侯杰 宋欣 趙玄敏 楊磊

摘 要：在甘藍機械化收獲過程中，拔取和切根是2個關鍵環(huán)節(jié)，其性能優(yōu)劣直接影響到機械化收獲的作業(yè)效率和質量。針對現(xiàn)有機械設計中存在的問題，以提高甘藍的拔取和切根效果為目標，提出了一種將曲面雙圓盤切割刀和V型切割刀相結合的拔取切根結構設計方案，并對其進行了主要參數(shù)設計和力學計算。該方案具有結構簡單、安裝調整方便、拔取切割高效等特點。

關鍵詞：甘藍;機械化收獲;拔取切根機構;曲面雙圓盤切割刀;V型切割刀

中圖分類號 S225.92文獻標識碼 A文章編號 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（包心菜、卷心菜、圓白菜）是我國重要的蔬菜作物之一，其產量和種植面積位居所有蔬菜品種的第3位[1]。目前，我國大多數(shù)地區(qū)仍舊采用人工收獲方式，勞動強度大且收獲效率低[2]，已無法滿足甘藍的實際生產需求。因此，研究和推廣甘藍機械收獲裝備勢在必行。拔取和切根是甘藍機械化收獲中的2個關鍵環(huán)節(jié)，其作業(yè)質量的好壞直接關系到后續(xù)環(huán)節(jié)的作業(yè)效果[3]。在現(xiàn)有的甘藍機械化收獲裝備中，拔取機構普遍采用鏈條式、鏟式、螺旋錐式和圓盤式4種[3]。其中，鏈條式拔取機構易堵塞、效率低且損傷較大;鏟式拔取機構拔取后植株易傾倒;螺旋錐式拔取機構加工復雜;而圓盤式結構簡單、拔取迅速、安裝調整方便，但是對收獲機的直線行駛要求較高。切根機構通常用鋸齒式雙圓盤切割機構，該機構結構簡單、切割質量好、切割效率高。

為進一步提高甘藍機械化收獲中的拔取切根質量和效率，本研究在分析現(xiàn)有設計方案的基礎上，提出一種將曲面雙圓盤切割刀和V型切割刀相結合的拔取切根結構設計方案。

1 拔取切根結構總體設計方案

1.1 結構組成 拔取切根結構主要包括曲面雙圓盤切割刀（如圖1）和V型切割刀（如圖2）。該機構在甘藍收獲機上的安裝位置和安裝方式如圖3所示，2個曲面圓盤切割刀分別通過拔取角調節(jié)裝置安裝在固定座上;拔取角調節(jié)裝置主要由調節(jié)座、調節(jié)彈簧和調節(jié)螺栓組成，固定座與調節(jié)座的一端通過鉸軸連接，另一端通過調節(jié)螺栓連接，在調節(jié)螺栓位于固定座與調節(jié)座之間的部位安裝調節(jié)彈簧，且調節(jié)座通過液壓馬達安裝座與驅動液壓馬達連接，驅動液壓馬達通過聯(lián)軸器與圓盤切割刀的刀柄連接，從而驅動圓盤切割刀旋轉切割。V型切割刀安裝在圓盤切割刀后部，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，當甘藍收獲機沿田間自主行進時，與地面呈一定角度的曲面雙圓盤切割刀先接觸到甘藍果實，利用曲面圓盤切割刀的相對旋轉運動克服甘藍的自重和根系阻力，并作用于其根莖部位，實現(xiàn)對甘藍植株的拔取和初步切根。同時，在甘藍與曲面切割刀之間摩擦力的作用下，甘藍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，壓頂傳送帶對甘藍產生垂直向下的壓頂力，配合曲面雙圓盤切割刀和V型切割刀實現(xiàn)對甘藍根莖部位的完全切割。

2 關鍵部件的設計與計算

2.1 曲面雙圓盤切割刀的主要參數(shù)設計 曲面雙圓盤切割刀的參數(shù)分為工作參數(shù)和幾何參數(shù)2類，其設計的合理性會對該機構的拔取和切根效果產生直接的影響[4]。圓盤切割刀各參數(shù)名稱如表1所示，其部分參數(shù)所在位置如圖5所示。

（1）雙圓盤切割刀安裝高度h：

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

（2）雙圓盤切割刀間距DS：

由于曲面圓盤切割刀在對甘藍進行拔取的同時還要進行初步的切根處理，因此兩圓盤切割刀鋒口間距DS應小于甘藍根部的直徑，根據甘藍物理特性相關數(shù)據[5]，將其參數(shù)值設定為DS=20mm。

（3）雙圓盤切割刀轉速n：

通過高速旋轉的切割刀對甘藍根部進行初次切根，并將其拔取傳送至V型切割刀處，轉速初定在400r/min左右。

（4）雙圓盤切割刀拔取角δ：

拔取角δ表示圓盤切割刀向下挖取甘藍時的傾斜角，該角度的大小決定了圓盤刀的拔取效果，參考現(xiàn)有設計方案，將拔取角δ確定在30°～40°。

（5）雙圓盤切割刀滑切角t：

滑切角t表示兩圓盤切割刀的張開角度，影響著切根的效果，該角度越大對甘藍植株的聚攏能力就越強[4]，參考現(xiàn)有設計方案，將滑切角t確定在50°～60°。

（6）雙圓盤切割刀直徑D：

根據甘藍物理特性相關數(shù)據[5]，可確定雙圓盤切割刀直徑D為200mm。

（7）曲面厚度σ：

工作時，雙圓盤切割刀所儲備的能量可等同于儲備一定能量的飛輪，其轉動時所具備的能量可由式（1）～（4）計算得出：

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

由式（1）～（4）可求得圓盤刀厚度為：

2.2 曲面雙圓盤切割刀的拔取力計算 由于曲面雙圓盤切割刀既用于拔取又用于初次切根，故在設計時應保證在同一高度[5]，且不能有重疊區(qū)域，在拔取時曲面圓盤切割刀進行受力分析如圖6所示，由圖6可得：

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

甘藍收獲機行走過程中，曲面圓盤切割刀切根甘藍時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，合成對甘藍向上的拔取力F。其中：

甘藍自重是一定的，由式（10）可得，曲面雙圓盤切割刀對甘藍拔取力F的大小取決于拔取角δ的大小。因此，合理設計拔取角的大小，便可得到較好的拔取效果，經驗證拔取角δ取30°～40°在之間具有較好的拔取切根效果。

2.3 曲面雙圓盤切割刀的切根力計算 甘藍收獲機前進過程中，拔取切根機構對甘藍植株完成拔取作業(yè)的同時，雙圓盤切割刀對甘藍進行初次切割，甘藍根部剛接觸圓盤切割刀時的左邊切割刀水平受力分析如圖7所示，當甘藍根部穿過圓盤切割刀，將不再受水平切割力，而在垂直方向其受力與拔取時一致，如圖6所示，則有：

式中：f2是圓盤切割刀切割甘藍時所受阻力及摩擦力;FN1是圓盤切割刀切割時刀刃對甘藍的支撐力;Ft是圓盤切割刀產生的切割力;T是圓盤切割刀切割時產生的轉矩;P是驅動圓盤切割刀旋轉的液壓馬達的功率;n是圓盤切割刀自身轉速;t是圓盤切割刀的滑切角;μ是圓盤切割刀表面摩擦系數(shù)。

以甘藍根莖部為研究對象，合力Pr等于圓盤切割刀作用在甘藍上的切割力，與甘藍拔取輸送方向的夾角為t+δ-φ，該夾角使甘藍根莖部被夾住并向上運動，具體可分解成水平和垂直2個方向的力[5]：

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

由式（13）、（14）可知，圓盤切割刀自身產生的切割力Ft大小主要與驅動圓盤切割刀旋轉的功率和轉速有關，而實際對甘藍根莖產生的切割力Pr是圓盤切割刀產生的切割力與所受阻力之差，故只要選用合理的功率與轉速驅動切割刀旋轉，就能實現(xiàn)對甘藍根莖的初次切割。同時，由式（11）、（12）、（15）～（18）可知，需要根據圓盤切割刀之間的距離、圓盤直徑的大小和甘藍根莖的大小，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)設計 V型切割刀是對經過初次切割后甘藍根莖的二次切根，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）矩形長寬M[×]N：

根據甘藍收獲機整機尺寸設計，考慮公差配合以及螺栓的擰緊，設置長×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切斷根部，通過查閱資料，確定該夾角θ為60°[6]。

（3）刀片長度L：

由矩形長寬及夾角大小，可求得刀片長度L為90mm。

（4）切割長度Lc：

經過圓盤切割刀初次切割后的甘藍根莖，其實際切割長度為Lc，由甘藍根莖的直徑及雙圓盤切割刀間距得Lc為50mm。

（5）地面傾角γ：

設置地面傾角是甘藍由拔取切根機構向二次剝葉機構的過渡，該角度值為6～9°。

（6）鋒口厚度ε：

根據甘藍物理特性數(shù)據[5]，查閱機械設計手冊可得，標準V型刀鋒口厚度底端厚度為0.5mm，拔模角1～3°。

2.5 V型切割刀切根過程分析 經過圓盤切割刀初次切割后的甘藍，在由旋轉曲面圓盤的摩擦力和夾持力作用下，向V型切割刀處輸送，輸送過程中，處于V型切割刀正上方的壓頂傳送帶，會給甘藍植株施加水平方向的推送力繼續(xù)推動甘藍向內運動，同時壓頂傳送帶對甘藍植株產生向下的正壓力，保證甘藍水平放置以及使得甘藍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。經過初次切割的甘藍植株根部，運行到V型切割刀時，其切割過程及受力分析如圖9所示，其中圖9（a）表示甘藍植株根部剛接觸到V型切割刀時切割狀態(tài)，圖9（b）表示V型切割刀切割過程中刀片切割狀態(tài)，圖9（c）表示甘藍植株即將完全切割時的切割狀態(tài)。

式中：Fc是V型切割刀切割甘藍所需切割力;f3是V型切割刀切割甘藍時所受阻力及摩擦力;θ是V型切割刀之間的夾角;FN2是V型切割刀切割時刀刃對甘藍的支撐力;

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

3 結論

為了提高甘藍機械化收獲中拔取和切根2個關鍵環(huán)節(jié)的作業(yè)質量和效率，本研究提出了一種將曲面雙圓盤切割刀和V型切割刀相結合的拔取切根結構設計方案，通過雙圓盤切割刀實現(xiàn)對甘藍的拔取和初次切根，由V型切割刀完成二次切根，該方案具有結構簡單、安裝調整方便、拔取切割高效等特點。

參考文獻

[1]王俊，杜冬冬，胡金冰，等.蔬菜機械化收獲技術及其發(fā)展！[J].農業(yè)機械學報，2014，45（02）：81-87.

[2]周成，陳海濤，李麗霞.結球甘藍收獲機械研究現(xiàn)狀分析[J]，現(xiàn)代化農業(yè)，2012（6）：58-59.

[3]周成，甘藍收獲關鍵技術及裝備研究[D].哈爾濱：東北農業(yè)大學，2013.

[4]杜冬冬，費國強，王俊，等.自走式甘藍收獲機的設計與試驗[J].農業(yè)工程學報，2015，31（14）：16-23.

[5]杜冬冬.履帶自走式甘藍收獲機研究及稱重系統(tǒng)開發(fā)[D].杭州：浙江大學，2017.

[6]天津農學院.自走式甘藍收獲機：CN201811649308.3[P].2019-03-22.

（責編：張宏民）

基金項目：天津市大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201810061062）。

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