定刀滑切式榨菜收獲機設計與試驗*

薛向磊，鄭航，葉云翔，俞國紅，武萌，任寧

(浙江省農業科學院農業裝備研究所,杭州市,310021)

0 引言

榨菜是我國特有的農產品,現已形成完整的榨菜產業鏈和產業化經營發展格局,年生產榨菜140萬噸以上,產品遠銷全國各地并出口52個國家和地區。2020年涪陵區榨菜產業總產值達120億元,帶動16萬余農戶人均榨菜純收入2 200元[1]。收獲過程是榨菜生產中用工最多環節,也是全程機械化最為薄弱環節,其種植區域多為丘陵山地,收獲完全依靠人工,作業過程勞動強度大、效率低、成本高。隨著農村勞動力的日益短缺和勞動力成本的不斷增加,榨菜人工收獲的成本逐年提升,嚴重影響榨菜的產量、品質和經濟效益,成為制約榨菜產業發展瓶頸。

近年來,國內外學者對榨菜等根莖類作物的機械化收獲方式進行了大量研究并取得一定成果[2-3]。張濤等[4]設計了一種具有柔性夾持功能的青菜頭收獲機,切割成功率為89.5%,青菜頭損傷率為10.8%。金月等[5]設計的手扶自走式的青菜頭聯合收獲機,其采用圓盤切割根莖,配合剪葉和脫葉裝置,青菜頭清潔率可達90.04%。杜冬冬等[6-7]對甘藍根莖部進行了切割試驗研究,表明夾持方式和切割速度對切割力的影響顯著,切割力與粗纖維含量呈線性關系。王金武等[8-9]設計了一種用于胡蘿卜收獲的單圓盤對頂切割裝置,裝置性能最優情況下胡蘿卜損傷率為0.53%。

此外,也有不少學者針對不同的切割方式進行了研究[10-12]。鄭智旗等[13-14]利用等滑切角式粉碎定刀和隨粉碎刀輥高速旋轉的粉碎動刀形成的支撐滑切作用對秸稈進行粉碎,并進行了應力分析和激勵頻率校驗。周華等[15-16]基于滑切和自激振動減阻的原理,設計了滑切型自激振動深松裝置,試驗表明,在各速度下相對于傳統弧形深松鏟可減阻7.79%～8.81%。苑進等[17]設計了一種用于菠菜收獲的兼具切根與根系聚攏功能的新型根切鏟,并建立受力模型進行參數優化?？捣宓萚18]利用自制的往復式枝條切割試驗臺對探究蘋果枝條剪切力學特性,并得出切割力與枝條直徑呈線性增長關系。種植榨菜的丘陵山區土壤一般含水量高,黏度大,榨菜根部與土壤間的作用力較大,采用傳統的夾持拔取的收獲方式往往會造成表皮破損,進而損傷榨菜頭,影響儲存與加工。

本文基于榨菜的幾何參數與物理特性,根據榨菜物理力學特性和種植地區地形特點,以實現榨菜快速無損收獲為目標,研究青菜頭切根原理,設計一種基于定刀滑切原理的“打葉—切根”聯合作業榨菜收獲機,對滑切裝置、切纓裝置、行走底盤等關鍵部件進行了設計,并對不同刀具刃口進行了受力分析,設計了履帶式底盤,并對履帶式行走裝置的行走速度v、接地比壓P、最大牽引力T等相關數據進行分析與計算;分析了各因素對打葉、切根成功率的影響,并進行了整機參數優化,得到榨菜收獲機最佳工作參數組合。

1 整機結構與工作原理

1.1 榨菜種植農藝及物理特性

榨菜種植采用兩行相間的方式,如圖1所示。兩行行間距為40 cm,株距25 cm;兩行之間留50 cm的操作走道,栽后田間肥水管理嚴格按照榨菜農藝要求執行,種植地塊坡度一般低于10°。

圖1 種植農藝圖Fig.1 Diagram of planting agronomy

榨菜的相關幾何尺寸測定對榨菜切割裝置設計參數的確定起到至關重要的作用。如圖2所示,榨菜莖瘤及縮短莖位于地表上方,主根及須根位于地表以下。

圖2 榨菜尺寸示意圖Fig.2 Diagram of pickled cabbage size

參照GB/T 5262—2008 《農業機械實驗條件測定方法的一般規定》要求,采用游標卡尺、直尺、電子秤等測量工具對榨菜縮短莖離地高度和直徑,莖瘤直徑、縱徑和質量,地表以下根長進行測量,并統計分析,進而指導設計切割裝置,避免榨菜莖瘤與切割裝置發生干涉現象。

試驗品種為涪雜4號,種植于重慶市涪陵區江北榨菜加工區,隨機選取成熟程度相近的青菜頭植株,測得榨菜的縮短莖離地高度在10～50 mm之間,地表以下根長在60～160 mm之間,縮短莖直徑在15～40 mm之間,莖瘤直徑在100～180 mm之間,莖瘤縱莖在70～110 mm之間。榨菜在成熟收獲時一般有5～6片葉子,株高40～50 cm,葉片展開度為50～75 cm。

1.2 整機結構

榨菜收獲機主要由機架、履帶底盤、切纓裝置、滑切裝置、電控系統等組成,如圖3所示。履帶底盤通過汽油機驅動,用于承載機架等作業裝置;切纓裝置對榨菜的葉纓進行切割,主要包括切纓刀、轉動電機和調節電缸;滑切裝置對切纓后的榨菜進行切根收獲,并將其引導至兩側;電控系統用于行走及作業控制,通過推桿實現整機操控。

圖3 整機結構示意圖Fig.3 Diagram of the machine Structure1.滑切裝置 2.刀架 3.機架 4.控制板 5.發動機 6.蓄電池 7.切纓裝置 8.履帶底盤

1.3 工作原理

本文設計的榨菜收獲機主要作業部件為切纓裝置和滑切裝置,切纓裝置安裝在機器的前端,其安裝架與履帶底盤鉸接,二者之間設置有電缸,用于調整切纓裝置的高度;滑切裝置安裝在整機的后方,主要由滑切割刀、刀架和電缸組成,且割刀通過刀架與機架連接,刀架上安裝有調節高度的電缸,割刀傾角可通過兩端的弧形槽進行調節。當整機開始作業時,履帶底盤向前行進,通過控制臺兩側推桿控制行走方向,蓄電池為前后調節電缸和切纓轉動電機供電,通過控制臺中間推桿控制前后裝置高度,隨著底盤向前行進,滑切刀平移向前進行榨菜切根收獲,整機主要技術參數如表1所示。

表1 榨菜收獲機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of mustard harvester

2 關鍵部件設計

2.1 滑切裝置設計

2.1.1 割刀滑切角參數確定

收獲割刀從運動狀態上可分為固定式割刀和往復震動式割刀,由于榨菜切割收獲作業是入土切割,動割刀在工作時易出現進土卡殼和損傷榨菜菜頭的問題。固定式割刀切割穩定性好,根據結構形式可分為平刀和非平刀,但平刀對于切割后的榨菜和積土的分導能力較差,易出現堵塞現象,收獲行進阻力大,耗費功率。

本文根據榨菜的生長特性和收獲要求,設計一種固定式V形榨菜收獲滑切割刀,如圖4所示。該滑切割刀由V形割刀與焊接在兩端的固定板組成,其中割刀V形突出部分開刃用于切割榨菜根部,兩側的固定板設置有調整槽和固定孔,可通過螺栓與割刀桿相連并可調整入土角度。

圖4 滑切割刀示意圖Fig.4 Diagram of sliding cutter1.固定孔 2.調整槽 3.V形割刀 4.刃口角

V形刀口的設計可避免出現收獲堵塞現象,并可在收獲時對榨菜縮短莖產生滑切效應,可以有效防止榨菜植株傾翻進而造成損傷的情況出現。滑切角是割刀刃線與水平方向的夾角,作為V形割刀的設計關鍵,同時也決定著滑切效應;滑切角過小,滑切效應不明顯,滑切角過大,割刀整體尺寸過大,易損壞。

基于以上分析,選取割刀一側刃口一點對滑切角與滑切效應關系進行計算,分析求解滑切角取值范圍為試驗提供理論依據?；赬-Y坐標系,以割刀的前進方向作為Y軸正方向,任選刃口上一滑切質點P,其與定刀刃口的相對位置如圖5所示。

圖5 定刀滑切受力分析Fig.5 Analysis of the stress of the knife sliding cutting

當履帶底盤帶動割刀向前平移時,將受到割刀刃口的法向力、菜根摩擦力、割刀摩擦力。建立質點P動力學平衡方程如式(1)所示。

(1)

式中：Fn——定刀刃口法向力,N;

Ffy——菜根對滑切質點P沿Y軸摩擦力,N;

θ——滑切角,(°);

m——滑切質點P質量,kg;

ay——沿Y軸方向牽連加速度,m/s2;

Ffτ——滑切質點沿定刀刃口切線方向的摩擦力,N;

aτ——質點沿定刀刃口切線方向加速度,m/s2。

滑切質點P在割刀刃口的切割作用下有向正方向前進的運動趨勢,菜根對質點P有沿Y軸負方向的摩擦力,割刀和滑切質點之間有相對運動趨勢,故P點沿刃口切向的摩擦力

Ffτ=Fnf=Fntanφ

(2)

式中：f——滑切質點與割刀刃口的摩擦因數;

φ——滑切質點與割刀刃口的摩擦角,(°)。

將式(2)代入式(1)化簡可得

Fn(tanθ-tanφ)=maτ

(3)

割刀在正常工作狀態下法向力Fn>0,為使定刀和滑切質點之間產生相對滑動,滑切質點切向加速度必然大于零,即ατ>0,由式(2)可得θ>φ,即滑切角大于割刀和滑切質點間的摩擦角。該摩擦角是為兩者之間的復合摩擦角。經測定,其摩擦因數不超過0.5,對應的摩擦角約為25°,因此,割刀的設計滑切角需大于該摩擦角。參照一般滑切角取值范圍[13]為20°～55°。綜合滑切角與滑切效應的關系,選取滑切角θ為25°、40°、55°不同刀型開展試驗。

2.1.2 割刀刃口角確定

刀具刃口一般有雙面刃和單面刃,假設榨菜莖稈質地均勻,且兩種刃口的刀具材質和質量相同,對二者分別進行受力分析,如圖6所示。

(a) 雙面

1) 雙刃口刀具受力分析。如圖6(a)所示,通過對雙刃口刀片與莖稈間的受力分析,構建摩擦力f′的公式如式(3)所示。

f′=Ftanα

(4)

式中：f′——雙面刃楔面所受莖稈的摩擦力;

F——莖稈對雙面刃楔面的壓力;

α——刀具切割時的摩擦角。

同時可計算刀片所需的切割力,如式(5)所示。

(5)

式中：F2——雙面刃刀具所需的切割力;

β——刀具刃角。

2) 單刃口刀具受力分析。如圖6(b)所示,根據假設條件可知,F1=F、F3′=F3,同時摩擦角大小保持不變。根據式(4)可以類比推導出f1、f2,如式(6)和式(7)所示。

f1=F′tanα

(6)

f2=F1tanα

(7)

式中：f1——單面刃刀具下方所受莖稈的摩擦力;

f2——單面刃刀具楔面所受莖稈的摩擦力;

F′——莖稈對單面刃刀具下方的正壓力;

F1——莖稈對雙單刃楔面的壓力。

結合式(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+f2cosβ+F1sinβ+ma

(8)

式中：F2′——單面刃刀具所需的切割力;

F3′——莖稈對單面刃刀具刃口的阻力。

同時根據受力分析圖可求得出F′。

F′=F1cosβ-f2sinβ

(9)

結合式(8)和式(9)可得式(10)。

F2′=F3+2Fcosβtanα-Fsinβtan2α+Fsinβ

(10)

結合式(5)和式(10)可得式(11)。

ΔF2=F2-F2′

(11)

根據刀具設計要求,可確定β和α的邊界條件,如式(12)所示。

(12)

綜上所示,結合式(11)和式(12)可得出：ΔF2恒大于零。因此,本文采用單刃口的刀具類型作為切割刀片。

2.1.3 割刀刀架設計

為適應不同品種的榨菜切割收獲,V形滑切刀需安裝在可上下移動的刀架上,本問選用穩定性強且易調節的平行四桿機構作為刀架的基本結構。刀架各桿的牽引角α牽、長度l以及橫向寬度a的大小等都對平行四桿工作的穩定性有直接的影響。根據實際工作條件本研究確定刀桿上下平移高度為10～20 cm,如圖7所示平行四桿機構上下總運動量為h。

圖7 平行四桿機構參數圖Fig.7 Parameters of parallel four-shot mechanism

h=l[sin(α牽+α1)+sin(α2-α牽)]

(13)

式中：α1——上牽引角,(°);

α2——下牽引角,(°)。

若要上下牽引量相同,平行四桿的上下拉桿越長,則牽引角α變化范圍越小;上下拉桿越短,則牽引角α變化范圍越大。為使單組部件能夠穩定工作,牽引角變化范圍越小越好。因此,上下拉桿長一些有利。但拉桿加長,會使結構不緊湊,機具重心后移,對懸掛式刀架的縱向穩定性不利。

本研究參照一般的平行四桿機構設計原理,確定α牽為0°～10°,α2為6°～22°,即刀具最大入土深度時的向下移動牽引角6°～22°,α牽+α2為20°～40°,即刀具最小入土深度的向上移動牽引角20°～40°。

由于初始工作角α0=0°,上下移動高度相等,只計算一側即可,即連桿的長度

(14)

式中：L——連桿的長度;

h2——下移動量,mm;

α0——初始工作角,取0°。

基于以上分析,得出桿長范圍,刀架通過電動推桿控制刀桿無極升降,刀桿同時設有角度調節孔,確保刀具入土角可調,刀具位置布置緊湊,前置橡膠履帶保持了切根作業的穩定性,采用平行四桿機構構成,整機結構輕簡,刀架升降平穩,可適應丘陵山地收獲需求,平行四桿刀架如圖8所示。

圖8 平行四桿刀架Fig.8 Parallel four-shot knife rack1.割刀連接桿 2.電缸 3.刀架

2.2 切纓裝置設計

本設計中選用于榨菜打葉切纓的裝置采用無級變速電機驅動均勻分布的正反共6把刀具旋轉,并通過電缸調節打葉高度完成不同狀態下對成熟榨菜頂葉去除作業。打葉裝置由鋰電提供電力通過旋轉電機驅動刀片高速旋轉,并通過控制單元調節轉速,調速范圍為0～2 000 r/min,如圖9所示。

圖9 切纓裝置Fig.9 Diagram of tassel cutting device1.切纓刀 2.旋轉電機 3.切纓罩殼 4.電缸 5.切纓刀架

2.3 行走底盤設計

根據榨菜實際生長的田間情況,輪式底盤在榨菜田間容易打滑且前進過程中需要較大的牽引力,為保證機器在田間的良好通過性,確定選用履帶式底盤,并對履帶式行走裝置的行走速度v、接地比壓P、最大牽引力T等相關數據進行分析與計算。行走裝置要滿足不同作業情況的要求,針對不同的土壤情況,調整行走速度,設定行走速度在0.5～1.0 m/s之間。

履帶單位接地面積所承受的垂直荷載,稱為履帶接地比壓。假設兩條履帶與土壤完全接觸,且行走裝置的重心與機器的幾何中心重合,即

(15)

式中：P——履帶平均接地比壓,MPa;

G——機器工作重力與垂直外載荷所構成的合力,N;

b——履帶接地寬度,mm;

L——履帶接地區段長度,mm。

計算可得P=5 015.38 Pa,并依據榨菜種植壟寬與動需求設計的三角履帶底盤,主要技術參數如表2所示。

表2 履帶底盤的技術參數Tab.2 Technical parameters of the track chassis

3 田間試驗與分析

3.1 試驗條件與方案

為了確定榨菜聯合收獲機的最佳工作參數組合,針對所設計榨菜收獲機分別就打葉和根切分別進行正交試驗。試驗品種選擇涪雜4號,并于涪陵江北街道鄧家村分別進行了優化試驗與優化組合的性能試驗。

根據涪陵榨菜收獲農藝要求,打葉合格以打葉收獲后葉纓高度為指標,小于80 mm即為合格,其余為不合格;切根合格以切根位置距青菜頭縮短莖距離為指標,距離小于30 mm為合格,其余為不合格。以打葉合格率為試驗指標,刀具轉速、行走速度和刀軸中心距地高度為試驗因素開展打葉優化試驗;以切根合格率為試驗指標,以入土角度、行走速度和滑切角度為試驗因素開展切根優化試驗,得到優化組合后再進行優化組合的性能試驗。

因為打葉試驗和切根試驗因素間互不影響故采用六因素三水平正交試驗,根據實際榨菜打葉的可操作性和效率等因素,確定切纓裝置速度的較優范圍為1 000～2 000 r/min;承載底盤行走速度的較優范圍為0.5～1 m/s;刀軸中心高度的較優范圍為200～400 mm;確定刀具入土角度的較優范圍為0°～10°;刀具滑切角度的較優范圍為20°～55°。試驗因子水平如表3所示。

表3 試驗因素水平表Tab.3 Leaf-leaf test factors horizontal

3.2 試驗結果與分析

選擇榨菜切纓合格率與采收合格率作為試驗的評價標準,打葉試驗和切根試驗的9組試驗結果及統計結果如表4所示。A、B、C、D、E、F分別為刀具轉速、打葉行走速度、刀軸中心高度、入土角度、切根行走速度、滑切角度的因素編碼值。

表4 試驗方案及結果分析表Tab.4 Table of test scheme and result analysis

從表4可以看出,以試驗5打葉效果最優,其水平組合為A2B2C3,對試驗結果進行極差分析可知：R3>R1>R2,影響試驗結果的各因素關系為打葉高度>刀具轉速>打葉行走速度。試驗的最佳條件組合為：刀軸中心高度為400 mm,打葉行走速度為0.75 m/s,打葉刀轉速為1 500 r/min。

在切根試驗結果中試驗9效果最優,但在實際試驗中由于入土角度和行走速度較大,導致榨菜莖瘤表面損壞較多,所以取試驗4作為最優的水平組合,割刀入土角度對切根合格率影響最大,行走速度對打葉和切根作業的合格率影響較小。試驗的最佳條件組合為：刀具入土角度為5°,切根行走速度為0.5 m/s,刀具滑切角為40°。

由上述分析可見,車體行走速度對于打葉成功率和切根成功率影響較小,選取最優組合：切根刀具入土角為5°,刀具滑切角為40°、打葉刀軸中心高度400 mm、刀具轉速為1 500 r/min,切根行走速度定為0.5 m/s。

以此工作參數組合進行聯合收獲作業性能試驗,得到打葉成功率和切根成功率分別為96.8%和91.2%。

4 結論

1) 通過對榨菜種植農藝和物理特性進行分析,設計了一種定刀滑切式榨菜聯合收獲機,主要包括基于滑切原理設計的滑切型收獲割刀,該割刀具有滑切和收獲導向的作用,通過建立滑切質點坐標系對滑切角進行理論分析,該割刀可以有效地實現榨菜的切根收獲作業,設計滿足要求。

2) 結合榨菜收獲農藝分別對旋轉切纓裝置、平行四桿刀架以及履帶底盤進行關鍵參數設計、結構設計與仿真,設計用于安裝鏟刀的平行四桿刀架以及切纓裝置,實現了割刀的縱向位置可調,調整范圍是10～20 mm,使其可適應不同高度地隙與環境的榨菜切根作業,該機能夠較好地解決榨菜機械化收獲問題。

3) 分別進行了榨菜打葉和切根的多因素正交試驗及性能試驗,選取最優參數組合：切根刀具入土角為5°,刀具滑切角為40°、打葉刀軸中心高度400 mm、打葉刀轉速為1 500 r/min,行走速度為0.5 m/s,田間試驗表明,在最佳榨菜收獲參數下進行收獲作業下,打葉合格率和根切合格率可分別達到96.8%和91.2%。