履带自走式甘蓝收获机研究及称重系统开发

摘要

甘蓝是一种结球类蔬菜，在我国大部分地区均有广泛种植。目前，我国的甘蓝收获仍需依靠人工作业，劳动强度大、人工成本高、生产效率低等负面效益正日渐凸显。采用机械化收获是解决上述问题最切实可行的方法。本论文以我国南方江浙地区的甘蓝为研究对象，在甘蓝物理力学特性研究的基础上，结合虚拟样机技术与田间试验，设计并试制了一种履带自走式甘蓝收获机物理样机;研究了适宜于机械化收获的甘蓝种植农艺规范;开发了一套甘蓝动态称重系统。主要研究内容和结论如下:
　　(1)甘蓝物理力学特性的研究。选取了江浙地区的主要甘蓝品种，测量了甘蓝的主要物理形态参数。统计结果表明，甘蓝品种之间、同品种甘蓝个体之间都存在着一定的差异性。基于化学分析仪器和万能试验机，进行了甘蓝根茎部的切割部位试验、切割力正交试验、切割劈裂破损试验。试验结果表明，影响甘蓝根茎部切割力指标的主要化学组成成分是粗纤维，最大切割力和平均切割力均与粗纤维含量呈线性关系，相关系数R2分别为0.9491和0.9756，甘蓝根茎部直径为30～35 mm的区间为最佳切根区域。在甘蓝收获机切根装置的设计中，应考虑采用单点夹持方式，滑切和向下削切的切割方式，同时设置较低的切割速度;为降低单点夹持方式下的劈裂破损水平，建议切割位置在切割面直径32 mm处，滑切角和切割速度分别设置成30°和300 mm/min的参数组合。
　　(2)履带自走式甘蓝收获机及关键部件的设计、分析与整机集成。在甘蓝物理力学特性研究的基础上，比较分析了甘蓝收获机的动力底盘行走方式、拔取方式、输送方式、切根方式、剥叶方式，确定了履带自走式甘蓝收获机的收获工艺流程和总体方案。利用三维设计软件和有限元分析软件，设计了一种引拔铲配合拨轮的铲式拔取装置，一种双横向输送带配合锯齿式输送链的输送提升装置，一种莲座切割的双圆盘刀式切根装置，一种辊式剥叶装置，以及液压动力系统，试制了甘蓝收获机物理样机。经过调试与改进，本论文的甘蓝收获机设计方案可行，各工作部件均运转正常，性能稳定，能够完成甘蓝的拔取、输送、切根、剥叶、装箱等基本作业。
　　(3)履带自走式甘蓝收获机的田间试验与改进。提出了甘蓝收获机田间作业与性能检测的方法，进行了6轮履带自走式甘蓝收获机的田间测试试验，完成了田间检测。结合田间测试试验结果，改进了甘蓝收获机的引拔铲、防陷托板、双横向输送带、锯齿式输送链、切根装置等关键部件的结构与参数。检测结果表明，该甘蓝收获机适宜收获球径为15～25 cm的甘蓝，纯生产率为0.21 hm2/h，拔取率为97.4％，切根合格率为89.8％，剥叶合格率为88.2％，作业损失率为4.8％。
　　(4)适宜于机械化收获的甘蓝种植农艺规范的研究。对比传统甘蓝种植模式，提出了一种适宜于机械化收获的甘蓝种植农艺规范，进行了不同种植模式、不同甘蓝品种条件下的甘蓝收获机田间对比试验。试验结果表明，符合农艺规范的甘蓝种植有利于提高收获机的作业性能，拔取率均值提高了5.6％，切根准确率均值提高了3.3％，而作业损失率均值降低了6.4％;甘蓝收获机在收获不同甘蓝品种时表现出不同的作业性能，在收获尖包形态的春丰甘蓝时，拔取率均值比在收获圆包形态的兰州包时高出将近8.3％，切根合格率均值和切根准确率均值分别下降了6.0％和8.9％，但作业损失率相差并不大。
　　(5)甘蓝动态称重系统的开发。为了开发出甘蓝收获机的田间测产系统，设计了一种基于动态称重技术的甘蓝称重系统试验平台，包括机械结构部分和基于LabVIEW的数据采集部分，完成了系统的设计、试制、调试、传感器的标定与校准、有效称重数据的提取。实验室试验结果表明，该系统在输送速度分别为0.1 m/s、0.2m/s和0.3m/s时，称重数据与实际数据的R2分别为0.9918、0.9874和0.9845，表现出良好的称重准确性和稳定性。
　　本论文研制的履带自走式甘蓝收获机，采用全液压动力系统，结构紧凑、设计合理，检测结果表明该甘蓝收获机已具备甘蓝机械化收获的能力。提出的适宜于机械化收获的甘蓝种植农艺规范，有利于提高甘蓝收获机的作业性能。开发的甘蓝动态称重系统试验平台，是后续实现甘蓝收获机田间测产系统的基础。上述研究为我国甘蓝的机械化收获提供了理论与研究依据，有助于我国甘蓝的收获朝着机械化、自动化、智能化的方向发展。

目录

声明

摘要

目次

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 蔬菜收获机械的研究现状与发展

1．2．1 国外蔬菜收获机械的研究

1．2．2 国内蔬菜收获机械的研究

1．3 甘蓝收获机械的研究现状与发展

1．3．1 国外甘蓝收获机械的研究发展

1．3．2 国内甘蓝收获机械的研究现状

1．4 现有研究的不足

1．5 研究内容和技术线路

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线

1．6 本章小结

第二章 甘蓝物理力学特性的研究

2．1 作物茎秆物理力学特性的研究动态

2．2 试验材料、仪器与方法

2．2．1 试验材料

2．2．2 试验仪器

2．2．3 试验方法

2．3 甘蓝物理形态参数统计与分析

2．4 甘蓝根茎部的切割部位试验与分析

2．4．2 甘蓝根茎部切割力的理论分析

2．4．3 甘蓝根茎部切割力指标的回归分析

2．4．4 甘蓝根茎部化学组成成分的回归分析

2．4．5 切割力指标与化学组成成分的相互关系分析

2．5 甘蓝根茎部的切割力正交试验与分析

2．6 甘蓝根茎部的切割劈裂破损试验与分析

2．6．1 甘蓝根茎部切割劈裂破损的理论分析

2．6．2 甘蓝根茎部切割劈裂破损的单因素试验与分析

2．6．3 甘蓝根茎部切割劈裂破损的多因素试验与分析

2．7 本章小结

第三章 履带自走式甘蓝收获机的收获工艺流程与总体方案

3．1 我国南方甘蓝的传统种植模式

3．2 甘蓝收获机械的设计依据

3．3．1 动力底盘行走方式的确定

3．3．2 甘蓝拔取方式的确定

3．3．3 甘蓝输送方式的确定

3．3．4 甘蓝切根方式的确定

3．3．5 甘蓝剥叶方式的确定

3．3．6 甘蓝机械化收获的工艺流程图

3．4 履带自走式甘蓝收获机的总体方案

3．4．1 甘蓝收获机的总体结构

3．4．2 甘蓝收获机的工作原理

3．4．3 甘蓝收获机的液压动力系统

3．5 本章小结

第四章 履带自走式甘蓝收获机的关键部件设计、分析与整机集成

4．1 拔取装置的设计与分析

4．1．1 拔取装置的结构设计

4．1．2 引拔铲的参数设计与分析

4．1．3 拨轮的参数设计与分析

4．2 输送提升装置的设计与分析

4．2．1 输送提升装置的结构设计

4．2．2 输送提升装置的参数设计与分析

4．3 切根装置的设计与分析

4．3．1 切根装置的结构设计

4．3．2 切根过程的力学分析

4．3．3 圆盘刀片的模态分析

4．4 剥叶装置的设计与分析

4．4．1 剥叶装置的结构设计

4．4．2 剥叶过程的力学分析

4．4．3 剥叶过程的仿真分析

4．5 履带自走式甘蓝收获机的整机集成与测试

4．5．1 甘蓝收获机加工制造的一般要求

4．5．2 甘蓝收获机物理样机的试制

4．5．3 甘蓝收获机的空载测试

4．6 本章小结

第五章 甘蓝收获机的田间试验与甘蓝农艺种植规范的研究

5．1 甘蓝收获机田间试验与性能检测

5．1．1 试验地的选择

5．1．2 作业性能指标的要求

5．1．3 作业性能指标的测定

5．2 甘蓝收获机的田间测试试验与改进

5．3 甘蓝机械化收获的农艺种植规范和田间试验

5．3．1 甘蓝机械化收获的农艺种植规范

5．3．2 田间试验内容与试验方法

5．3．3 试验结果与分析

5．4 履带自走式甘蓝收获机的检测

5．5 本章小结

第六章 甘蓝动态称重系统的研究

6．1 果蔬类收获机田间测产技术的研究动态

6．2 基于动态称重技术的甘蓝称重系统设计

6．2．1 甘蓝称重系统的机械结构部分设计

6．2．2 甘蓝称重系统的数据采集部分设计

6．2．3 甘蓝称重系统的标定与校准

6．2．4 甘蓝称重系统的测试试验与分析

6．3 甘蓝动态称重系统的称重试验与分析

6．3．1 试验材料

6．3．2 试验方法

6．3．3 试验结果与分析

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

致谢

插图清单

表格清单

研究生期间主要成果