劉奇 ， 陳斌 ， 孫松林 ，2， 肖名濤 ，2*， 孫超然 ，2*

（1.湖南農業(yè)大學機電工程學院，長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農業(yè)機械裝備工程技術研究中心，長沙 410128）

中國是蔬菜生產和消費大國，2019年我國蔬菜種植總面積已突破2 086.2萬hm2，總產量在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等特點，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)機械化程度最低，基本由人工完成，存在收獲效率低、勞動強度大等問題[2-3]。

國外對蔬菜收獲機械的研究較早，技術相對成熟，意大利、美國、加拿大等發(fā)達國家基本實現(xiàn)蔬菜產業(yè)全程機械化，特別是開發(fā)了生菜、青菜和菠菜大型作業(yè)裝備的生產體系和配套設備[4-6]。而我國市場研發(fā)的葉類蔬菜收獲機數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主要是以無序收獲為主，為進一步減少工作流程，研制葉類蔬菜有序收獲機對實現(xiàn)農業(yè)現(xiàn)代化尤其是蔬菜收獲機械化具有重要的意義[7-9]。

目前，國內對蔬菜的有序收獲進行了一些研究，輸送是葉類蔬菜有序收獲的關鍵步驟，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)大麻收割機切割-輸送參數（切割速度、切割位置、鏈條輸送速度、夾持點水平間距）對切割效率、輸送率的影響，通過二次正交旋轉組合試驗，采用Design-Expert進行數據優(yōu)選，得出最優(yōu)參數組合；章永年等[13]對莖葉類蔬菜有序收獲進行了研究，通過建立有序夾持輸送力學模型確定了柔性夾持輸送機構傾斜角、輸送帶寬度、輸送速度等影響輸送效果關鍵參數范圍；張濤等[14]通過對青菜頭的種植、農藝及生物學特性研究，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。Nang等[15]為使結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動學模型，探究輸送帶寬度、連桿長度、輸送速度等參數與白菜輸送效率的關系，確定保證白菜輸送損傷最小的最佳參數組合。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，在設計整株有序拔取輸送裝置時，也多采用萬能試驗機進行莖稈壓縮和拉伸試驗以獲取蔬菜的力學特性。測量過程是用一側壓頭施加載荷，而實際夾持輸送過程中是兩側輸送帶向中間用力，故獲取的數據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械損傷，設計了一套夾持參數測量儀，基于獲取上海青的宏觀損傷臨界力參數，對夾持輸送過程中受到擠壓造成機械損傷的可能影響因素進行試驗，探究不同因素對力學參數的影響，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，三瓣外側葉梗環(huán)成圓。隨機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 測量設備結構和試驗原理

夾持參數測量平臺（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，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，導程4 mm，滑臺有效行程400 mm，滑臺頂部配有步進電機，扭矩1.2 N·m，電流3 A，步距角1.8°。

圖1 測量平臺結構Fig.1 Measurement platform structure

收獲時產生的機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，通過夾持壓縮試驗模擬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、外側葉片呈自然狀態(tài)，兩側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、外側葉片之間存在空隙，左右兩側輸送帶對上海青葉片進行夾持，材料A的彈性模量較大，形變量可忽略不計，使其接觸部分向內擠壓，內、外側葉片間隙縮小，未接觸部位向外凸出，導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向兩側凹陷對上海青產生包裹作用。

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

1.3 夾持輸送過程力學模型建立

對夾持輸送過程進行分析，建立上海青夾持力學模型。如圖3所示，當上海青完全進入輸送帶時，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分析Fig.3 Mechanical analysis of Pakchoi clamping and conveying process

式中，m為上海青的質量，g；k為安全系數，數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。

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，應該滿足安全系數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k值不應過大，綜合考慮安全系數k取值1.5。

1.4 試驗因素和方案

1.4.1 試驗因素的參數確定 針對上海青的夾持，考慮帶其自身的柔軟性，加入2種不同的柔性材質夾持材料B(花紋輸送帶)和C（藍布海綿皮帶），與夾持材A（橡膠輸送帶）進行對比。測定其與上海青莖稈之間的最大靜摩擦系數以及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測量Fig.4 Measurement of the maximum static friction coefficient between Pakchoi and the clamping material

為更加準確地表達夾持材料的硬度，將3種不同材質的夾持材料裁成半徑50 mm的圓形塊，利用萬能試驗機進行壓縮試驗測量，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點高度應該小于等于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K的長度，由于上海青莖稈上下直徑相差不大，可以認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行高度標定，以上海青底部為基準點、1 cm為間距在葉梗處進行標記，再將傳感器連接至電腦進行校零。將夾持材料用螺釘固定在夾板上開始試驗，調節(jié)夾板角度至指定值，將已經標記好高度位置的上海青放置在夾板中間，手動調節(jié)控制器使兩側夾板與上海青臨界接觸，再調節(jié)為自動模式，勻速向中間擠壓上海青，觀測應力與應變的曲線變化，當曲線在上升期間出現(xiàn)了下降再上升的現(xiàn)象，停止擠壓，試驗結束。將應力應變曲線中開始下降的位置中的應力記為破損臨界力，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，采用Box-Behnken設計試驗進行響應面分析以尋找最優(yōu)解。3種材料表面材質均不同，材料B接觸表面為棉麻材質，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 結果與分析

2.1 影響因素的參數

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構的設計[13]，其柔性夾持輸送機構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處的直徑進行了測量，結果如表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，標準偏差最小值為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處標準偏差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的主要因素。對3種不同材質的夾持材料與整株上海青進行接觸試驗，結果如表4所示，最大靜摩擦系數表現(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結果Table 4 Parameter under different clamping material

2.2 響應曲面結果及分析

根據Box-Behnken試驗方案進行上海青破損壓縮試驗，利用Design-Expert軟件設計17組試驗，結果如表5所示。

表5 試驗方案與結果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軟件進行響應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R2=0.956，表明該回歸模型可以代替真實試驗對結果進行分析，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，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 對試驗結果進行多元回歸擬合，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R2=0.986 7，說明所得模型擬合度較高，響應曲面分析結果可信度較高。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，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)數值變量，所以將3種夾持材料依次作為固定條件進行參數優(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，以夾持材料為固定變量，利用Design-Expert軟件進行尋優(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存在影響。當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關系Fig.8 Relationship between test factors and evaluation indicators

當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，夾持高度太低會導致夾持輸送帶下沿與地面接觸，進而影響輸送帶正常運轉；當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。當輸送帶材質較硬時，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生塑性變形，嚴重的甚至會導致上海青與輸送帶接觸部位發(fā)生折斷現(xiàn)象；當材質較軟時，在夾持力的作用下輸送帶向兩側凹陷，若夾持力較小時上海青莖稈則不發(fā)生形變；當夾持力較大時上海青葉片間的間隙將會消失，此時軟性材質的輸送帶會進一步變形，而試驗中破損壓縮量也會增加。相較于軟性材質的輸送帶，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式割刀將其從土上割斷，再利用柔性輸送帶運送至收集箱中。為實現(xiàn)葉類蔬菜的夾持輸送過程，需要對其壓縮力學特性進行研究。本研究在萬能試驗機的基礎上設計了夾持參數測定平臺，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系。夾持高度對上海青的破損存在較大的影響，農業(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生機械性壓傷的主要來源。

利用Box-Behnken方法設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在最小夾持力和破損臨界力之間。