侯杰 宋欣 赵玄敏 杨磊

摘 要：在甘蓝机械化收获过程中，拔取和切根是2个关键环节，其性能优劣直接影响到机械化收获的作业效率和质量。针对现有机械设计中存在的问题，以提高甘蓝的拔取和切根效果为目标，提出了一种将曲面双圆盘切割刀和V型切割刀相结合的拔取切根结构设计方案，并对其进行了主要参数设计和力学计算。该方案具有结构简单、安装调整方便、拔取切割高效等特点。

关键词：甘蓝;机械化收获;拔取切根机构;曲面双圆盘切割刀;V型切割刀

中图分类号 S225.92文献标识码 A文章编号 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

甘蓝（包心菜、卷心菜、圆白菜）是我国重要的蔬菜作物之一，其产量和种植面积位居所有蔬菜品种的第3位[1]。目前，我国大多数地区仍旧采用人工收获方式，劳动强度大且收获效率低[2]，已无法满足甘蓝的实际生产需求。因此，研究和推广甘蓝机械收获装备势在必行。拔取和切根是甘蓝机械化收获中的2个关键环节，其作业质量的好坏直接关系到后续环节的作业效果[3]。在现有的甘蓝机械化收获装备中，拔取机构普遍采用链条式、铲式、螺旋锥式和圆盘式4种[3]。其中，链条式拔取机构易堵塞、效率低且损伤较大;铲式拔取机构拔取后植株易倾倒;螺旋锥式拔取机构加工复杂;而圆盘式结构简单、拔取迅速、安装调整方便，但是对收获机的直线行驶要求较高。切根机构通常用锯齿式双圆盘切割机构，该机构结构简单、切割质量好、切割效率高。

为进一步提高甘蓝机械化收获中的拔取切根质量和效率，本研究在分析现有设计方案的基础上，提出一种将曲面双圆盘切割刀和V型切割刀相结合的拔取切根结构设计方案。

1 拔取切根结构总体设计方案

1.1 结构组成 拔取切根结构主要包括曲面双圆盘切割刀（如图1）和V型切割刀（如图2）。该机构在甘蓝收获机上的安装位置和安装方式如图3所示，2个曲面圆盘切割刀分别通过拔取角调节装置安装在固定座上;拔取角调节装置主要由调节座、调节弹簧和调节螺栓组成，固定座与调节座的一端通过铰轴连接，另一端通过调节螺栓连接，在调节螺栓位于固定座与调节座之间的部位安装调节弹簧，且调节座通过液压马达安装座与驱动液压马达连接，驱动液压马达通过联轴器与圆盘切割刀的刀柄连接，从而驱动圆盘切割刀旋转切割。V型切割刀安装在圆盘切割刀后部，其位置正好处于压顶传送带的正下方。

1.2 工作原理 如圖4所示，当甘蓝收获机沿田间自主行进时，与地面呈一定角度的曲面双圆盘切割刀先接触到甘蓝果实，利用曲面圆盘切割刀的相对旋转运动克服甘蓝的自重和根系阻力，并作用于其根茎部位，实现对甘蓝植株的拔取和初步切根。同时，在甘蓝与曲面切割刀之间摩擦力的作用下，甘蓝植株被喂入到同样与地面呈一定角度的V型切割刀处，该位置正好处于压顶传送带的正下方，压顶传送带对甘蓝产生垂直向下的压顶力，配合曲面双圆盘切割刀和V型切割刀实现对甘蓝根茎部位的完全切割。

2 关键部件的设计与计算

2.1 曲面双圆盘切割刀的主要参数设计 曲面双圆盘切割刀的参数分为工作参数和几何参数2类，其设计的合理性会对该机构的拔取和切根效果产生直接的影响[4]。圆盘切割刀各参数名称如表1所示，其部分参数所在位置如图5所示。

（1）双圆盘切割刀安装高度h：

在拔取过程中，甘蓝植株根部位于曲面双圆盘切割刀下部，理论条件下圆盘切割刀的切根位置位于甘蓝底叶向上10～15mm处最佳。

（2）双圆盘切割刀间距DS：

由于曲面圆盘切割刀在对甘蓝进行拔取的同时还要进行初步的切根处理，因此两圆盘切割刀锋口间距DS应小于甘蓝根部的直径，根据甘蓝物理特性相关数据[5]，将其参数值设定为DS=20mm。

（3）双圆盘切割刀转速n：

通过高速旋转的切割刀对甘蓝根部进行初次切根，并将其拔取传送至V型切割刀处，转速初定在400r/min左右。

（4）双圆盘切割刀拔取角δ：

拔取角δ表示圆盘切割刀向下挖取甘蓝时的倾斜角，该角度的大小决定了圆盘刀的拔取效果，参考现有设计方案，将拔取角δ确定在30°～40°。

（5）双圆盘切割刀滑切角t：

滑切角t表示两圆盘切割刀的张开角度，影响着切根的效果，该角度越大对甘蓝植株的聚拢能力就越强[4]，参考现有设计方案，将滑切角t确定在50°～60°。

（6）双圆盘切割刀直径D：

根据甘蓝物理特性相关数据[5]，可确定双圆盘切割刀直径D为200mm。

（7）曲面厚度σ：

工作时，双圆盘切割刀所储备的能量可等同于储备一定能量的飞轮，其转动时所具备的能量可由式（1）～（4）计算得出：

式中：E为圆盘刀所具备的能量;I为圆盘刀的转动惯量;ω为圆盘刀转动的角速度;CS是速度波动系数，选取该值为0.64;M为圆盘刀重量;[ρ]为圆盘刀密度，选取圆盘刀材料为65Mn，其密度为7850kg/m3。

由式（1）～（4）可求得圆盘刀厚度为：

2.2 曲面双圆盘切割刀的拔取力计算 由于曲面双圆盘切割刀既用于拔取又用于初次切根，故在设计时应保证在同一高度[5]，且不能有重叠区域，在拔取时曲面圆盘切割刀进行受力分析如图6所示，由图6可得：

式中：f1是圆盘切割刀拔取甘蓝时所受阻力及摩擦力;FN是圆盘切割刀在工作表面上对甘蓝的支撑力;δ是工作表面与水平线夹角，也是圆盘切割刀的拔取角;μ是圆盘切割刀表面摩擦系数。

甘蓝收获机行走过程中，曲面圆盘切割刀切根甘蓝时所受阻力及摩擦力与垂直于切割刀工作表面支持力[5]，克服重力之后，合成对甘蓝向上的拔取力F。其中：

甘蓝自重是一定的，由式（10）可得，曲面双圆盘切割刀对甘蓝拔取力F的大小取决于拔取角δ的大小。因此，合理设计拔取角的大小，便可得到较好的拔取效果，经验证拔取角δ取30°～40°在之间具有较好的拔取切根效果。

2.3 曲面双圆盘切割刀的切根力计算 甘蓝收获机前进过程中，拔取切根机构对甘蓝植株完成拔取作业的同时，双圆盘切割刀对甘蓝进行初次切割，甘蓝根部刚接触圆盘切割刀时的左边切割刀水平受力分析如图7所示，当甘蓝根部穿过圆盘切割刀，将不再受水平切割力，而在垂直方向其受力与拔取时一致，如图6所示，则有：

式中：f2是圆盘切割刀切割甘蓝时所受阻力及摩擦力;FN1是圆盘切割刀切割时刀刃对甘蓝的支撑力;Ft是圆盘切割刀产生的切割力;T是圆盘切割刀切割时产生的转矩;P是驱动圆盘切割刀旋转的液压马达的功率;n是圆盘切割刀自身转速;t是圆盘切割刀的滑切角;μ是圆盘切割刀表面摩擦系数。

以甘蓝根茎部为研究对象，合力Pr等于圆盘切割刀作用在甘蓝上的切割力，与甘蓝拔取输送方向的夹角为t+δ-φ，该夹角使甘蓝根茎部被夹住并向上运动，具体可分解成水平和垂直2个方向的力[5]：

式中：Fh是甘蓝根部的水平分力;Lc是2圆盘切割刀间距离;Fv是甘蓝根部的垂直分力;d是甘蓝切割部分直径;φ是甘蓝根部与圆盘刀的摩擦角。

由式（13）、（14）可知，圆盘切割刀自身产生的切割力Ft大小主要与驱动圆盘切割刀旋转的功率和转速有关，而实际对甘蓝根茎产生的切割力Pr是圆盘切割刀产生的切割力与所受阻力之差，故只要选用合理的功率与转速驱动切割刀旋转，就能实现对甘蓝根茎的初次切割。同时，由式（11）、（12）、（15）～（18）可知，需要根据圆盘切割刀之间的距离、圆盘直径的大小和甘蓝根茎的大小，确定合适范围的滑切角，减小阻力，提高切割能力。

2.4 V型切割刀的主要参数设计 V型切割刀是对经过初次切割后甘蓝根茎的二次切根，其各参数名称如表2所示，部分参数所在位置如图8所示。

（1）矩形长宽M[×]N：

根据甘蓝收获机整机尺寸设计，考虑公差配合以及螺栓的拧紧，设置长×宽为240mm×100mm。

（2）刀片夹角θ：

V型切割刀的切割作用主要依靠摩擦力来切断根部，通过查阅资料，确定该夹角θ为60°[6]。

（3）刀片长度L：

由矩形长宽及夹角大小，可求得刀片长度L为90mm。

（4）切割长度Lc：

经过圆盘切割刀初次切割后的甘蓝根茎，其实际切割长度为Lc，由甘蓝根茎的直径及双圆盘切割刀间距得Lc为50mm。

（5）地面倾角γ：

设置地面倾角是甘蓝由拔取切根机构向二次剥叶机构的过渡，该角度值为6～9°。

（6）锋口厚度ε：

根据甘蓝物理特性数据[5]，查阅机械设计手册可得，标准V型刀锋口厚度底端厚度为0.5mm，拔模角1～3°。

2.5 V型切割刀切根过程分析 经过圆盘切割刀初次切割后的甘蓝，在由旋转曲面圆盘的摩擦力和夹持力作用下，向V型切割刀处输送，输送过程中，处于V型切割刀正上方的压顶传送带，会给甘蓝植株施加水平方向的推送力继续推动甘蓝向内运动，同时压顶传送带对甘蓝植株产生向下的正压力，保证甘蓝水平放置以及使得甘蓝植株被切根的根部切口与V型切割刀在同一高度，从而顺利完成切割。经过初次切割的甘蓝植株根部，运行到V型切割刀时，其切割过程及受力分析如图9所示，其中图9（a）表示甘蓝植株根部刚接触到V型切割刀时切割状态，图9（b）表示V型切割刀切割过程中刀片切割状态，图9（c）表示甘蓝植株即将完全切割时的切割状态。

式中：Fc是V型切割刀切割甘蓝所需切割力;f3是V型切割刀切割甘蓝时所受阻力及摩擦力;θ是V型切割刀之间的夹角;FN2是V型切割刀切割时刀刃对甘蓝的支撑力;

由式（9）可知，f3主要受刀片摩擦系數和V刀切口锋利度来影响。切割力Fc的大小主要由压顶传送带产生，因此需要调节压顶传送带与甘蓝之间的相对高度以及改变两者接触时的摩擦系数，从而满足所需要的切割力大小。

3 结论

为了提高甘蓝机械化收获中拔取和切根2个关键环节的作业质量和效率，本研究提出了一种将曲面双圆盘切割刀和V型切割刀相结合的拔取切根结构设计方案，通过双圆盘切割刀实现对甘蓝的拔取和初次切根，由V型切割刀完成二次切根，该方案具有结构简单、安装调整方便、拔取切割高效等特点。

参考文献

[1]王俊，杜冬冬，胡金冰，等.蔬菜机械化收获技术及其发展！[J].农业机械学报，2014，45（02）：81-87.

[2]周成，陈海涛，李丽霞.结球甘蓝收获机械研究现状分析[J]，现代化农业，2012（6）：58-59.

[3]周成，甘蓝收获关键技术及装备研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2013.

[4]杜冬冬，费国强，王俊，等.自走式甘蓝收获机的设计与试验[J].农业工程学报，2015，31（14）：16-23.

[5]杜冬冬.履带自走式甘蓝收获机研究及称重系统开发[D].杭州：浙江大学，2017.

[6]天津农学院.自走式甘蓝收获机：CN201811649308.3[P].2019-03-22.

（责编：张宏民）

基金项目：天津市大学生创新创业训练计划项目（201810061062）。

作者简介：侯杰（1996—），男，河南省阳人，在读本科。 *通讯作者  收稿日期：2020-04-29