温室雾培蔬菜收获机收获机构的研究设计
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温室雾培蔬菜收获机收获机构的研究设计
高国华，王天宝 (北京工业大学机械工程及应用电子技术学院，北京 100022 【摘 要】摘 要：雾培种植具有节约空间、增大产量等特点，是一种新型的种植模式，代表了未来农业种植的方向。为此，针对雾培蔬菜收获劳动强度高、收获效率低等问题，创新性地对温室雾培蔬菜收获机中收获机构进行系统性设计，达到对雾培蔬菜快速稳定收获切根的目的要求。依据人工收获流程及定植板的实际特征，利用SolidWorks对蔬菜收获机构进行方案设计，在设计过程中参考了成熟的工程案例，选取合适的切根方法和刀具结构，减少了切削方式及振源振动对收获切根的影响。运用SolidWorks Motion对收获机构中的切根机构的运动稳定性进行验证，证明了切根机构在工作过程中可以稳定运行，保持稳定的加速度。利用ANSYS对收获机构中的夹取手爪和切根手爪进行有限元分析，确保关键结构的强度和刚度达到工程技术要求，有效地减少了生产资源的浪费，同时 【期刊名称】农机化研究 【年(卷,期】2015(000010 【总页数】7
【关键词】雾培蔬菜;收获机械;创新设计;有限元分析 缩短了结构设计的时间，并为样机制作提供了坚实的基础。
0 引言
雾培种植属于无土栽培，具有节约空间、增大产量的特点，适应我国可耕土地减少的国情，将成为我国未来农业生产中一种重要栽培方式［1］。雾培种植技术可较大程度地按数量化指标进行耕作，有利于实现农业种植的机械化、自动
化［2］。
目前，针对温室定植板雾培种植，国外以荷兰、日本为代表的一些国家研究深入，发展较为成熟。日本早在90年代就已经在植物工厂中开展了自动化温室雾培技术的研究，并且在播种育苗环节拥有了先进的生产线［3］，但是蔬菜收获及移栽等环节仍以人工为主。国内目前以土培的蔬菜收获机为主，已经研发出高效的土培生菜收获机，可大幅提高收割效率，有效地对蔬菜进行收割［4－11］;但是雾培蔬菜种植和收获还处于人工阶段。因此，国内外对于雾培蔬菜收获技术机械化还处于空白阶段，随着雾培蔬菜种植在我国的占有率逐渐增大，研制高效率、低成本的雾培蔬菜收获机具有创新性和重要意义。北京工业大学机械创新实验室创新性地设计了一台温室雾培蔬菜收获机，该设备可以达到降低人工收获强度、提高工作效率及实现雾培蔬菜收获的自动化的目的。 本文针对雾培蔬菜收获机中核心部件—收获机构进行系统性的设计，主要包括蔬菜夹取机构和切根机构。其中，蔬菜夹取机构可以满足同时对多棵蔬菜聚拢夹紧的要求，并为切根机构平稳工作提供保障。
1 雾培蔬菜收获机总体设计
1.1 蔬菜及定植板状况分析
本设计主要针对种植在定植板上的中小型叶类蔬菜的雾培收获，以小白菜为例。与普通土培蔬菜相
比，温室雾培的蔬菜更加饱满，其根系比较发达，并附有培养基质(海绵块，如图1所示。设h为蔬菜高度，d为蔬菜叶的直径，β为蔬菜叶的生长角度。通过实测，取为h=150mm、d=150mm、β=25°。 温室雾培蔬菜种植在泡沫塑料制成的定植板上
(见图2，形状为长方形，种植槽为圆形。经实际测量，定植板大小约长1.1m，宽0.54m;种植槽为圆形，呈5×6分布。
2 雾培蔬菜收获机收获机构设计
雾培蔬菜收获机收获机构是温室雾培蔬菜收获机的核心机构，包括蔬菜夹取机构和蔬菜的切根机构。雾培蔬菜收获首先经过夹取机构将蔬菜聚拢夹紧，然后切根机构完成快速、稳定切根。 2.1 技术要求
经过人工流程分析和参考实际工程背景，目前主要技术要求如下:
1夹取手爪聚拢夹紧蔬菜，保证夹紧力F大小约为4N。既要保证夹紧蔬菜使得切根稳定运行，也要保证在夹紧时不破坏蔬菜。
2刀具在切根过程中需要快速、稳定地切除蔬菜饱满根系，并去除固定在根上的海绵块。根据设计要获的人工作业流程主要分为:运输定植板、收获蔬菜、 1.2 雾培蔬菜收获人工作业工艺流程分析
通过查阅相关资料及实地调研，定植板雾培蔬菜收构。雾培蔬菜收获首先经过夹取机构将蔬菜聚拢夹紧，然后切根机构完成快速、稳定切根。 1.3 雾培蔬菜收获机总体方案
根据上述人工作业流程及对蔬菜和定植板实际特征分析，借助SolidWorks三维建模仿真及机械设计理论计算进行方案和结构设计，如图3所示。定植板雾培蔬菜收获机按照功能可将其分3个机构模块，每个模块间有着紧密联系。 1定植板运输机构。实现定植板的运输、压稳、回收，为整机的机架部分。 2蔬菜收获机构。实现对蔬菜的夹取、聚拢及快速稳定切根，并除去根部海绵块，分为蔬菜夹取机构和蔬菜切根机构。
温室雾培蔬菜收获机收获机构的研究设计
