基于土壤-植株-部件交互的绿叶菜整株连续收获损伤机理与低损伤优化

Fresh tender and juicy leafy greens harvesting easily lead to injury, it has become the bottlenecks of most time-consuming, laborious production and lowest mechanization. Existing stubble cutting, loose leaf harvesting methods issues the presence of the high rate of loss, and etc. This project learned from artificial leafy greens harvesting mode, proposed the bionic harvesting design to achieve a continuous harvest of the whole leafy greens. This project takes the bionic harvest process for the study, from the interactive perspective among the soil, plant and machine parts, using the discrete element methods and the flexible multi-body dynamics technology, combined with theoretical analysis, numerical simulation and experimental testing, on the basis of soil and greens the physical characteristics testing, to establish the constitutive equations of root and soil shovel cutting, root pruning off from soil, soft extracting and other sub-processes, coupling the biomechanical injury constraints and movement collaborative equation with shovel cutting and soft extracting, and to achieve a comprehensive description of the bionic harvesting kinetic model, and to establish the interfacial boundary of nondestructive harvest fields in the state space spanned by design parameters and operating parameters, to reveal the mechanism of harvesting injury by the harvesting patterns deviation characterization from nondestructive harvest field, to analyze the mapping between harvesting patterns evolution and damage mode characteristics, to optimize in bionic harvest design parameters and operating parameters overall space to obtain low damage, to provide a theoretical basis of the optimization in design and operating parameters control for the realization of the whole leafy greens low damage efficient harvest, to enhance leafy greens harvest mechanization level.

鲜食绿叶菜柔嫩多汁极易导致收获损伤，已成为生产中机械化率最低、费力耗时最多的瓶颈环节。现有留茬切割、散叶收获方式存在损失率过高等问题。前期借鉴人工收菜的收获方式，提出仿生采收设计思想以实现绿叶菜整株连续收获。项目以仿生采收过程为研究对象，从土壤、根茎叶和作用部件交互的视角，运用离散元和柔性多体动力学计算，结合理论分析、数值模拟和试验验证，在测试绿叶菜和土壤物理特性基础上，建立根土铲切、断根脱土、柔顺拔取等子过程的本构方程，耦合生物力学损伤约束和铲切与拔取协同的运动方程，形成仿生采收动力学模型；在设计参数和工作参数空间建立无损采收域边界，揭示采收模式与无损采收域偏离度表征的收获损伤机理，解析采收模式的演化规律与损伤特性的映射关系；在设计参数与工作参数空间进行低损伤采收模式统筹优化，以实现整株绿叶菜低损伤高效采收，为采收装备优化设计与工作参数控制提供新思路和新方法，提升绿叶菜收获机械化水平。

针对绿叶菜茎叶作为食用部位，柔嫩多汁，在收获过程中直接与作业部件互作极易出现作业损伤问题，需要发展新型机械采收模式和低损伤作业部件设计，实现对绿叶菜的高效低损采收。本项目从绿叶菜整株连续收获和低损伤作业部件设计两方面着手，重点研究了：. 构建绿叶菜生物力学模型，形成了绿叶菜损伤约束条件和损伤边界。以菠菜为研究对象，测试了挤压作用下菠菜根、茎的粘弹性物料特征参数，建立了适用于菠菜等绿叶菜的粘弹塑性本构关系及改进的Burgers蠕变模型；测试了不同作用力性质下菠菜茎杆的物理损伤特性，提出了菠菜收获过程中机械损伤约束条件，获得了夹持输送过程中的损伤边界。. 分析了绿叶菜机械收获过程中的物-场（土壤-植株-部件的机械场）交互关系，确定了绿叶菜有序机械采收的新型模式，机械采收分为三个子过程：破土铲根子过程、夹持拔取子过程、夹持输送子过程，推导了相应子过程的力学关系；并将该采收思想应用于大白菜采收。. 研究了浅根系绿叶菜的根系形态特性，建立了根-土简化复合离散元模型，设计了新型根切铲，研究了铲切过程根-土的运动学和土壤扰动规律，以根系聚拢与土壤起垄程度为评价指标，对根切铲结构参数和工作参数进行了设计与优化。. 创新提出了一种变刚度柔性夹持机构，分别对凸轮摆杆机构和浮动夹持机构进行了运动学和力学分析。建立了低损伤顺利夹持模型，以绿叶菜低损伤顺利夹持拔取条件为优化目标，对柔性夹持机构进行了优化设计。根据绿叶菜连续收获低损采收理论研究成果，搭建了绿叶菜低损有序采收平台，并开展了绿叶菜采收试验，验证了理论模型的有效性。将损伤控制理论应用于白芦笋采收机构设计，还创新性地将连续采收理论应用于果品半连续采收。. 项目发表论文13篇，其中SCI/EI收录7篇，一篇论文被Biosystems Engineering接收。申请国家专利29项（发明16项），授权发明专利3项，实用新型13项，软件著作权1项。参加国内外学术会议8人次，培养博士生2名，硕士生7名，获得山东省研究生优秀成果奖1项。