05

2017-10-24

國家自然科學基金（51675011）—盆花移栽機筑模成穴機構(gòu)多因素作用優(yōu)化設(shè)計方法研究

高國華，博士，教授，主要研究方向為機械設(shè)計及理論。北京 北京工業(yè)大學機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學院，100124。 Email：ggh6768@126.com