面向机器人采摘的荔枝果梗力学特性

为了给荔枝采摘机器人夹持与切割器的设计和控制提供依据,对荔枝果梗分别进行了切割性能和夹持性能的影响因素试验以及弯曲试验。试验结果表明:峰值切割力和切割强度随着切割速度增加而减小,随着切割角度的减少而减少,凹刃和凸刃的峰值切割力和切割强度都比平刃小;除果梗直径因素外对峰值切割力和切割强度影响显著的因素均依次为切割角度、刃口形式和切割速度;切割角度每减少1,峰值切割力和切割强度分别减少4.45N和0.16MPa;相比平刃的峰值切割力和切割强度,凸刃分别减少166.90N和2.11MPa,而凹刃分别减少167.39N和4.21MPa。随着夹持力增加,荔枝果梗与夹持物间摩擦力增加,夹持物为橡胶时,摩擦力最大,夹持力对摩擦力的影响大于夹持材料;试验范围内,最大摩擦力为44.54N。荔枝果梗具有较强的抵抗变形的能力,平均弹性模量为867.15MPa;试验范围内,最大弯曲力的平均值为118.95N,抗弯强度的平均值为56.03MPa。该研究为荔枝采摘机器人的夹持与切割机构的优化设计和控制提供了理论依据。     

人工石质边坡构树根系抗剪特性研究

研究构树根系抗剪切特性,可为岩石边坡生态防护提供理论依据。采用室内单根抗剪切试验分析了上、下坡向,一级、二级、三级侧根的抗剪切强度和应力—应变曲线。结果表明:下坡向根系数量、根径大于上坡向,根系平均长度小于下坡向;根系的剪切力-应变曲线与其生长方位、根径、根系分级有相似的曲线形状;分级根系的剪切力为一级>二级,下坡向一级根系剪切力大于上坡向,但二级根系剪切力反而小,最大剪切力随根径增加而增大;根系的抗剪强度随着根径的增大而减小,呈线性关系;抗剪强度值随着根径的而增大;下坡向根系平均抗剪强度大于上坡向,各根系平均抗剪强度为一级>二级>三级,但上下坡向和各级根系间无显著差异。抗剪强度是影响边坡稳定的重要因素,它既可以加固土体,又能影响植物的锚固作用。     

石匣小流域整地措施对土壤剪切性质的影响

为了解坡面整地措施对坡体稳定性的影响和土壤物理性质对土壤抗剪强度的差异性,选取石匣小流域4个标准样地,通过测量多个土壤物理性质指标(土壤容重、土壤含水率、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、紧实度和液限),研究不同坡面整地措施的土壤临界剪切力随深度的变化,以及土壤抗剪切破坏能力的强弱关系和影响因素。结果表明:原状土的临界剪切力随深度的增加而增加;通过库伦公式得出的土壤抗剪强度与土壤临界剪切力的回归方程为σ=0.0123τf+0.6308。土壤物理性质对抗剪强度的影响不同,紧实度、容重与含水率对抗剪强度的影响相对较大。对于不同的坡面整地措施,土壤抗剪切能力强弱顺序为梯田水平条裸地,其中,在水平条上种植针叶树,土壤抗剪切能力优于种植阔叶树。在北京石匣地区,布设坡面整地措施时,需因地制宜地增加田面宽度,并种植针阔混交林以增加土壤抗剪强度。     

灾害蝗虫附着系统爪尖的剪切强度测算

蝗虫爪尖能够形成用于稳固附着的机械锁合,抑制蝗虫在捕集滑板表面的滑移行为。为获取用于蝗虫捕集滑板研制的爪尖强度信息,利用自行设计的昆虫微力测试系统测试了蝗虫前足、中足、后足爪尖的剪切力;采用扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)分析了蝗虫爪尖及其断裂面的微形貌结构与几何特征,计算了爪尖断裂面的截面积,并据此测算了蝗虫爪尖的剪切强度。结果表明爪尖的剪切力介于197.4~243.6 mN,其中前足爪尖的剪切力最大,后足居中,中足最小;爪尖断裂面表现出层状的复合结构且具有显著不同的截面积(10 847.6~13 908.5μm2);测算结果表明蝗虫爪尖的剪切强度介于14.2~22.5 MPa。该研究可为研制具有良好滑移功能蝗虫捕集滑板提供参考,并可促进灾害蝗虫光电诱导滑移捕集技术的发展。     

棉花秸秆剪切力学性能试验

为了获取棉花秸秆低茬切割力学特性参数,采用微机控制电子式万能试验机（WDW-5E）,对棉花秸秆剪切力学性能进行了研究。对棉花秸秆在不同时间、不同含水率的剪切强度和剪切功的变化进行了试验研究。试验结果表明：棉花秸秆剪切强度与含水率密切相关,棉花秸秆含水率在30%～50%之间时剪切强度和剪切功均是较低的,而当含水率过高或者过低时剪切强度和剪切功较高,含水率在60%左右时达到高峰。棉花秸秆的剪切强度在0.6～1.8 MPa范围内,棉花秸秆剪切功在1～4.5 Nm范围内。由此可以确定出在12月中下旬的一个月内为收获棉花秸秆的最佳时期,此时收获可节省16.4%的剪切功。     

两种方法测定根-土复合体抗剪强度试验对比研究

为了便捷、有效且减少地表破坏面积地原位测定根—土复合体抗剪强度,采用改制后的十字剪切仪在青海大学校内原生植被生长的试验区,分别进行了三种植被覆盖度和三种含水量条件下根—土复合体原位十字剪切试验和室内直接剪切试验。试验结果显示:当土体含水量相同时,室内直剪试验测得的根—土复合体平均粘聚力为20.39~36.49kPa,原位十字剪切试验测得的根—土复合体抗剪强度为35.92~102.36kPa;当植被覆盖度相同时,室内直剪试验测得的根—土复合体平均粘聚力为32.46~23.32kPa,原位十字剪切试验测得的根—土复合体抗剪强度为109.7~68.12kPa。两种试验结果均表现为:根—土复合体的抗剪强度随植被覆盖度的增大而增大,随含水量的增大而减小。原位十字剪切试验测得的根—土复合体抗剪强度值大于直接剪切试验所测得的剪切强度值,平均增幅达到94.23%。两种试验结果产生差异的主要原因是由于剪切过程中剪切方式、破坏面积、受剪根系的数量及破坏程度不同而造成。其中,原位十字剪切试验是在原位不破坏土体结构和根系分布的基础上,将根—土复合体完全剪破,相对更能准确、直观地反映边坡滑坡过程中的变化规律。     

豆禾牧草茎秆的力学特性试验

为了应用力学性能指标对豆禾牧草茎杆进行评价，以多年生豆科牧草紫花苜蓿、绿宝石小冠花和禾本科牧草扁穗冰草、无芒雀麦4个品种刈割期茎秆为试验对象，在500 N微机控制电子万能试验机上进行拉伸和剪切试验，测得4个品种拉伸和剪切（砍切、斜切和滑切）的最大载荷、应力、应变和弹性模量等力学指标。用统计软件对牧草茎秆力学特性进行相关性分析。结果表明：豆禾牧草的抗拉强度与其直径之间呈幂函数负相关关系；刈割期茎秆外径差异不大，豆科略大于禾本科牧草，但禾本科牧草抗拉强度是豆禾牧草的3～4倍；茎秆抗剪切强度均随直径增大有减小的趋势；加载速度为100 mm/min时，砍切的切割阻力最大，斜切的切割阻力比砍切低30%～40%；当滑切角为30°时，滑切阻力比砍切阻力降低50%～60%。试验结果为设计牧草收获机、打捆机及深加工等机具提供了理论依据。     

嫁接幼苗正压气流导向方法及参数优化

负压吸附把持手具有对幼苗苗径变化适应性强、减少幼苗把持损伤的优点,但其难以实现对弯曲幼苗的自动吸附把持。针对上述问题,该研究提出了一种利用正压气流对弯曲幼苗进行导向的作业方法。以常见嫁接用黄瓜幼苗为代表进行研究,考察正压气流对纤细幼苗导向效果。首先进行了弯曲应力测定,结果表明,对于长轴平均直径为(1.82±0.07)mm、短轴平均直径为(1.47±0.02)mm的黄瓜幼苗在10 mm长度上矫正5 mm弯曲偏差时所需最大弯曲力平均值为(0.082±0.005)N;针对黄瓜幼苗进行了单管正压气流导向试验并进行高速摄影记录,结果表明,当正压气管内径为4 mm,负压把持手吸嘴口与正压气管口间距为25~30 mm,导向气压为0.3 MPa时,导向成功率为93.3%;为改善导向效果,对黄瓜幼苗进行双管正压气流导向试验,结果表明,在正压气管内径4 mm条件下,当负压把持手吸嘴口与正压气管口间距为20~25mm、导向气压为0.3 MPa时,黄瓜幼苗导向成功率为100%。该研究结果可为基于气力导向方法的幼苗把持作业提供技术参考。     

轴流式和切流式机械脱粒对稻谷损伤及加工品质的影响

为确定不同机械脱粒滚筒收获方式对收获后稻谷品质性状的影响,以手工收获方式稻谷为对照组,对轴流式和切流式脱粒滚筒收获方式收获稻谷的品质性状进行研究,检测不同收获方式稻谷的裂纹率、裂颖率、发芽率、幼苗生长、腹部与背部作为承压面糙米的三点弯曲破碎力、加工品质指标等。测试结果表明:机械脱粒方式收获稻谷与手工收获方式相比,裂颖率增加,发芽和幼苗生长、三点弯曲破碎力和加工品质降低,其中裂颖率最大增加约35.6%,发芽率降低最大达53%,茎秆长度最大降低15 mm,根数量最大降低2.4个,腹部和背部三点弯曲破碎力减小最大值为4.5和3.8 N,整精米率最大降低12.11%;而切流式脱粒滚筒收获方式收获稻谷与轴流式相比,裂颖率较大,发芽率降低达34%~51%,茎杆长度降低最大达12.6 mm,根数量降低最大达1.8个,腹部和背部三点弯曲破碎力差异较小,整精米率降低10.38%。总体来说不同机械脱粒收获方式对稻谷的品质性状影响具有差异性,轴流式脱粒收获方式对稻谷的机械损伤小于切流式脱粒收获方式,机械脱粒损伤稻谷品质性状的评价应该根据稻谷具体使用目的进行客观全面的评价。     

重庆缙云山典型植被原状土与重塑土抗剪强度研究

为了从土壤力学方面探索防治水土流失的途径与措施，该文采用直剪仪对重庆缙云山5种典型植被的原状土和重塑土抗剪强度进行试验测定。通过比较相同植被同干密度、同含水率的原状土与重塑土在同一垂直荷载下的剪切差异，分析了根(极细根)在土壤－根系复合体(原状土)中的作用。研究结果表明：原状土剪切位移小于重塑土；在相同垂直荷载作用下，同一植被原状土的抗剪强度大于与其同干密度、同含水率的重塑土。原状土的剪切破坏近似于塑性破坏，而重塑土则属于弹性破坏；原状土的抗剪强度与含根量呈正相关，并以此建立关于原状土的抗剪强度回归模型。     

顶钵-夹茎组合式取苗装置设计与试验

针对现有钵苗自动移栽技术中,夹钵式取苗方式受钵体强度及盘根性差异影响易导致钵体破损,降低取苗成功率,夹茎式取苗方式受茎秆强度及钵体与穴盘之间黏附力影响易造成伤苗、钵体不能取出等问题,该研究提出了一种顶钵-夹茎组合取苗方式,并进行了结构设计、装置试制与试验优化。对辣椒穴盘苗茎秆和钵体力学特性进行了测试,得到茎秆拉伸和径向压缩力学特性,及钵体拉拔与压缩力学特性,并建立了顶钵-夹茎组合式取苗装置在顶与夹过程中钵体和茎秆的受力模型,对取苗装置关键参数进行了设计。搭建试验台架,以“中农绿亨线椒363”穴盘苗为对象,以钵体含水率、取苗频率和顶钵高度为影响因素开展正交试验,结果表明经顶钵-夹茎取苗后的穴盘苗生长状态良好,确定最优水平为含水率45%,取苗频率60 株/min,顶钵高度10 mm,该条件下钵体破损率为1.98%,取苗成功率为98%。田间试验表明平均取苗成功率为93.05%,株距合格率为88.17%。本研究可为辣椒、番茄等旱地作物穴盘苗移栽技术改进优化提供参考。     

油菜移栽机分苗装置分苗过程与钵苗钵体完整性分析

针对部分分苗装置适应性差、钵体易破损及结构复杂的问题,提出一种输送带式钵苗分苗装置,构建了分苗过程中送苗与分苗阶段的运动学模型,开展了不同挤压方式下的钵体完整性试验,分析得出了输送平稳、钵体完整的条件。结果表明:钵苗在特定基质成份及含水率前提下钵体上边缘最小屈服力为6.8 N,钵体上边缘及侧面受重复挤压力时均有较好的恢复性。钵苗送苗阶段输送平稳性与摩擦系数关系较大,完整性与钵苗自身的屈服力和挤压力有关;钵体在分苗阶段满足完整性前提下,夹持力越大,夹持高度越低,钵苗稳定性越好。分苗合页的动摩擦系数μ1≤0.3375,输送带的动摩擦系数μ2满足0.5μ1μ2≤0.3375,钵苗抗挤压破损力大于1.99 N时,油菜钵苗在送苗阶段可平稳输送且保持完整。该研究为油菜钵苗移栽机结构改进提供了参考。     

棉秆挤压剥皮剪切力学特性试验

针对棉秆重组材原料疏解剥皮的需要,该文利用自制的棉秆剥皮试验台,以测试剥皮剪切强度为目标,对含水率、取样部位、加载强度3个影响因素进行了中心组合试验,对皮附着长度进行了单因素试验,并将泡水软化棉秆和新鲜棉秆进行了比较.结果表明:取样部位、加载强度对轴向与切向剥皮剪切强度影响显著(P＜0.01);含水率对轴向和切向剥皮剪切强度的影响不显著(P＞0.05),三因素间的交互作用均不显著(P＞0.05);加载强度、取样部位、含水率对棉秆剥皮剪切强度的影响依次由强到弱;切向剥皮方式优于轴向剥皮方式;新鲜棉秆的剥皮剪切强度较小,收获后及时剥皮效果好.该研究可为棉秆疏解剥皮装备的设计提供参考.     

土壤含水率对浅层滑坡体不同层次土壤抗剪强度的影响

采用5种土壤质量含水率(0.05,0.08,0.10,0.12,0.15)水平,进行浅层滑坡体不同层次土壤在不同含水率条件下的不固结不排水剪切试验.试验表明,浅层滑坡体不同层次土壤抗剪强度与土壤含水率密切相关.土壤含水率对浅层滑坡体A层、B层和C层土壤抗剪强度指标的影响呈现出相同的规律.A层、B层和C层土壤黏聚力均随着土壤含水率的增加基本呈先增大后减小的趋势,在土壤含水率为0.10左右时土壤黏聚力达到其最大值,在相同土壤含水率条件下,土壤黏聚力的分布规律为C层>B层>A层.A层、B层和C层土壤内摩擦角随着土壤含水率的增加近似呈线性减小,在相同土壤含水率条件下.土壤内摩擦角的分布规律为C层>B层>A层,但就随土壤含水率的增加,土壤内摩擦角减小的速率而言,呈现出B层>A层>C层的规律.消除和减轻地表水的危害是我国西南丘陵山地滑坡灾害防治的重要环节.     

花生机械收获中根、茎、果节点的力学试验与分析（英）

为了降低花生挖掘收获、摘果、脱壳作业,特别是花生联合收获中的掉果率、破碎率,该文利用CTM-4503型万能材料试验机及相关测试设备,对花生收获期前后近一个月(28 d)花生的秸秆、根茎节点、果根节点、果壳结合处分别做了拉伸与剪切力学性能试验与分析.通过试验,得到了花生的秸秆、根茎节点、果根节点、果壳结合处最大许用抗拉与抗剪应力;经力学性能理论分析,确定了花生最佳收获期(以鲁花14为例,最佳收获期为播种后的(122±1) d),给出了现行的花生联合收获采用的夹持收获中最大许用夹持力(49.71 N)和最大许用拉力(70.84 N);通过试验分析得出花生挖掘收获中主要机械损失为根茎节点断裂(95.7%),并根据农业部发布的花生收获机作业质量行业标准所给出的作业质量指标,给出了在花生挖掘收获时的最大拉力(9.51 N);通过花生果结合处的剪切试验,给出了不同时期花生果结合处最大抗剪强度.这为花生收获、摘果、脱壳装置,特别是联合收获装置的研制与优化设计提供了参考.     

推迟灌拔节水条件下种植模式对冬小麦抗倒伏特性和产量的影响

华北平原冬小麦在粮食生产中占据重要地位,受到灌溉用水短缺影响以及生育后期易倒伏减产的制约,冬小麦供需矛盾日益突出。该研究探究了推迟灌拔节水条件下不同种植模式对冬小麦抗倒伏特性的影响,设置宽幅精播(W)与常规种植(C)2种种植模式,每种种植模式设置灌拔节水60 mm(I1)和推迟10 d灌拔节水60 mm(I2)2种灌溉处理,研究冬小麦关键生育期茎秆物理指标,倒数第2节间茎杆力学、抗倒伏指数、蠕变变形量、产量及其组成等指标,探究冬小麦抗倒伏特性综合调优的种植模式和灌溉制度。结果表明,宽幅精播模式下推迟灌拔节水对抽穗期倒数第2节间茎杆抗折力有显著提升的趋势,显著提高了抗弯刚度,显著降低了蜡熟期倒数第2节间茎杆抗折力和抗弯刚度,以及植株蜡熟期鲜质量;宽幅精播模式下推迟灌拔节水显著提高了抽穗期抗倒伏指数,并提升了灌浆期抗倒伏指数,该处理在抽穗期、灌浆期和蜡熟期的抗倒伏指数平均值分别为2.03、1.58和1.87 N/(m·g)。冬小麦倒数第2节间茎杆在施加小于其极限抗折力的不同比例荷载时具有蠕变特性,宽幅精播模式下推迟灌拔节水茎杆蠕变极值平均值在抽穗期最大,灌浆期表现仍然较好,均由减速蠕变过渡到稳定蠕变阶段,蠕变极值范围介于0.6%～3.7%,蠕变极值平均值介于0.7%～2.5%。综合考虑抗倒伏指数和蠕变试验结果,冬小麦在宽幅精播模式下结合推迟10 d灌拔节水处理的抗倒伏特性最优。研究结果可为华北平原冬小麦节水高产提供理论依据和技术支持。     

叶施15N-尿素增加棉花苗期氮素吸收利用的生理生化机制研究

【目的】苗期棉花根系发育缓慢,吸收能力弱,根系吸收的氮素不能满足棉株生长发育的需要,很容易出现僵苗、 弱苗。叶面施氮可以及时补充氮素营养,解决棉花苗期阶段性营养不足的问题。本研究利用15N同位素示踪技术研究喷施尿素对棉花苗期氮素吸收利用及生理生化特性的影响,以明确棉花苗期叶面喷施尿素的适宜浓度,了解其促进棉花生长发育的机理。【方法】本试验选用黄河流域常规栽培品种中棉所79为试验材料,采用随机区组设计,在棉花苗期叶面喷施0.5%、 1%和2%的15N-尿素溶液,以喷清水为对照,调查了尿素不同喷施浓度棉花氮素的吸收利用及生理生化特性。【结果】1)叶面喷施15N-尿素能显著提高棉株15N含量,各施氮处理棉株内15N含量随时间的变化趋势一致,即叶面喷施后2～96 h之间,逐渐升高,96 h达到最高,此后出现下降。2)棉株可以快速吸收叶面喷施的15N-尿素,各处理棉株叶面氮素平均吸收速率的变化趋势一致,因中午气孔关闭,2～4 h出现降低;4～6 h达到最大,期间急剧上升;6～8 h急剧下降,8～12 h下降也较快,12 h后缓慢下降。0～12 h平均吸收速率非常高,为0.23～0.29 mg/(gh)。棉株对于叶施氮素的吸收主要出现在喷施后12 h之内。3)15N-尿素浓度为0.5%、 1%时,叶面吸收显著促进了根系氮素吸收,且根系吸收的氮很快被转运到地上部分。4)1%尿素喷施浓度内,硝酸还原酶、 谷氨酰胺合成酶活性,叶绿素含量的变化趋势一致,均随尿素喷施浓度的增加而提高,在喷施浓度为1%时达到峰值,超过1%后开始下降。【结论】叶面尿素喷施浓度在0.5%～2%之间均能显著提高棉株15N含量,促进棉株的氮素代谢,以1%效果最佳。棉株对于喷施氮素的吸收主要发生在喷施后0～12 h,平均吸收速率为0.23～0.29 mg/(gh),96 h棉株中15N含量达到最高。棉花叶面施氮促进了根系对氮素的吸收。叶面施氮主要通过增强硝酸还原酶、 谷氨酰胺合成酶活性,提高叶绿素含量,增加叶面积,促进叶片的光合作用,以此提高氮素利用效率,增加棉花株高和总生物量。     

滑剪组合式甘蔗根切装置的设计与试验

针对甘蔗切割过程中存在的宿根破头率高的问题，该研究通过分析甘蔗茎秆与刀具之间的相互作用关系，设计了一种基于“滑切+剪切”相组合的甘蔗根切装置，旨在提高根切作业质量。首先，通过分析传统圆盘式根切器的无支撑切割与滑剪组合式根切器的有支撑切割的作用原理，表明有支撑切割可以有效降低茎秆的弯曲阻力和惯性力，因此一定程度上阻止了茎秆产生较大的变形，有效保证了茎秆的切割质量，而滑切可有效降低切割阻力。并通过建立茎秆的根切受力模型，对根切器关键零部件的参数进行确定，采用等滑切角式刀片曲线进行滑切作业，滑切角和刀片刃口角分别为40°和45°。基于 ANSYS/ Workbench对根切器进行了静力学分析及模态分析，得到刀具的屈服强度为450～650 MPa，大于刀具所受最大应力102 MPa，最大变形量为4.94×10^-5 m，满足使用性能要求。切割电机和喂入电机对应的激振频率分别为 0~6.667 Hz 和 0~11.667 Hz，模态分析结果表明两电机的激振频率远小于根切器的一阶固有频率（60.89 Hz），因此不会引起共振现象，能够保障室内试验的顺利进行。搭建了可调刀盘转速、喂入速度及切割倾角的根切试验台，台架单因素试验结果表明当切割倾角、刀盘转速和喂入速度分别在10°～15°、140～220 r/min、1.1～1.7 m/s时，综合评价值较小，切割质量较优。正交试验方差分析结果表明各因素对综合评价值y均有显著影响；正交试验极差分析表明当切割倾角为15°，刀盘转速180r/min，喂入速度为1.4m/s时为最佳试验水平。经试验验证，此时综合评价值为0.256和0.298，切割质量较优。参考DG/T 117-2021 甘蔗收获机械试验方法对甘蔗破头率进行检验，剪切合格率高达90.4%，破头率降低至10%以下，滑剪组合式甘蔗根切器作业质量满足行业要求。本研究可为新型甘蔗根切器的设计与研制提供理论参考。