葉類蔬菜有序收獲夾持輸送的力學(xué)特性研究

劉奇 ， 陳斌 ， 孫松林 ，2， 肖名濤 ，2*， 孫超然 ，2*

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備工程技術(shù)研究中心，長沙 410128）

中國是蔬菜生產(chǎn)和消費(fèi)大國，2019年我國蔬菜種植總面積已突破2 086.2萬hm2，總產(chǎn)量在72 102.60萬t，較上年同比分別增長2.07%、2.50%[1]。莖葉類蔬菜因具有種植期長、生長期短、富含多種維生素和礦物質(zhì)等特點(diǎn)，成為餐桌上常見的蔬菜。傳統(tǒng)葉菜收獲作業(yè)占總作業(yè)量的40%左右，相較于其他環(huán)節(jié)，收獲環(huán)節(jié)機(jī)械化程度最低，基本由人工完成，存在收獲效率低、勞動強(qiáng)度大等問題[2-3]。

國外對蔬菜收獲機(jī)械的研究較早，技術(shù)相對成熟，意大利、美國、加拿大等發(fā)達(dá)國家基本實現(xiàn)蔬菜產(chǎn)業(yè)全程機(jī)械化，特別是開發(fā)了生菜、青菜和菠菜大型作業(yè)裝備的生產(chǎn)體系和配套設(shè)備[4-6]。而我國市場研發(fā)的葉類蔬菜收獲機(jī)數(shù)量少且收獲效果不理想，存在莖葉損傷等現(xiàn)象。我國葉類蔬菜收獲機(jī)主要是以無序收獲為主，為進(jìn)一步減少工作流程，研制葉類蔬菜有序收獲機(jī)對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化尤其是蔬菜收獲機(jī)械化具有重要的意義[7-9]。

目前，國內(nèi)對蔬菜的有序收獲進(jìn)行了一些研究，輸送是葉類蔬菜有序收獲的關(guān)鍵步驟，為保證輸送過程中葉類蔬菜姿態(tài)的穩(wěn)定性，輸送裝置多采用夾持輸送方式[10]。于昭洋等[11]針對大蒜收獲輸送裝置，采用“鏈-鏈”夾持和“鏈-板-毛刷”柔性夾持相配合的方式實現(xiàn)了大蒜莖稈的低磨損，避免后續(xù)下拉切根過程中莖稈斷裂現(xiàn)象發(fā)生；黃繼承等[12]研究了工業(yè)大麻收割機(jī)切割-輸送參數(shù)（切割速度、切割位置、鏈條輸送速度、夾持點(diǎn)水平間距）對切割效率、輸送率的影響，通過二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，采用Design-Expert進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)選，得出最優(yōu)參數(shù)組合；章永年等[13]對莖葉類蔬菜有序收獲進(jìn)行了研究，通過建立有序夾持輸送力學(xué)模型確定了柔性夾持輸送機(jī)構(gòu)傾斜角、輸送帶寬度、輸送速度等影響輸送效果關(guān)鍵參數(shù)范圍；張濤等[14]通過對青菜頭的種植、農(nóng)藝及生物學(xué)特性研究，使用橡膠夾持帶和擋條的配合使用，研制了一款柔性夾持青菜頭收獲機(jī)。Nang等[15]為使結(jié)球萵苣輸送過程中保持直立姿勢，研制了一種壓頂式裝置，當(dāng)壓頂式裝置和底部輸送裝置速度一致時，就能實現(xiàn)直立狀態(tài)輸送；Ali等[16]建立白菜輸送過程中的運(yùn)動學(xué)模型，探究輸送帶寬度、連桿長度、輸送速度等參數(shù)與白菜輸送效率的關(guān)系，確定保證白菜輸送損傷最小的最佳參數(shù)組合。以上研究主要針對物體表面比較硬的塊莖類蔬菜的有序收獲，對于更加柔軟的葉類蔬菜，在設(shè)計整株有序拔取輸送裝置時，也多采用萬能試驗機(jī)進(jìn)行莖稈壓縮和拉伸試驗以獲取蔬菜的力學(xué)特性。測量過程是用一側(cè)壓頭施加載荷，而實際夾持輸送過程中是兩側(cè)輸送帶向中間用力，故獲取的數(shù)據(jù)與實際存在較大誤差。

本文以收獲期上海青及其外形性狀相同的葉類蔬菜為研究對象，為減少夾持輸送中對上海青的機(jī)械損傷，設(shè)計了一套夾持參數(shù)測量儀，基于獲取上海青的宏觀損傷臨界力參數(shù)，對夾持輸送過程中受到擠壓造成機(jī)械損傷的可能影響因素進(jìn)行試驗，探究不同因素對力學(xué)參數(shù)的影響，為后續(xù)研發(fā)基于柔性夾持葉類蔬菜有序收獲機(jī)提供參考[17-20]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為速生葉類蔬菜上海青，取自長沙市蔬菜科學(xué)研究所溫室大棚。上海青成熟時株型直立束腰，莖桿肥大，截面近似圓形；葉面光滑碧綠，相鄰貼合不完全，間隙從下至上增大；葉梗寬厚呈瓢狀，三瓣外側(cè)葉梗環(huán)成圓。隨機(jī)選取生長期相同外形接近的50株上海青植株測量外觀尺寸（表1）。

表1 上海青外形尺寸Table 1 Dimension of Pakchoi

1.2 測量設(shè)備結(jié)構(gòu)和試驗原理

夾持參數(shù)測量平臺（圖1）主要由固定框架、測量夾板、夾持材料、力傳感器、傾角傳感器、夾持裝置固定板和絲桿直線滑臺等組成。力傳感器（ZNHN-Ⅲ）由安徽省蚌埠市中諾傳感器科技有限公司生產(chǎn)，量程0～200 N，靈敏度1.0～2.0 mV·V-1，綜合精度0.1%F·S。傾角傳感器由廣東深圳維特智能科技有限公司所研發(fā)，測量范圍-90°～90°，精度靜態(tài)0.05°、動態(tài)0.1°。ZNBSQ-S型數(shù)字變送器（蚌埠中諾）非線性誤差≤0.003 F·S，采樣速率可通過軟件在每秒12次或50次之間切換。雙光軸滾珠絲桿直線滑臺（1204-400，雷迪爾）絲桿直徑12 mm，導(dǎo)程4 mm，滑臺有效行程400 mm，滑臺頂部配有步進(jìn)電機(jī)，扭矩1.2 N·m，電流3 A，步距角1.8°。

圖1 測量平臺結(jié)構(gòu)Fig.1 Measurement platform structure

收獲時產(chǎn)生的機(jī)械損傷主要是由于夾持輸送過程中的壓縮載荷過大造成的，通過夾持壓縮試驗?zāi)M上海青在實際夾持輸送過程中所受的擠壓。首先在夾板上粘貼輸送帶材料，夾持壓縮試驗開始，夾板提供的夾持力保證在輸送過程中上海青不從中間滑落。通過改變夾持角度、夾持高度和夾持材料，探究其對上海青破損臨界力的影響。圖2所示為上海青夾持模型，從上海青與柔性夾持材料臨界接觸模型可以看出，上海青莖稈未發(fā)生形變，內(nèi)、外側(cè)葉片呈自然狀態(tài)，兩側(cè)柔性夾持材料間隙為上海青直徑d；在臨界夾持狀態(tài)，由于上海青內(nèi)、外側(cè)葉片之間存在空隙，左右兩側(cè)輸送帶對上海青葉片進(jìn)行夾持，材料A的彈性模量較大，形變量可忽略不計，使其接觸部分向內(nèi)擠壓，內(nèi)、外側(cè)葉片間隙縮小，未接觸部位向外凸出，導(dǎo)致上海青莖稈形變成呈橢圓狀，輸送帶的距離縮小成d1，形變量為2△C。材料B的彈性模量較小，極易發(fā)生形變，葉片間隙未改變，材料B向兩側(cè)凹陷對上海青產(chǎn)生包裹作用。

圖2 上海青夾持模型Fig.2 Pakchoi clamping model

1.3 夾持輸送過程力學(xué)模型建立

對夾持輸送過程進(jìn)行分析，建立上海青夾持力學(xué)模型。如圖3所示，當(dāng)上海青完全進(jìn)入輸送帶時，豎直部分受到重力和輸送帶對自身摩擦力的作用、水平方向受到夾持力使其保持與夾持位置相對靜止，此時提供的力要大于等于最小夾持力?？傻迷趭A持輸送過程中克服上海青植株滑落所需夾持力FN。

圖3 上海青夾持輸送過程力學(xué)分析Fig.3 Mechanical analysis of Pakchoi clamping and conveying process

式中，m為上海青的質(zhì)量，g；k為安全系數(shù)，數(shù)值為夾持輸送裝置提供給上海青植株的摩擦力與上海青重力的比值；f為上海青與輸送帶之間的摩擦系數(shù)。

由于收獲時在夾持過程中可能會發(fā)生掉落的現(xiàn)象，為了保證夾持成功，應(yīng)該滿足安全系數(shù)k＞1；為了在夾持輸送過程中盡可能地保證上海青不發(fā)生損傷，安全系數(shù)k值不應(yīng)過大，綜合考慮安全系數(shù)k取值1.5。

1.4 試驗因素和方案

1.4.1 試驗因素的參數(shù)確定 針對上海青的夾持，考慮帶其自身的柔軟性，加入2種不同的柔性材質(zhì)夾持材料B(花紋輸送帶)和C（藍(lán)布海綿皮帶），與夾持材A（橡膠輸送帶）進(jìn)行對比。測定其與上海青莖稈之間的最大靜摩擦系數(shù)以及3種夾持材料的彈性模量，測量方法如圖4所示。其中，上海青和夾持材料之間的摩擦力為Ff、平板所提供的支持力為Fn、上海青的重力為G、α為臨界傾角。

圖4 上海青與夾持材料間的最大靜摩擦系數(shù)測量Fig.4 Measurement of the maximum static friction coefficient between Pakchoi and the clamping material

為更加準(zhǔn)確地表達(dá)夾持材料的硬度，將3種不同材質(zhì)的夾持材料裁成半徑50 mm的圓形塊，利用萬能試驗機(jī)進(jìn)行壓縮試驗測量，計算彈性模量（E）。

式中，F(xiàn)為施加的外力；A為夾持材料的橫截面積；ΔL為在外力作用下的形變厚度；L為夾持材料初始厚度。

如圖5所示，為了保證在夾持時不損傷莖葉交匯處的菜葉，使輸送帶與上海青接觸的最高位置K低于莖葉交匯處。假設(shè)此時輸送帶最低處距離地面高度為h，輸送帶的寬度為b，莖葉交匯處離地高度是y，上海青莖稈直徑為d，則K點(diǎn)高度應(yīng)該小于等于y。為避免上海青更加柔軟的葉子部分受到損傷，輸送帶最低處距離地面高度hK計算如下。

圖5 輸送帶夾持上海青Fig.5 Conveyor belt clamping Pakchoi

式中，lK為輸送帶上端與上海青接觸點(diǎn)K的長度，由于上海青莖稈上下直徑相差不大，可以認(rèn)為是上海青夾持部位的直徑d。

1.4.2 夾持輸送影響因素試驗設(shè)計 為探究各影響因素在夾持有序收獲中對于上海青破損的影響程度，試驗前先將試驗樣品進(jìn)行高度標(biāo)定，以上海青底部為基準(zhǔn)點(diǎn)、1 cm為間距在葉梗處進(jìn)行標(biāo)記，再將傳感器連接至電腦進(jìn)行校零。將夾持材料用螺釘固定在夾板上開始試驗，調(diào)節(jié)夾板角度至指定值，將已經(jīng)標(biāo)記好高度位置的上海青放置在夾板中間，手動調(diào)節(jié)控制器使兩側(cè)夾板與上海青臨界接觸，再調(diào)節(jié)為自動模式，勻速向中間擠壓上海青，觀測應(yīng)力與應(yīng)變的曲線變化，當(dāng)曲線在上升期間出現(xiàn)了下降再上升的現(xiàn)象，停止擠壓，試驗結(jié)束。將應(yīng)力應(yīng)變曲線中開始下降的位置中的應(yīng)力記為破損臨界力，絲桿滑臺的位移記為破損壓縮量。

以夾持角度（t1）、夾持高度（t2）、夾持材料（t3）為試驗因素，以破損臨界力（Y1）和破損壓縮量（Y2）為試驗指標(biāo)，采用Box-Behnken設(shè)計試驗進(jìn)行響應(yīng)面分析以尋找最優(yōu)解。3種材料表面材質(zhì)均不同，材料B接觸表面為棉麻材質(zhì)，且表面有大量纖維凸起，材料C和A分別為發(fā)泡塑料聚合物和橡膠制品。試驗因素水平如表2所示。

表2 試驗因素水平Table 2 Test factor level

2 結(jié)果與分析

2.1 影響因素的參數(shù)

夾持的角度會影響夾持輸送裝置的長度，參照莖葉類蔬菜有序收獲柔性夾持輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計[13]，其柔性夾持輸送機(jī)構(gòu)與地面的傾斜角度為20°～30°。

上海青莖稈并非完全是圓柱狀，隨機(jī)夾取時莖稈直徑對夾持輸送存在影響。對上海青莖稈距根部1.0、2.0、3.0、4.0和5.0 cm處的直徑進(jìn)行了測量，結(jié)果如表3所示。可以看出，莖稈直徑隨著高度的增加先增大后減小，且增大的速率大于下降的速率。5個位置中最大平均值為55.45 mm，出現(xiàn)在高度2 cm處，最小值為49.17 mm，出現(xiàn)在高度5 cm處，高度1.0～4.0 cm處莖稈直徑均值都在52 mm以上。上海青莖稈直徑在不同高度的離散程度不一樣，標(biāo)準(zhǔn)偏差最小值為3.65，說明在距離根部2.0 cm處上海青的莖稈直徑差異是5個位置中最小的；高度5.0 cm處標(biāo)準(zhǔn)偏差5.86，直徑差異最大。

表3 上海青不同高度莖稈直徑Table 3 Diameter of different heights of Pakchoi

由于上海青的質(zhì)量較小，在垂直方向上對3種材料的形變可以忽略，材料表面平整度是影響靜摩擦系數(shù)的主要因素。對3種不同材質(zhì)的夾持材料與整株上海青進(jìn)行接觸試驗，結(jié)果如表4所示，最大靜摩擦系數(shù)表現(xiàn)為材料B＞材料C＞材料A，且明顯大于測量平板的光滑表面。夾持材料A、B和C的彈性模量測量結(jié)果依次為3 519、218和11 N·mm-2，可推斷它們對上海青損傷的影響程度表現(xiàn)為夾持材料C＞夾持材料B＞夾持材料A。

表4 不同夾持材料的參數(shù)結(jié)果Table 4 Parameter under different clamping material

2.2 響應(yīng)曲面結(jié)果及分析

根據(jù)Box-Behnken試驗方案進(jìn)行上海青破損壓縮試驗，利用Design-Expert軟件設(shè)計17組試驗，結(jié)果如表5所示。

表5 試驗方案與結(jié)果Table 5 Test design and results

2.2.1 破損臨界力回歸模型與顯著性分析 通過Design-Expert.V10.0.1軟件進(jìn)行響應(yīng)面及多元回歸擬合分析，建立破損臨界力Y1與夾持角度t1、夾持高度t2和夾持材料t3的三元二次多項式回歸模型，剔除不顯著項，得到回歸方程如式（5）所示。

由方差分析（表6）可知，該模型P=0.0003，說明該模型擬合度顯著；失擬項不顯著（P=0.066 2）；決定系數(shù)R2=0.956，表明該回歸模型可以代替真實試驗對結(jié)果進(jìn)行分析，擬合方程有意義。

表6 破損臨界力回歸模型方差分析Table 6 Variance analysis of the damage critical force regression model

夾持高度t2對破損臨界力Y1影響極顯著，夾持角度t1和夾持材料t3對破損臨界力Y1影響顯著，模型交互項t1t2及二次項t22和t32對破損臨界力Y1也存在顯著影響。夾持材料t3為C時，交互因素t1t2對破損臨界力的影響規(guī)律如圖6所示，在試驗水平范圍內(nèi)，破損臨界力隨著夾持高度的提高逐漸增大，隨夾持角度增加也逐漸增大，夾持高度對破損臨界力的影響比夾持角度的影響更顯著。

圖6 交互作用對破損臨界力的影響Fig.6 Influence of interaction on the critical damage force

2.2.2 破損壓縮量回歸模型和顯著性分析 對試驗結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，建立破損壓縮量Y2與夾持角度t1、夾持高度t2和夾持材料t3的三元二次多項式回歸模型，剔除模型中不顯著項，得到回歸方程如式（6）所示，回歸方程的顯著項檢驗如表7所示。

由方差分析（表7）可知，模型P＜0.000 1，失擬項P=0.541 3（大于0.05），模型決定系數(shù)R2=0.986 7，說明所得模型擬合度較高，響應(yīng)曲面分析結(jié)果可信度較高。通過顯著性分析可得：模型中的夾持高度t2和夾持材料t3對破損壓縮量Y2影響極其顯著，交互項t2t3對破損壓縮量Y2影響顯著，二次項t12也對破損壓縮量Y2存在較為顯著的影響。

表7 破損壓縮量回歸模型方差分析表Table 7 Analysis of variance of damage compression regression model

通過分析圖7可知，夾持高度t2和夾持材料t3對破損壓縮量Y2交互影響，在試驗范圍水平內(nèi)，破損壓縮量隨著夾持材料t3的硬度降低逐漸增大，隨夾持高度的上升也逐漸增大，夾持材料對破損壓縮量的影響程度和夾持高度基本一樣。

圖7 交互作用對破損壓縮量的影響Fig.7 The effect of interaction on damage compression

2.3 基于夾持材料的參數(shù)組合分析

夾持材料作為定性變量，無法與角度一樣劃分成連續(xù)數(shù)值變量，所以將3種夾持材料依次作為固定條件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化組合。通過分析發(fā)現(xiàn)，相比于變形量小的材料，采用變形量較大的夾持材料時，需要用更大的力才能將上海青壓縮破壞，它可以降低上海青在夾持輸送時的損傷率。以破損臨界力最小、破損壓縮量最小為優(yōu)化目標(biāo)，以夾持材料為固定變量，利用Design-Expert軟件進(jìn)行尋優(yōu)。夾持材料A、B和C最小破損臨界力分別為12.15、12.63和16.95 N，破損壓縮量分別為12.20、15.50和18.03 mm，以上結(jié)果都發(fā)生在夾持角度15°和夾持高度2.0 cm處。

2.4 單因素影響分析

由圖8可知，試驗因素對評價指標(biāo)存在影響。當(dāng)夾持角度處于低水平時，隨著夾持角度的增加，破損臨界力增大，提升相同的高度則需要更長的輸送距離；當(dāng)夾持角度處于高水平時，破損臨界力有下降的趨勢，夾持角度太高則不利于上海青進(jìn)入夾持輸送裝置中。而夾持角度對于破損壓縮量的影響較小，高水平和低水平的破損壓縮量均低于中間值。

圖8 試驗因素與評價指標(biāo)關(guān)系Fig.8 Relationship between test factors and evaluation indicators

當(dāng)夾持高度處于低水平時，隨著夾持高度的上升，上海青葉片間的空隙增大，破損臨界力和破損壓縮量均增大，夾持高度太低會導(dǎo)致夾持輸送帶下沿與地面接觸，進(jìn)而影響輸送帶正常運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)夾持高度處于高水平時，破損臨界力和破損壓縮量均呈下降趨勢，夾持的高度過高輸送帶上沿將會損傷上海青葉子。

當(dāng)輸送帶的彈性模量呈下降趨勢時，破損臨界量和破損壓縮量逐漸增大。當(dāng)輸送帶材質(zhì)較硬時，由于其彈性模量較大不易發(fā)生變形，輸送帶的厚度形變可以忽略，則形變量都來自上海青，葉片間的間隙消失后，此時施加的載荷更容易對上海青的莖稈產(chǎn)生塑性變形，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致上海青與輸送帶接觸部位發(fā)生折斷現(xiàn)象；當(dāng)材質(zhì)較軟時，在夾持力的作用下輸送帶向兩側(cè)凹陷，若夾持力較小時上海青莖稈則不發(fā)生形變；當(dāng)夾持力較大時上海青葉片間的間隙將會消失，此時軟性材質(zhì)的輸送帶會進(jìn)一步變形，而試驗中破損壓縮量也會增加。相較于軟性材質(zhì)的輸送帶，硬度更大的材料形變量小，在破損試驗中其壓縮量也會更小。

3 討論

目前，葉類蔬菜的有序化收獲主要通過往復(fù)式割刀將其從土上割斷，再利用柔性輸送帶運(yùn)送至收集箱中。為實現(xiàn)葉類蔬菜的夾持輸送過程，需要對其壓縮力學(xué)特性進(jìn)行研究。本研究在萬能試驗機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計了夾持參數(shù)測定平臺，測量方法更加符合葉類蔬菜在有序收獲夾持輸送過程中真實情況。針對葉類蔬有序化收獲，本文探究了夾持輸送裝置的夾持高度、夾持角度和夾持材料與上海青破損臨界力和破損臨界量之間的關(guān)系。夾持高度對上海青的破損存在較大的影響，農(nóng)業(yè)物料受到外力擠壓時會發(fā)生3類形變：彈性形變、粘彈性形變和塑性形變。上海青的損傷主要有莖稈和葉片的劃傷、折斷、壓傷等，嚴(yán)重的劃傷和折斷可以用肉眼明顯觀察出來。壓縮造成的塑性形變是葉類蔬菜產(chǎn)生機(jī)械性壓傷的主要來源。

利用Box-Behnken方法設(shè)計了上海青莖稈破損臨界力和壓縮量試驗，通過方差分析確定各因素對破損壓縮力和破損壓縮量的影響，夾持高度對破損壓縮力的影響極顯著，夾持角度和夾持高度存在顯著的交互作用；夾持材料對破損壓縮量的影響極顯著，且夾持高度和夾持材料存在顯著的交互作用。通過Design-Expert軟件的尋優(yōu)功能，夾持角度為15°、夾持高度為2 cm和夾持材料為C時，此時破損臨界力和壓縮量最小為16.95 N和18.03 mm。在實際夾持過程中為保證上海青夾持輸送的穩(wěn)定性和低損傷率，輸送帶提供的夾持力應(yīng)在最小夾持力和破損臨界力之間。