叶菜在世界范围内种植面积广阔而且种类繁多,种植方式以露地和大棚温室土培为主,随着人类社会的发展,蔬菜种植方式逐渐地融入大量工业技术。近年来,植物工厂开始兴起,它在很大程度上摆脱了自然条件约束,实现了蔬菜生长条件的智能自动调控和流水线工业化种植,但是叶菜生产收获环节的自动化程度仍然不高,蔬菜的采收需投入大量人力,耗时较长,劳动强度高,效率低下。目前,基于流水线生产的叶菜自动化收获装备研究很少,而且现有的叶菜收获机械根本不能在植物工厂流水线上使用。因此,叶菜收获已成为制约工厂化叶菜产业发展的瓶颈,急需研发适用于植物工厂流水线生产的叶菜收获机械。本文以重庆市某植物工厂为研究平台,以现有叶菜种植品种中具有代表性的上海青叶菜为研究对象,根据上海青工厂化生产的实际需求,在重庆市科技局项目“蔬菜工厂智能装备研发与示范”支撑下,结合工厂化种植上海青的工艺特点,开展了以下主要研究:1.调查了解工厂化上海青生产流程,弄清定植盘结构参数和上海青生长环境。对随机采集的60株水培上海青进行了株高、展开度、切割处根茎直径、切割后植株净重、根茎长度和基质穴杯重量等数据测取。同时应用质构仪对上海青根茎分别进行压缩和剪切条件下的力学特性参数测定分析,得到根茎的径向弹性模量范围为0.93Mpa-1.83Mpa,根茎轴向弹性模量范围为:2.43Mpa-6.02Mpa,剪切应力值范围为:0.641Mpa-2.29Mpa;密度为946kg/m~3。2.上海青收割装置设计。首先对切割过程进行了理论分析,确定切割装置的工作原理和参数。根据文献和以往的行业经验,通过切割方式、张紧方式和传动方式等多方案比较,选定了带锯切割、螺杆张紧和V型皮带传动的总体方案;参照细木工带锯行业标准,经过计算分析,确定了带锯切割时的张紧力大小和切割速度范围。根据已测得的上海青数据,结合实际情况,对各个部件进行了设计,并使用UG建立了三维模型。设计时考虑人机工程和安全的要求,排除了现场空间和人为操作习惯存在的安全隐患。3.基于ANSYS的切割装置仿真分析。将三维部件模型导入到Workbench静力学分析模块进行强度和变形校核,所有部件满足要求。同时使用显示动力学模块仿真上海青根茎切割过程,设置在不同的切割速度和齿型下,在进给速度0.04m/s时,得出无齿带锯切割应力最小,切割效果最好,损伤率最低,并初步确定了满足切割要求的试验切割转速的取值范围。最后进行了带锯轮和龙门架的模态分析,结果显示电机产生的振动和带锯轮、龙门架的频率范围没有重叠区,不会发生共振而引起对切割装置的损害。4.样机流水线试验研究。将样机安装到现场,分别将无齿带锯,锯齿带锯,月牙齿带锯在0.04m/s的进给速度下,以不同切割速度进行仿真试验验证。结果表明,在切割速度400r/min-600r/min时,无齿带锯切割效果最好,端面整齐整洁,菜的损伤率最小,达到收获要求。在整个切割过程中,切割装置运转正常,也没发生振动引起的异常,与仿真结果基本一致。5.切割装置的参数优化。以齿轮传动比调整进给速度,变频器调整切割转速,并将两者作为影响因子,选取仿真虚拟试验结果中数据的数值范围,以切割损伤率为评价指标,进行了二元二次回归正交旋转组合试验方案设计,最后得到了关于损伤率的回归方程,利用MATLAB软件中的Globalsearch函数求解得到取值区间内的最优解因子组合,即进给速度0.06m/s,切割转速420r/min。通过实际试验,证明优化后的进给速度和切割转速使上海青的损伤率更低,满足设计要求和生产要求。