侯杰 宋欣 趙玄敏 楊磊

摘 要：在甘藍(lán)機(jī)械化收獲過(guò)程中，拔取和切根是2個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其性能優(yōu)劣直接影響到機(jī)械化收獲的作業(yè)效率和質(zhì)量。針對(duì)現(xiàn)有機(jī)械設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，以提高甘藍(lán)的拔取和切根效果為目標(biāo)，提出了一種將曲面雙圓盤(pán)切割刀和V型切割刀相結(jié)合的拔取切根結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行了主要參數(shù)設(shè)計(jì)和力學(xué)計(jì)算。該方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝調(diào)整方便、拔取切割高效等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：甘藍(lán);機(jī)械化收獲;拔取切根機(jī)構(gòu);曲面雙圓盤(pán)切割刀;V型切割刀

中圖分類號(hào) S225.92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2020）11-0130-04

The Design of Root Pulling and Cutting Mechanism for Cabbage Harvester

Hou Jie et al.

（College of Engineering and Technology， Tianjin Agricultural university， Tianjin 300384，China）

Abstract： As the two key points in the process of cabbage harvester， the performance of root pulling and cutting can directly affect the efficiency and quality of mechanized harvesting. Aims at the problems existing in the current design， the paper proposed a new design scheme of root pulling and cutting mechanism in order to improve the working quality， which combining curved double disc cutter and v-shaped cutter， and designs the main parameters and mechanical calculation of the mechanism. The scheme has the characteristics of simple structure， convenient installation and adjustment， and high efficiency of pulling and cutting.

Key words：Cabbage; Mechanized harvesting; root pulling and cutting mechanism; Curved double disc cutter; V-type cutter

甘藍(lán)（包心菜、卷心菜、圓白菜）是我國(guó)重要的蔬菜作物之一，其產(chǎn)量和種植面積位居所有蔬菜品種的第3位[1]。目前，我國(guó)大多數(shù)地區(qū)仍舊采用人工收獲方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大且收獲效率低[2]，已無(wú)法滿足甘藍(lán)的實(shí)際生產(chǎn)需求。因此，研究和推廣甘藍(lán)機(jī)械收獲裝備勢(shì)在必行。拔取和切根是甘藍(lán)機(jī)械化收獲中的2個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其作業(yè)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到后續(xù)環(huán)節(jié)的作業(yè)效果[3]。在現(xiàn)有的甘藍(lán)機(jī)械化收獲裝備中，拔取機(jī)構(gòu)普遍采用鏈條式、鏟式、螺旋錐式和圓盤(pán)式4種[3]。其中，鏈條式拔取機(jī)構(gòu)易堵塞、效率低且損傷較大;鏟式拔取機(jī)構(gòu)拔取后植株易傾倒;螺旋錐式拔取機(jī)構(gòu)加工復(fù)雜;而圓盤(pán)式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拔取迅速、安裝調(diào)整方便，但是對(duì)收獲機(jī)的直線行駛要求較高。切根機(jī)構(gòu)通常用鋸齒式雙圓盤(pán)切割機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、切割質(zhì)量好、切割效率高。

為進(jìn)一步提高甘藍(lán)機(jī)械化收獲中的拔取切根質(zhì)量和效率，本研究在分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，提出一種將曲面雙圓盤(pán)切割刀和V型切割刀相結(jié)合的拔取切根結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 拔取切根結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 結(jié)構(gòu)組成 拔取切根結(jié)構(gòu)主要包括曲面雙圓盤(pán)切割刀（如圖1）和V型切割刀（如圖2）。該機(jī)構(gòu)在甘藍(lán)收獲機(jī)上的安裝位置和安裝方式如圖3所示，2個(gè)曲面圓盤(pán)切割刀分別通過(guò)拔取角調(diào)節(jié)裝置安裝在固定座上;拔取角調(diào)節(jié)裝置主要由調(diào)節(jié)座、調(diào)節(jié)彈簧和調(diào)節(jié)螺栓組成，固定座與調(diào)節(jié)座的一端通過(guò)鉸軸連接，另一端通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓連接，在調(diào)節(jié)螺栓位于固定座與調(diào)節(jié)座之間的部位安裝調(diào)節(jié)彈簧，且調(diào)節(jié)座通過(guò)液壓馬達(dá)安裝座與驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)連接，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)通過(guò)聯(lián)軸器與圓盤(pán)切割刀的刀柄連接，從而驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)切割刀旋轉(zhuǎn)切割。V型切割刀安裝在圓盤(pán)切割刀后部，其位置正好處于壓頂傳送帶的正下方。

1.2 工作原理 如圖4所示，當(dāng)甘藍(lán)收獲機(jī)沿田間自主行進(jìn)時(shí)，與地面呈一定角度的曲面雙圓盤(pán)切割刀先接觸到甘藍(lán)果實(shí)，利用曲面圓盤(pán)切割刀的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)克服甘藍(lán)的自重和根系阻力，并作用于其根莖部位，實(shí)現(xiàn)對(duì)甘藍(lán)植株的拔取和初步切根。同時(shí)，在甘藍(lán)與曲面切割刀之間摩擦力的作用下，甘藍(lán)植株被喂入到同樣與地面呈一定角度的V型切割刀處，該位置正好處于壓頂傳送帶的正下方，壓頂傳送帶對(duì)甘藍(lán)產(chǎn)生垂直向下的壓頂力，配合曲面雙圓盤(pán)切割刀和V型切割刀實(shí)現(xiàn)對(duì)甘藍(lán)根莖部位的完全切割。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 曲面雙圓盤(pán)切割刀的主要參數(shù)設(shè)計(jì) 曲面雙圓盤(pán)切割刀的參數(shù)分為工作參數(shù)和幾何參數(shù)2類，其設(shè)計(jì)的合理性會(huì)對(duì)該機(jī)構(gòu)的拔取和切根效果產(chǎn)生直接的影響[4]。圓盤(pán)切割刀各參數(shù)名稱如表1所示，其部分參數(shù)所在位置如圖5所示。

（1）雙圓盤(pán)切割刀安裝高度h：

在拔取過(guò)程中，甘藍(lán)植株根部位于曲面雙圓盤(pán)切割刀下部，理論條件下圓盤(pán)切割刀的切根位置位于甘藍(lán)底葉向上10～15mm處最佳。

（2）雙圓盤(pán)切割刀間距DS：

由于曲面圓盤(pán)切割刀在對(duì)甘藍(lán)進(jìn)行拔取的同時(shí)還要進(jìn)行初步的切根處理，因此兩圓盤(pán)切割刀鋒口間距DS應(yīng)小于甘藍(lán)根部的直徑，根據(jù)甘藍(lán)物理特性相關(guān)數(shù)據(jù)[5]，將其參數(shù)值設(shè)定為DS=20mm。

（3）雙圓盤(pán)切割刀轉(zhuǎn)速n：

通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的切割刀對(duì)甘藍(lán)根部進(jìn)行初次切根，并將其拔取傳送至V型切割刀處，轉(zhuǎn)速初定在400r/min左右。

（4）雙圓盤(pán)切割刀拔取角δ：

拔取角δ表示圓盤(pán)切割刀向下挖取甘藍(lán)時(shí)的傾斜角，該角度的大小決定了圓盤(pán)刀的拔取效果，參考現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案，將拔取角δ確定在30°～40°。

（5）雙圓盤(pán)切割刀滑切角t：

滑切角t表示兩圓盤(pán)切割刀的張開(kāi)角度，影響著切根的效果，該角度越大對(duì)甘藍(lán)植株的聚攏能力就越強(qiáng)[4]，參考現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案，將滑切角t確定在50°～60°。

（6）雙圓盤(pán)切割刀直徑D：

根據(jù)甘藍(lán)物理特性相關(guān)數(shù)據(jù)[5]，可確定雙圓盤(pán)切割刀直徑D為200mm。

（7）曲面厚度σ：

工作時(shí)，雙圓盤(pán)切割刀所儲(chǔ)備的能量可等同于儲(chǔ)備一定能量的飛輪，其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所具備的能量可由式（1）～（4）計(jì)算得出：

式中：E為圓盤(pán)刀所具備的能量;I為圓盤(pán)刀的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω為圓盤(pán)刀轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度;CS是速度波動(dòng)系數(shù)，選取該值為0.64;M為圓盤(pán)刀重量;[ρ]為圓盤(pán)刀密度，選取圓盤(pán)刀材料為65Mn，其密度為7850kg/m3。

由式（1）～（4）可求得圓盤(pán)刀厚度為：

2.2 曲面雙圓盤(pán)切割刀的拔取力計(jì)算 由于曲面雙圓盤(pán)切割刀既用于拔取又用于初次切根，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證在同一高度[5]，且不能有重疊區(qū)域，在拔取時(shí)曲面圓盤(pán)切割刀進(jìn)行受力分析如圖6所示，由圖6可得：

式中：f1是圓盤(pán)切割刀拔取甘藍(lán)時(shí)所受阻力及摩擦力;FN是圓盤(pán)切割刀在工作表面上對(duì)甘藍(lán)的支撐力;δ是工作表面與水平線夾角，也是圓盤(pán)切割刀的拔取角;μ是圓盤(pán)切割刀表面摩擦系數(shù)。

甘藍(lán)收獲機(jī)行走過(guò)程中，曲面圓盤(pán)切割刀切根甘藍(lán)時(shí)所受阻力及摩擦力與垂直于切割刀工作表面支持力[5]，克服重力之后，合成對(duì)甘藍(lán)向上的拔取力F。其中：

甘藍(lán)自重是一定的，由式（10）可得，曲面雙圓盤(pán)切割刀對(duì)甘藍(lán)拔取力F的大小取決于拔取角δ的大小。因此，合理設(shè)計(jì)拔取角的大小，便可得到較好的拔取效果，經(jīng)驗(yàn)證拔取角δ取30°～40°在之間具有較好的拔取切根效果。

2.3 曲面雙圓盤(pán)切割刀的切根力計(jì)算 甘藍(lán)收獲機(jī)前進(jìn)過(guò)程中，拔取切根機(jī)構(gòu)對(duì)甘藍(lán)植株完成拔取作業(yè)的同時(shí)，雙圓盤(pán)切割刀對(duì)甘藍(lán)進(jìn)行初次切割，甘藍(lán)根部剛接觸圓盤(pán)切割刀時(shí)的左邊切割刀水平受力分析如圖7所示，當(dāng)甘藍(lán)根部穿過(guò)圓盤(pán)切割刀，將不再受水平切割力，而在垂直方向其受力與拔取時(shí)一致，如圖6所示，則有：

式中：f2是圓盤(pán)切割刀切割甘藍(lán)時(shí)所受阻力及摩擦力;FN1是圓盤(pán)切割刀切割時(shí)刀刃對(duì)甘藍(lán)的支撐力;Ft是圓盤(pán)切割刀產(chǎn)生的切割力;T是圓盤(pán)切割刀切割時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩;P是驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)切割刀旋轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)的功率;n是圓盤(pán)切割刀自身轉(zhuǎn)速;t是圓盤(pán)切割刀的滑切角;μ是圓盤(pán)切割刀表面摩擦系數(shù)。

以甘藍(lán)根莖部為研究對(duì)象，合力Pr等于圓盤(pán)切割刀作用在甘藍(lán)上的切割力，與甘藍(lán)拔取輸送方向的夾角為t+δ-φ，該夾角使甘藍(lán)根莖部被夾住并向上運(yùn)動(dòng)，具體可分解成水平和垂直2個(gè)方向的力[5]：

式中：Fh是甘藍(lán)根部的水平分力;Lc是2圓盤(pán)切割刀間距離;Fv是甘藍(lán)根部的垂直分力;d是甘藍(lán)切割部分直徑;φ是甘藍(lán)根部與圓盤(pán)刀的摩擦角。

由式（13）、（14）可知，圓盤(pán)切割刀自身產(chǎn)生的切割力Ft大小主要與驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)切割刀旋轉(zhuǎn)的功率和轉(zhuǎn)速有關(guān)，而實(shí)際對(duì)甘藍(lán)根莖產(chǎn)生的切割力Pr是圓盤(pán)切割刀產(chǎn)生的切割力與所受阻力之差，故只要選用合理的功率與轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)切割刀旋轉(zhuǎn)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)甘藍(lán)根莖的初次切割。同時(shí)，由式（11）、（12）、（15）～（18）可知，需要根據(jù)圓盤(pán)切割刀之間的距離、圓盤(pán)直徑的大小和甘藍(lán)根莖的大小，確定合適范圍的滑切角，減小阻力，提高切割能力。

2.4 V型切割刀的主要參數(shù)設(shè)計(jì) V型切割刀是對(duì)經(jīng)過(guò)初次切割后甘藍(lán)根莖的二次切根，其各參數(shù)名稱如表2所示，部分參數(shù)所在位置如圖8所示。

（1）矩形長(zhǎng)寬M[×]N：

根據(jù)甘藍(lán)收獲機(jī)整機(jī)尺寸設(shè)計(jì)，考慮公差配合以及螺栓的擰緊，設(shè)置長(zhǎng)×寬為240mm×100mm。

（2）刀片夾角θ：

V型切割刀的切割作用主要依靠摩擦力來(lái)切斷根部，通過(guò)查閱資料，確定該夾角θ為60°[6]。

（3）刀片長(zhǎng)度L：

由矩形長(zhǎng)寬及夾角大小，可求得刀片長(zhǎng)度L為90mm。

（4）切割長(zhǎng)度Lc：

經(jīng)過(guò)圓盤(pán)切割刀初次切割后的甘藍(lán)根莖，其實(shí)際切割長(zhǎng)度為L(zhǎng)c，由甘藍(lán)根莖的直徑及雙圓盤(pán)切割刀間距得Lc為50mm。

（5）地面傾角γ：

設(shè)置地面傾角是甘藍(lán)由拔取切根機(jī)構(gòu)向二次剝?nèi)~機(jī)構(gòu)的過(guò)渡，該角度值為6～9°。

（6）鋒口厚度ε：

根據(jù)甘藍(lán)物理特性數(shù)據(jù)[5]，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得，標(biāo)準(zhǔn)V型刀鋒口厚度底端厚度為0.5mm，拔模角1～3°。

2.5 V型切割刀切根過(guò)程分析 經(jīng)過(guò)圓盤(pán)切割刀初次切割后的甘藍(lán)，在由旋轉(zhuǎn)曲面圓盤(pán)的摩擦力和夾持力作用下，向V型切割刀處輸送，輸送過(guò)程中，處于V型切割刀正上方的壓頂傳送帶，會(huì)給甘藍(lán)植株施加水平方向的推送力繼續(xù)推動(dòng)甘藍(lán)向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)壓頂傳送帶對(duì)甘藍(lán)植株產(chǎn)生向下的正壓力，保證甘藍(lán)水平放置以及使得甘藍(lán)植株被切根的根部切口與V型切割刀在同一高度，從而順利完成切割。經(jīng)過(guò)初次切割的甘藍(lán)植株根部，運(yùn)行到V型切割刀時(shí)，其切割過(guò)程及受力分析如圖9所示，其中圖9（a）表示甘藍(lán)植株根部剛接觸到V型切割刀時(shí)切割狀態(tài)，圖9（b）表示V型切割刀切割過(guò)程中刀片切割狀態(tài)，圖9（c）表示甘藍(lán)植株即將完全切割時(shí)的切割狀態(tài)。

式中：Fc是V型切割刀切割甘藍(lán)所需切割力;f3是V型切割刀切割甘藍(lán)時(shí)所受阻力及摩擦力;θ是V型切割刀之間的夾角;FN2是V型切割刀切割時(shí)刀刃對(duì)甘藍(lán)的支撐力;

由式（9）可知，f3主要受刀片摩擦系數(shù)和V刀切口鋒利度來(lái)影響。切割力Fc的大小主要由壓頂傳送帶產(chǎn)生，因此需要調(diào)節(jié)壓頂傳送帶與甘藍(lán)之間的相對(duì)高度以及改變兩者接觸時(shí)的摩擦系數(shù)，從而滿足所需要的切割力大小。

3 結(jié)論

為了提高甘藍(lán)機(jī)械化收獲中拔取和切根2個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的作業(yè)質(zhì)量和效率，本研究提出了一種將曲面雙圓盤(pán)切割刀和V型切割刀相結(jié)合的拔取切根結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)雙圓盤(pán)切割刀實(shí)現(xiàn)對(duì)甘藍(lán)的拔取和初次切根，由V型切割刀完成二次切根，該方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝調(diào)整方便、拔取切割高效等特點(diǎn)。

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（責(zé)編：張宏民）

基金項(xiàng)目：天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201810061062）。

作者簡(jiǎn)介：侯杰（1996—），男，河南省陽(yáng)人，在讀本科。 *通訊作者? 收稿日期：2020-04-29