陳炎杰，廖宇蘭，劉世豪，周海杰

(海南大學 機電工程學院， ?？?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 機電工程學院， ?？?570228)

為了得到木薯機械化收獲中的挖拔零部件的設計參數和木薯全株各種形態(tài)特征之間的關系，采用了實地田間抽樣的調查統(tǒng)計方法，對木薯關鍵形態(tài)特征(全株重量、根塊俯視投影面積，莖稈截面面積)進行了統(tǒng)計分析。以統(tǒng)計數據和相關公式計算為前提，進行數學建模，得出可靠的木薯塊根的最大起拔力。結合木薯的主要形態(tài)特征和最大起拔力要求，可為挖拔式木薯收獲機提供設計參考數據。

木薯；挖拔式收獲機；起拔力；木薯形態(tài)；數學建模

0 引言

我國木薯種植面積2015年已經達到70萬hm2，預計5年內木薯在國內種植面積超過150hm2。隨著木薯產量的不斷提高，人工收獲木薯已經不能滿足目前的需要，對木薯自動化收獲的要求和效率也越來越高。目前，我國已經對木薯收獲機器進行了較多的設計研究，取得了一定的成就，但木薯的形態(tài)特征研究和基礎理論研究相對較少，無法滿足快速增長的木薯收獲需求，挖拔式木薯收獲機器還處于初級研究階段。為此，本文對木薯的關鍵形態(tài)采用了田間實地抽樣調查的方式進行了統(tǒng)計分析，通過查閱相關公式和數學建模，模擬木薯根塊起拔過程，得出其最大起拔力。這些數據為木薯挖拔式機械收獲提供了必要的基礎理論參考，該研究對快速拔出、降低薯塊傷薯率和提高挖拔式木薯收獲機性能具有重要意義。

1 木薯全株選樣形態(tài)分析

試驗用木薯為海南大學儋州校區(qū)木薯種植試驗地種植的木薯，因為木薯根塊收獲成熟期在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，把試驗田分成4個群體，然后在每個群體中隨機抽樣10個木薯全株樣品。木薯取樣盡量保證無病蟲害和無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。具體測的數據為：①全株質量；②根塊果實俯視投影面積；③莖稈截面面積。其分布統(tǒng)計圖如圖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個形態(tài)特征的平均值。3個主要特征(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試分析

木薯主要由莖稈和塊根兩部分組成。在拉拔式機械收獲木薯時，夾持機構主要夾持木薯莖稈部分，設計時需要知道并且測試木薯莖稈能承受的極限豎直向上起拔力，同時也要考慮莖稈和塊根能承受的極限分離力。

2.1 試驗材料

試驗所用的木薯莖稈均采集于海南儋州種植的基地，分別取自試驗田劃分的4個群體中，每個群體抽樣木薯莖稈5株，樣本盡量選取生長良好、無病蟲害的。

2.2 試驗方法

根據農藝和挖拔式木薯收獲機的要求，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個樣品分別標記打亂，設計一個木薯最大起拔力測試系統(tǒng)，如圖5所示。

測試系統(tǒng)中夾持木薯莖稈方式為現在挖拔式木薯收獲機的主流夾持機構：①夾持帶式(柔性夾持系統(tǒng))，如圖6所示；②夾持鏈輪(剛性夾持系統(tǒng))，如圖7所示。

1.土壤 2.土槽 3.圓盤 4.粉盒 5.應變測試儀 6.筆記本電腦 7.電機 8.轉動軸 9.鋼絲繩 10.鋼條 11.應變片

圖6 夾持帶式輸送機構

圖7 夾持鏈輪式輸送機構

每種夾持方式分別隨機抽取10個樣品測試，結果如表1和表2所示。

表1 夾持帶式輸送機構測試結果

續(xù)表1

表2 夾持鏈輪式輸送機構測試結果

測量莖稈破損拉斷力可以測出莖稈在不破損情況下能承受的最大向上拉斷力；測量根莖分離拉斷力，可以測量出木薯全株根塊和莖稈的極限分離力。通過試驗可得：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險，而且剛性夾持系統(tǒng)(夾持鏈輪)能提供更大的向上拔起力。

3 木薯塊根拔起力計算分析

木薯根塊被挖拔式收獲機器拔起時，木薯受到的各種阻力包括土壤對塊根的吸附力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，分別測量其土壤的含水率、土壤密度、硬度值和內摩擦角。種植田主要數據如表3所示。

表3 種植田主要數據

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

3.1 土壤對塊的吸附力F1

塊根拔起時的吸附力與土壤的硬度、土壤含水有關，則

F1=0.1×π×R2×Ps

3．2 土壤剪切力豎直方向分力F2

根據土壤性質和實驗數據分析，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—莫爾應力圓半徑(m)；

τA—微土圓盤邊緣失效面的土壤動態(tài)剪切強度(Pa)。

dh—微土圓盤所在深度。

3.3 土壤與塊根之間的摩擦力F3

由于木薯塊根果實與土壤間的摩擦較為復雜，因此,根據草本植物根部與土壤相互作用力學模型，則

式中Z—木薯根塊所在深度(m)；

v—塊根和土壤的摩擦系數；

P(z)—塊根的豎直分布函數；

Q(z)—為塊根數目的豎直分布函數。

3.4 粘附在塊根上的土壤重力G1

根據圓盤失效面為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—土壤體積質量1.459×103kg/m3；

α—粘附系數。

3.5 木薯自身重力G2

通過測量得出木薯自身重力。根據木薯塊根果實拔起的物理試驗和力學模型，可以合理得出塊根拔起力的理論值。計算時，塊根深度取為150～250mm，莫應力圓盤直徑為80～120mm，拔起速度為100mm/s，結果表4所示。

表4 木薯塊根理論起拔力的計算值

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 結論

1)通過木薯全株抽樣調查分析，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量都趨于正態(tài)分布。可以根據以上3個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研究和算出理論起拔力值。

2)因為木薯拔起過程，被夾持的莖稈和莖根的結點都會受到破壞，拉拔過程必須保證其破壞不會影響收獲機的挖拔。所以，根據設計的拔起力測試實驗，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)實地木薯拉拔試驗過程中，剛性夾持系統(tǒng)能提供更大的向上拔起力， 以保證木薯的順利拔起。

4)通過建立數學模型和參考相關書籍及論文的公式，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)根據以上所有數據，可得木薯收獲機器中的夾持設備只要提供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)根據相關實驗，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

國家自然科學基金項目(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，碩士生導師，(E-mail)liaoyulan@sina.com。

S183

A

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