叶类蔬菜有序收获夹持输送的力学特性研究

刘奇 ， 陈斌 ， 孙松林 ，2， 肖名涛 ，2*， 孙超然 ，2*

（1.湖南农业大学机电工程学院，长沙 410128；2.湖南省现代农业机械装备工程技术研究中心，长沙 410128）

中国是蔬菜生产和消费大国，2019年我国蔬菜种植总面积已突破2 086.2万hm2，总产量在72 102.60万t，较上年同比分别增长2.07%、2.50%[1]。茎叶类蔬菜因具有种植期长、生长期短、富含多种维生素和矿物质等特点，成为餐桌上常见的蔬菜。传统叶菜收获作业占总作业量的40%左右，相较于其他环节，收获环节机械化程度最低，基本由人工完成，存在收获效率低、劳动强度大等问题[2-3]。

国外对蔬菜收获机械的研究较早，技术相对成熟，意大利、美国、加拿大等发达国家基本实现蔬菜产业全程机械化，特别是开发了生菜、青菜和菠菜大型作业装备的生产体系和配套设备[4-6]。而我国市场研发的叶类蔬菜收获机数量少且收获效果不理想，存在茎叶损伤等现象。我国叶类蔬菜收获机主要是以无序收获为主，为进一步减少工作流程，研制叶类蔬菜有序收获机对实现农业现代化尤其是蔬菜收获机械化具有重要的意义[7-9]。

目前，国内对蔬菜的有序收获进行了一些研究，输送是叶类蔬菜有序收获的关键步骤，为保证输送过程中叶类蔬菜姿态的稳定性，输送装置多采用夹持输送方式[10]。于昭洋等[11]针对大蒜收获输送装置，采用“链-链”夹持和“链-板-毛刷”柔性夹持相配合的方式实现了大蒜茎秆的低磨损，避免后续下拉切根过程中茎秆断裂现象发生；黄继承等[12]研究了工业大麻收割机切割-输送参数（切割速度、切割位置、链条输送速度、夹持点水平间距）对切割效率、输送率的影响，通过二次正交旋转组合试验，采用Design-Expert进行数据优选，得出最优参数组合；章永年等[13]对茎叶类蔬菜有序收获进行了研究，通过建立有序夹持输送力学模型确定了柔性夹持输送机构倾斜角、输送带宽度、输送速度等影响输送效果关键参数范围；张涛等[14]通过对青菜头的种植、农艺及生物学特性研究，使用橡胶夹持带和挡条的配合使用，研制了一款柔性夹持青菜头收获机。Nang等[15]为使结球莴苣输送过程中保持直立姿势，研制了一种压顶式装置，当压顶式装置和底部输送装置速度一致时，就能实现直立状态输送；Ali等[16]建立白菜输送过程中的运动学模型，探究输送带宽度、连杆长度、输送速度等参数与白菜输送效率的关系，确定保证白菜输送损伤最小的最佳参数组合。以上研究主要针对物体表面比较硬的块茎类蔬菜的有序收获，对于更加柔软的叶类蔬菜，在设计整株有序拔取输送装置时，也多采用万能试验机进行茎秆压缩和拉伸试验以获取蔬菜的力学特性。测量过程是用一侧压头施加载荷，而实际夹持输送过程中是两侧输送带向中间用力，故获取的数据与实际存在较大误差。

本文以收获期上海青及其外形性状相同的叶类蔬菜为研究对象，为减少夹持输送中对上海青的机械损伤，设计了一套夹持参数测量仪，基于获取上海青的宏观损伤临界力参数，对夹持输送过程中受到挤压造成机械损伤的可能影响因素进行试验，探究不同因素对力学参数的影响，为后续研发基于柔性夹持叶类蔬菜有序收获机提供参考[17-20]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为速生叶类蔬菜上海青，取自长沙市蔬菜科学研究所温室大棚。上海青成熟时株型直立束腰，茎杆肥大，截面近似圆形；叶面光滑碧绿，相邻贴合不完全，间隙从下至上增大；叶梗宽厚呈瓢状，三瓣外侧叶梗环成圆。随机选取生长期相同外形接近的50株上海青植株测量外观尺寸（表1）。

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

1.2 测量设备结构和试验原理

夹持参数测量平台（图1）主要由固定框架、测量夹板、夹持材料、力传感器、倾角传感器、夹持装置固定板和丝杆直线滑台等组成。力传感器（ZNHN-Ⅲ）由安徽省蚌埠市中诺传感器科技有限公司生产，量程0～200 N，灵敏度1.0～2.0 mV·V-1，综合精度0.1%F·S。倾角传感器由广东深圳维特智能科技有限公司所研发，测量范围-90°～90°，精度静态0.05°、动态0.1°。ZNBSQ-S型数字变送器（蚌埠中诺）非线性误差≤0.003 F·S，采样速率可通过软件在每秒12次或50次之间切换。双光轴滚珠丝杆直线滑台（1204-400，雷迪尔）丝杆直径12 mm，导程4 mm，滑台有效行程400 mm，滑台顶部配有步进电机，扭矩1.2 N·m，电流3 A，步距角1.8°。

图1 测量平台结构Fig.1 Measurement platform structure

收获时产生的机械损伤主要是由于夹持输送过程中的压缩载荷过大造成的，通过夹持压缩试验模拟上海青在实际夹持输送过程中所受的挤压。首先在夹板上粘贴输送带材料，夹持压缩试验开始，夹板提供的夹持力保证在输送过程中上海青不从中间滑落。通过改变夹持角度、夹持高度和夹持材料，探究其对上海青破损临界力的影响。图2所示为上海青夹持模型，从上海青与柔性夹持材料临界接触模型可以看出，上海青茎秆未发生形变，内、外侧叶片呈自然状态，两侧柔性夹持材料间隙为上海青直径d；在临界夹持状态，由于上海青内、外侧叶片之间存在空隙，左右两侧输送带对上海青叶片进行夹持，材料A的弹性模量较大，形变量可忽略不计，使其接触部分向内挤压，内、外侧叶片间隙缩小，未接触部位向外凸出，导致上海青茎秆形变成呈椭圆状，输送带的距离缩小成d1，形变量为2△C。材料B的弹性模量较小，极易发生形变，叶片间隙未改变，材料B向两侧凹陷对上海青产生包裹作用。

图2 上海青夹持模型Fig.2 Pakchoi clamping model

1.3 夹持输送过程力学模型建立

对夹持输送过程进行分析，建立上海青夹持力学模型。如图3所示，当上海青完全进入输送带时，竖直部分受到重力和输送带对自身摩擦力的作用、水平方向受到夹持力使其保持与夹持位置相对静止，此时提供的力要大于等于最小夹持力。可得在夹持输送过程中克服上海青植株滑落所需夹持力FN。

图3 上海青夹持输送过程力学分析Fig.3 Mechanical analysis of Pakchoi clamping and conveying process

式中，m为上海青的质量，g；k为安全系数，数值为夹持输送装置提供给上海青植株的摩擦力与上海青重力的比值；f为上海青与输送带之间的摩擦系数。

由于收获时在夹持过程中可能会发生掉落的现象，为了保证夹持成功，应该满足安全系数k＞1；为了在夹持输送过程中尽可能地保证上海青不发生损伤，安全系数k值不应过大，综合考虑安全系数k取值1.5。

1.4 试验因素和方案

1.4.1 试验因素的参数确定 针对上海青的夹持，考虑带其自身的柔软性，加入2种不同的柔性材质夹持材料B(花纹输送带)和C（蓝布海绵皮带），与夹持材A（橡胶输送带）进行对比。测定其与上海青茎秆之间的最大静摩擦系数以及3种夹持材料的弹性模量，测量方法如图4所示。其中，上海青和夹持材料之间的摩擦力为Ff、平板所提供的支持力为Fn、上海青的重力为G、α为临界倾角。

图4 上海青与夹持材料间的最大静摩擦系数测量Fig.4 Measurement of the maximum static friction coefficient between Pakchoi and the clamping material

为更加准确地表达夹持材料的硬度，将3种不同材质的夹持材料裁成半径50 mm的圆形块，利用万能试验机进行压缩试验测量，计算弹性模量（E）。

式中，F为施加的外力；A为夹持材料的横截面积；ΔL为在外力作用下的形变厚度；L为夹持材料初始厚度。

如图5所示，为了保证在夹持时不损伤茎叶交汇处的菜叶，使输送带与上海青接触的最高位置K低于茎叶交汇处。假设此时输送带最低处距离地面高度为h，输送带的宽度为b，茎叶交汇处离地高度是y，上海青茎秆直径为d，则K点高度应该小于等于y。为避免上海青更加柔软的叶子部分受到损伤，输送带最低处距离地面高度hK计算如下。

图5 输送带夹持上海青Fig.5 Conveyor belt clamping Pakchoi

式中，lK为输送带上端与上海青接触点K的长度，由于上海青茎秆上下直径相差不大，可以认为是上海青夹持部位的直径d。

1.4.2 夹持输送影响因素试验设计 为探究各影响因素在夹持有序收获中对于上海青破损的影响程度，试验前先将试验样品进行高度标定，以上海青底部为基准点、1 cm为间距在叶梗处进行标记，再将传感器连接至电脑进行校零。将夹持材料用螺钉固定在夹板上开始试验，调节夹板角度至指定值，将已经标记好高度位置的上海青放置在夹板中间，手动调节控制器使两侧夹板与上海青临界接触，再调节为自动模式，匀速向中间挤压上海青，观测应力与应变的曲线变化，当曲线在上升期间出现了下降再上升的现象，停止挤压，试验结束。将应力应变曲线中开始下降的位置中的应力记为破损临界力，丝杆滑台的位移记为破损压缩量。

以夹持角度（t1）、夹持高度（t2）、夹持材料（t3）为试验因素，以破损临界力（Y1）和破损压缩量（Y2）为试验指标，采用Box-Behnken设计试验进行响应面分析以寻找最优解。3种材料表面材质均不同，材料B接触表面为棉麻材质，且表面有大量纤维凸起，材料C和A分别为发泡塑料聚合物和橡胶制品。试验因素水平如表2所示。

表2 试验因素水平Table 2 Test factor level

2 结果与分析

2.1 影响因素的参数

夹持的角度会影响夹持输送装置的长度，参照茎叶类蔬菜有序收获柔性夹持输送机构的设计[13]，其柔性夹持输送机构与地面的倾斜角度为20°～30°。

上海青茎秆并非完全是圆柱状，随机夹取时茎秆直径对夹持输送存在影响。对上海青茎秆距根部1.0、2.0、3.0、4.0和5.0 cm处的直径进行了测量，结果如表3所示。可以看出，茎秆直径随着高度的增加先增大后减小，且增大的速率大于下降的速率。5个位置中最大平均值为55.45 mm，出现在高度2 cm处，最小值为49.17 mm，出现在高度5 cm处，高度1.0～4.0 cm处茎秆直径均值都在52 mm以上。上海青茎秆直径在不同高度的离散程度不一样，标准偏差最小值为3.65，说明在距离根部2.0 cm处上海青的茎秆直径差异是5个位置中最小的；高度5.0 cm处标准偏差5.86，直径差异最大。

表3 上海青不同高度茎秆直径Table 3 Diameter of different heights of Pakchoi

由于上海青的质量较小，在垂直方向上对3种材料的形变可以忽略，材料表面平整度是影响静摩擦系数的主要因素。对3种不同材质的夹持材料与整株上海青进行接触试验，结果如表4所示，最大静摩擦系数表现为材料B＞材料C＞材料A，且明显大于测量平板的光滑表面。夹持材料A、B和C的弹性模量测量结果依次为3 519、218和11 N·mm-2，可推断它们对上海青损伤的影响程度表现为夹持材料C＞夹持材料B＞夹持材料A。

表4 不同夹持材料的参数结果Table 4 Parameter under different clamping material

2.2 响应曲面结果及分析

根据Box-Behnken试验方案进行上海青破损压缩试验，利用Design-Expert软件设计17组试验，结果如表5所示。

表5 试验方案与结果Table 5 Test design and results

2.2.1 破损临界力回归模型与显著性分析 通过Design-Expert.V10.0.1软件进行响应面及多元回归拟合分析，建立破损临界力Y1与夹持角度t1、夹持高度t2和夹持材料t3的三元二次多项式回归模型，剔除不显著项，得到回归方程如式（5）所示。

由方差分析（表6）可知，该模型P=0.0003，说明该模型拟合度显著；失拟项不显著（P=0.066 2）；决定系数R2=0.956，表明该回归模型可以代替真实试验对结果进行分析，拟合方程有意义。

表6 破损临界力回归模型方差分析Table 6 Variance analysis of the damage critical force regression model

夹持高度t2对破损临界力Y1影响极显著，夹持角度t1和夹持材料t3对破损临界力Y1影响显著，模型交互项t1t2及二次项t22和t32对破损临界力Y1也存在显著影响。夹持材料t3为C时，交互因素t1t2对破损临界力的影响规律如图6所示，在试验水平范围内，破损临界力随着夹持高度的提高逐渐增大，随夹持角度增加也逐渐增大，夹持高度对破损临界力的影响比夹持角度的影响更显著。

图6 交互作用对破损临界力的影响Fig.6 Influence of interaction on the critical damage force

2.2.2 破损压缩量回归模型和显著性分析 对试验结果进行多元回归拟合，建立破损压缩量Y2与夹持角度t1、夹持高度t2和夹持材料t3的三元二次多项式回归模型，剔除模型中不显著项，得到回归方程如式（6）所示，回归方程的显著项检验如表7所示。

由方差分析（表7）可知，模型P＜0.000 1，失拟项P=0.541 3（大于0.05），模型决定系数R2=0.986 7，说明所得模型拟合度较高，响应曲面分析结果可信度较高。通过显著性分析可得：模型中的夹持高度t2和夹持材料t3对破损压缩量Y2影响极其显著，交互项t2t3对破损压缩量Y2影响显著，二次项t12也对破损压缩量Y2存在较为显著的影响。

表7 破损压缩量回归模型方差分析表Table 7 Analysis of variance of damage compression regression model

通过分析图7可知，夹持高度t2和夹持材料t3对破损压缩量Y2交互影响，在试验范围水平内，破损压缩量随着夹持材料t3的硬度降低逐渐增大，随夹持高度的上升也逐渐增大，夹持材料对破损压缩量的影响程度和夹持高度基本一样。

图7 交互作用对破损压缩量的影响Fig.7 The effect of interaction on damage compression

2.3 基于夹持材料的参数组合分析

夹持材料作为定性变量，无法与角度一样划分成连续数值变量，所以将3种夹持材料依次作为固定条件进行参数优化组合。通过分析发现，相比于变形量小的材料，采用变形量较大的夹持材料时，需要用更大的力才能将上海青压缩破坏，它可以降低上海青在夹持输送时的损伤率。以破损临界力最小、破损压缩量最小为优化目标，以夹持材料为固定变量，利用Design-Expert软件进行寻优。夹持材料A、B和C最小破损临界力分别为12.15、12.63和16.95 N，破损压缩量分别为12.20、15.50和18.03 mm，以上结果都发生在夹持角度15°和夹持高度2.0 cm处。

2.4 单因素影响分析

由图8可知，试验因素对评价指标存在影响。当夹持角度处于低水平时，随着夹持角度的增加，破损临界力增大，提升相同的高度则需要更长的输送距离；当夹持角度处于高水平时，破损临界力有下降的趋势，夹持角度太高则不利于上海青进入夹持输送装置中。而夹持角度对于破损压缩量的影响较小，高水平和低水平的破损压缩量均低于中间值。

图8 试验因素与评价指标关系Fig.8 Relationship between test factors and evaluation indicators

当夹持高度处于低水平时，随着夹持高度的上升，上海青叶片间的空隙增大，破损临界力和破损压缩量均增大，夹持高度太低会导致夹持输送带下沿与地面接触，进而影响输送带正常运转；当夹持高度处于高水平时，破损临界力和破损压缩量均呈下降趋势，夹持的高度过高输送带上沿将会损伤上海青叶子。

当输送带的弹性模量呈下降趋势时，破损临界量和破损压缩量逐渐增大。当输送带材质较硬时，由于其弹性模量较大不易发生变形，输送带的厚度形变可以忽略，则形变量都来自上海青，叶片间的间隙消失后，此时施加的载荷更容易对上海青的茎秆产生塑性变形，严重的甚至会导致上海青与输送带接触部位发生折断现象；当材质较软时，在夹持力的作用下输送带向两侧凹陷，若夹持力较小时上海青茎秆则不发生形变；当夹持力较大时上海青叶片间的间隙将会消失，此时软性材质的输送带会进一步变形，而试验中破损压缩量也会增加。相较于软性材质的输送带，硬度更大的材料形变量小，在破损试验中其压缩量也会更小。

3 讨论

目前，叶类蔬菜的有序化收获主要通过往复式割刀将其从土上割断，再利用柔性输送带运送至收集箱中。为实现叶类蔬菜的夹持输送过程，需要对其压缩力学特性进行研究。本研究在万能试验机的基础上设计了夹持参数测定平台，测量方法更加符合叶类蔬菜在有序收获夹持输送过程中真实情况。针对叶类蔬有序化收获，本文探究了夹持输送装置的夹持高度、夹持角度和夹持材料与上海青破损临界力和破损临界量之间的关系。夹持高度对上海青的破损存在较大的影响，农业物料受到外力挤压时会发生3类形变：弹性形变、粘弹性形变和塑性形变。上海青的损伤主要有茎秆和叶片的划伤、折断、压伤等，严重的划伤和折断可以用肉眼明显观察出来。压缩造成的塑性形变是叶类蔬菜产生机械性压伤的主要来源。

利用Box-Behnken方法设计了上海青茎秆破损临界力和压缩量试验，通过方差分析确定各因素对破损压缩力和破损压缩量的影响，夹持高度对破损压缩力的影响极显著，夹持角度和夹持高度存在显著的交互作用；夹持材料对破损压缩量的影响极显著，且夹持高度和夹持材料存在显著的交互作用。通过Design-Expert软件的寻优功能，夹持角度为15°、夹持高度为2 cm和夹持材料为C时，此时破损临界力和压缩量最小为16.95 N和18.03 mm。在实际夹持过程中为保证上海青夹持输送的稳定性和低损伤率，输送带提供的夹持力应在最小夹持力和破损临界力之间。