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1、 定刀滑切式榨菜收获机设计与试验* 薛向磊，郑航，叶云翔，俞国红，武萌，任宁(浙江省农业科学院农业装备研究所,杭州市,310021)0 引言榨菜是我国特有的农产品,现已形成完整的榨菜产业链和产业化经营发展格局,年生产榨菜140万吨以上,产品远销全国各地并出口52个国家和地区。2020年涪陵区榨菜产业总产值达120亿元,带动16万余农户人均榨菜纯收入2 200元1。收获过程是榨菜生产中用工最多环节,也是全程机械化最为薄弱环节,其种植区域多为丘陵山地,收获完全依靠人工,作业过程劳动强度大、效率低、成本高。随着农村劳动力的日益短缺和劳动力成本的不断增加,榨菜人工收获的成本逐年提升,严重影响榨菜的产量
2、、品质和经济效益,成为制约榨菜产业发展瓶颈。近年来,国内外学者对榨菜等根茎类作物的机械化收获方式进行了大量研究并取得一定成果2-3。张涛等4设计了一种具有柔性夹持功能的青菜头收获机,切割成功率为89.5%,青菜头损伤率为10.8%。金月等5设计的手扶自走式的青菜头联合收获机,其采用圆盘切割根茎,配合剪叶和脱叶装置,青菜头清洁率可达90.04%。杜冬冬等6-7对甘蓝根茎部进行了切割试验研究,表明夹持方式和切割速度对切割力的影响显著,切割力与粗纤维含量呈线性关系。王金武等8-9设计了一种用于胡萝卜收获的单圆盘对顶切割装置,装置性能最优情况下胡萝卜损伤率为0.53%。此外,也有不少学者针对不同的切割
3、方式进行了研究10-12。郑智旗等13-14利用等滑切角式粉碎定刀和随粉碎刀辊高速旋转的粉碎动刀形成的支撑滑切作用对秸秆进行粉碎,并进行了应力分析和激励频率校验。周华等15-16基于滑切和自激振动减阻的原理,设计了滑切型自激振动深松装置,试验表明,在各速度下相对于传统弧形深松铲可减阻7.79%8.81%。苑进等17设计了一种用于菠菜收获的兼具切根与根系聚拢功能的新型根切铲,并建立受力模型进行参数优化。康峰等18利用自制的往复式枝条切割试验台对探究苹果枝条剪切力学特性,并得出切割力与枝条直径呈线性增长关系。种植榨菜的丘陵山区土壤一般含水量高,黏度大,榨菜根部与土壤间的作用力较大,采用传统的夹持拔
4、取的收获方式往往会造成表皮破损,进而损伤榨菜头,影响储存与加工。本文基于榨菜的几何参数与物理特性,根据榨菜物理力学特性和种植地区地形特点,以实现榨菜快速无损收获为目标,研究青菜头切根原理,设计一种基于定刀滑切原理的“打叶切根”联合作业榨菜收获机,对滑切装置、切缨装置、行走底盘等关键部件进行了设计,并对不同刀具刃口进行了受力分析,设计了履带式底盘,并对履带式行走装置的行走速度v、接地比压P、最大牵引力T等相关数据进行分析与计算;分析了各因素对打叶、切根成功率的影响,并进行了整机参数优化,得到榨菜收获机最佳工作参数组合。1 整机结构与工作原理1.1 榨菜种植农艺及物理特性榨菜种植采用两行相间的方式
5、,如图1所示。两行行间距为40 cm,株距25 cm;两行之间留50 cm的操作走道,栽后田间肥水管理严格按照榨菜农艺要求执行,种植地块坡度一般低于10。图1 种植农艺图Fig.1 Diagram of planting agronomy榨菜的相关几何尺寸测定对榨菜切割装置设计参数的确定起到至关重要的作用。如图2所示,榨菜茎瘤及缩短茎位于地表上方,主根及须根位于地表以下。图2 榨菜尺寸示意图Fig.2 Diagram of pickled cabbage size参照GB/T 52622008 农业机械实验条件测定方法的一般规定要求,采用游标卡尺、直尺、电子秤等测量工具对榨菜缩短茎离地高度和直
6、径,茎瘤直径、纵径和质量,地表以下根长进行测量,并统计分析,进而指导设计切割装置,避免榨菜茎瘤与切割装置发生干涉现象。试验品种为涪杂4号,种植于重庆市涪陵区江北榨菜加工区,随机选取成熟程度相近的青菜头植株,测得榨菜的缩短茎离地高度在1050 mm之间,地表以下根长在60160 mm之间,缩短茎直径在1540 mm之间,茎瘤直径在100180 mm之间,茎瘤纵茎在70110 mm之间。榨菜在成熟收获时一般有56片叶子,株高4050 cm,叶片展开度为5075 cm。1.2 整机结构榨菜收获机主要由机架、履带底盘、切缨装置、滑切装置、电控系统等组成,如图3所示。履带底盘通过汽油机驱动,用于承载机架
7、等作业装置;切缨装置对榨菜的叶缨进行切割,主要包括切缨刀、转动电机和调节电缸;滑切装置对切缨后的榨菜进行切根收获,并将其引导至两侧;电控系统用于行走及作业控制,通过推杆实现整机操控。图3 整机结构示意图Fig.3 Diagram of the machine Structure1.滑切装置 2.刀架 3.机架 4.控制板 5.发动机 6.蓄电池 7.切缨装置 8.履带底盘1.3 工作原理本文设计的榨菜收获机主要作业部件为切缨装置和滑切装置,切缨装置安装在机器的前端,其安装架与履带底盘铰接,二者之间设置有电缸,用于调整切缨装置的高度;滑切装置安装在整机的后方,主要由滑切割刀、刀架和电缸组成,且割
8、刀通过刀架与机架连接,刀架上安装有调节高度的电缸,割刀倾角可通过两端的弧形槽进行调节。当整机开始作业时,履带底盘向前行进,通过控制台两侧推杆控制行走方向,蓄电池为前后调节电缸和切缨转动电机供电,通过控制台中间推杆控制前后装置高度,随着底盘向前行进,滑切刀平移向前进行榨菜切根收获,整机主要技术参数如表1所示。表1 榨菜收获机主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of mustard harvester2 关键部件设计2.1 滑切装置设计2.1.1 割刀滑切角参数确定收获割刀从运动状态上可分为固定式割刀和往复震动式割刀,由于榨菜切割收获作业是入土切割,动割刀在
9、工作时易出现进土卡壳和损伤榨菜菜头的问题。固定式割刀切割稳定性好,根据结构形式可分为平刀和非平刀,但平刀对于切割后的榨菜和积土的分导能力较差,易出现堵塞现象,收获行进阻力大,耗费功率。本文根据榨菜的生长特性和收获要求,设计一种固定式V形榨菜收获滑切割刀,如图4所示。该滑切割刀由V形割刀与焊接在两端的固定板组成,其中割刀V形突出部分开刃用于切割榨菜根部,两侧的固定板设置有调整槽和固定孔,可通过螺栓与割刀杆相连并可调整入土角度。图4 滑切割刀示意图Fig.4 Diagram of sliding cutter1.固定孔 2.调整槽 3.V形割刀 4.刃口角V形刀口的设计可避免出现收获堵塞现象,并可
10、在收获时对榨菜缩短茎产生滑切效应,可以有效防止榨菜植株倾翻进而造成损伤的情况出现。滑切角是割刀刃线与水平方向的夹角,作为V形割刀的设计关键,同时也决定着滑切效应;滑切角过小,滑切效应不明显,滑切角过大,割刀整体尺寸过大,易损坏。基于以上分析,选取割刀一侧刃口一点对滑切角与滑切效应关系进行计算,分析求解滑切角取值范围为试验提供理论依据。基于X-Y坐标系,以割刀的前进方向作为Y轴正方向,任选刃口上一滑切质点P,其与定刀刃口的相对位置如图5所示。图5 定刀滑切受力分析Fig.5 Analysis of the stress of the knife sliding cutting当履带底盘带动割刀向
11、前平移时,将受到割刀刃口的法向力、菜根摩擦力、割刀摩擦力。建立质点P动力学平衡方程如式(1)所示。(1)式中：Fn定刀刃口法向力,N;Ffy菜根对滑切质点P沿Y轴摩擦力,N;滑切角,();m滑切质点P质量,kg;ay沿Y轴方向牵连加速度,m/s2;Ff滑切质点沿定刀刃口切线方向的摩擦力,N;a质点沿定刀刃口切线方向加速度,m/s2。滑切质点P在割刀刃口的切割作用下有向正方向前进的运动趋势,菜根对质点P有沿Y轴负方向的摩擦力,割刀和滑切质点之间有相对运动趋势,故P点沿刃口切向的摩擦力Ff=Fnf=Fntan(2)式中：f滑切质点与割刀刃口的摩擦因数;滑切质点与割刀刃口的摩擦角,()。将式(2)代
12、入式(1)化简可得Fn(tan-tan)=ma(3)割刀在正常工作状态下法向力Fn0,为使定刀和滑切质点之间产生相对滑动,滑切质点切向加速度必然大于零,即0,由式(2)可得,即滑切角大于割刀和滑切质点间的摩擦角。该摩擦角是为两者之间的复合摩擦角。经测定,其摩擦因数不超过0.5,对应的摩擦角约为25,因此,割刀的设计滑切角需大于该摩擦角。参照一般滑切角取值范围13为2055。综合滑切角与滑切效应的关系,选取滑切角为25、40、55不同刀型开展试验。2.1.2 割刀刃口角确定刀具刃口一般有双面刃和单面刃,假设榨菜茎秆质地均匀,且两种刃口的刀具材质和质量相同,对二者分别进行受力分析,如图6所示。(a
13、) 双面1) 双刃口刀具受力分析。如图6(a)所示,通过对双刃口刀片与茎秆间的受力分析,构建摩擦力f的公式如式(3)所示。f=Ftan(4)式中：f双面刃楔面所受茎秆的摩擦力;F茎秆对双面刃楔面的压力;刀具切割时的摩擦角。同时可计算刀片所需的切割力,如式(5)所示。(5)式中：F2双面刃刀具所需的切割力;刀具刃角。2) 单刃口刀具受力分析。如图6(b)所示,根据假设条件可知,F1=F、F3=F3,同时摩擦角大小保持不变。根据式(4)可以类比推导出f1、f2,如式(6)和式(7)所示。f1=Ftan(6)f2=F1tan(7)式中：f1单面刃刀具下方所受茎秆的摩擦力;f2单面刃刀具楔面所受茎秆的
14、摩擦力;F茎秆对单面刃刀具下方的正压力;F1茎秆对双单刃楔面的压力。结合式(6)和式(7)可求得切割刀片所需要的切割力,如式(8)所示。F2=F3+f1+f2cos+F1sin+ma(8)式中：F2单面刃刀具所需的切割力;F3茎秆对单面刃刀具刃口的阻力。同时根据受力分析图可求得出F。F=F1cos-f2sin(9)结合式(8)和式(9)可得式(10)。F2=F3+2Fcostan-Fsintan2+Fsin(10)结合式(5)和式(10)可得式(11)。F2=F2-F2(11)根据刀具设计要求,可确定和的边界条件,如式(12)所示。(12)综上所示,结合式(11)和式(12)可得出：F2恒大于
15、零。因此,本文采用单刃口的刀具类型作为切割刀片。2.1.3 割刀刀架设计为适应不同品种的榨菜切割收获,V形滑切刀需安装在可上下移动的刀架上,本问选用稳定性强且易调节的平行四杆机构作为刀架的基本结构。刀架各杆的牵引角牵、长度l以及横向宽度a的大小等都对平行四杆工作的稳定性有直接的影响。根据实际工作条件本研究确定刀杆上下平移高度为1020 cm,如图7所示平行四杆机构上下总运动量为h。图7 平行四杆机构参数图Fig.7 Parameters of parallel four-shot mechanismh=lsin(牵+1)+sin(2-牵)(13)式中：1上牵引角,();2下牵引角,()。若要上下牵引量相同,平行四杆的上下拉杆越长,则牵引角变化范围越小;上下拉杆越短,则牵引角变化范围越大。为使单组部件能够稳定工作,牵引角变化范围越小越好。因此,上下拉杆长一些有利。但拉杆加长,会使结构不紧凑,机具重心后移,对悬挂式刀架的纵向稳定性不利。
