韭菜收獲機圓盤切割裝置設計與試驗

許斌星 陳永生 管春松 於鋒 陳華

摘要：針對現有韭菜收割機作業時出現的不完整、漏割等問題，結合韭菜的物理特性，設計一種兼具扶禾、切割、收集組合式韭菜收集機械。對關鍵部件圓盤刀進行結構參數、運動參數的確定，開展切割理論分析；利用MATLAB軟件，選取機具作業速度分別為0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s、0.5 m/s，對切割圓盤進行運動仿真，得到不同作業速度下的切割區域變化規律；以機具的作業速度為試驗因素，以割臺損失率、漏割損失率為指標，進行單因素試驗，確定機具作業速度范圍。結果表明，當韭菜收獲機圓盤刀轉速為3 000 r/min時，作業速度為0.4 m/s，韭菜切割收獲裝置性能最優，此時韭菜割臺損失率均值為2.8%、漏割損失率均值為2.2%。

關鍵詞：韭菜；圓盤切割；運動仿真；收獲機械

中圖分類號：S225.92

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 02007906

收稿日期：2022年8月12日 ?修回日期：2022年10月8日

基金項目：江蘇省現代農機裝備與技術示范推廣項目（NJ2020—05）；江蘇省現代農業（蔬菜）產業技術體系（JATS［2022］511）

第一作者：許斌星，男，1990年生，安徽安慶人，碩士，助理研究員；研究方向為農業廢棄物肥料化利用裝備及蔬菜裝備。Email： xbx1014@163.com

通訊作者：管春松，男，1987年生，江蘇鹽城人，博士，副研究員；研究方向為蔬菜裝備。Email： cs.guan@163.com

Design and experiment of disc cutting device for leek harvester

Xu Binxing1， Chen Yongsheng1， Guan Chunsong1， Yu Feng2， Chen Hua3

（1. Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China；

2. Agricultural Machinery Development and Application Center of Jiangsu Province， Nanjing， 210017， China；

3. Nantong Fulaiwei Agricultural Equipment Co.， Ltd.， Nantong， 226009， China）

Abstract：

Aiming at the problems of incomplete and missing cutting in the existing leek harvester， combined with the physical characteristics of leek， a kind of leek collecting machine was designed. The structural parameters and motion parameters of the key components of the disc knife were determined， and the cutting theory was analyzed. By using MATLAB software， the motion simulation of the cutting disc was carried out when the working speed of the machine was selected as 0.2 m/s， 0.3 m/s， 0.4 m/s， 0.5 m/s respectively， and the change law of cutting area under different operating speeds was obtained. Taking the working speed of the machines and tools as the test factor， and taking the header loss rate and missed cutting loss rate as the indicators， a single factor test was carried out. Through the analysis of the test results， the working speed range of the machines and tools was determined. The results showed that when the rotating speed of the disc cutter was 3 000 r/min and the working speed was 0.4 m/s， the performance of the leek cutting and harvesting device was the best， and the average loss rate of the leek cutting table was 2.8% and the average loss rate of the missing cutting was 2.2%.

Keywords：

leek; disc cutting; motion simulation; harvesting machinery

0 引言

韭菜是綠葉蔬菜典型代表之一，其種植面積占總菜田面積的5%～6%，每年收割4～5次，目前主要通過人工收獲，存在勞動強度大、工作效率低等問題。隨著現有勞動力的老齡化，機器換人收割勢在必行。韭菜的整個生產作業過程中，收割作業占整個作業質量的50%，收割后韭菜的質量直接影響了后續的加工與銷售等。國內相關的科研院所、企業都對韭菜的收獲機械進行研究，取得了一定的成果，但是在收獲過程中還存在夾持輸送不穩定、切割不整齊等問題，同時，行走過程中，由于地面的不平整等使得切割裝置對韭菜進行了入土切割，影響了工作效率與收獲質量［14］。

韭菜收獲過程中，切割裝置是關鍵部件，現有的切割方式根據切割刀不同分為往復式割刀、帶鋸式割刀及圓盤切割刀三大類，在工作過程中，前兩種形式易出現切割刀斷裂、卡死等現象，對韭菜的收獲造成了影響。圓盤切割使用較少，主要應用在牧草等領域收割，圓盤收割過程中，高速旋轉，根據留茬不同高度要求，圓盤切割刀高度可調，切割性能好、效率高［59］。蘇維慶等［2］根據韭菜收割原理設計一款溫室韭菜收割機，使機具一次完成韭菜的機械化收割和接收；閆文彬等［5］對圓盤切割牧草進行了研究，開展了切割刀的三維建模與運動仿真；趙滿全等［7］對雙圓盤到對牧草切割進行了研究，開展了切割仿真研究，并得到切割部件最優的工作參數與結構參數。

針對上述問題，本文設計一款手扶自走式韭菜收獲機，采用圓盤斜切割，切割刃口仿鐮刀鋸齒形刃，通過分析其工作原理，確定關鍵部件的結構參數、工作參數，開展理論分析與試驗研究，以期實現低損、少漏割的韭菜機械化作業要求。

1 韭菜基本物理特性

為合理設計切割裝置，在南通市通州區石崗鎮，不同區域，隨機選取種植行距為280mm，常見韭菜“獨根紅”品種成熟樣本180個，進行莖稈切斷，每段長60mm，分別測量每個樣本的物性參數。韭菜總長度集中在200～400mm，莖稈直徑集中在2.5～4mm，最大剪應力平均值為0.67MPa。

2 整體結構與工作原理

手扶自走式韭菜收獲機（圖1）主要由扶禾裝置、切割裝置、輸送裝置等組成，其中切割裝置為韭菜收獲過程中的關鍵裝置，包括切割電機、圓盤割刀、連接軸等部件，圓盤割刀上面的刃口曲線仿鐮刀鋸齒形刃口曲線結構設計，與地面呈一定傾角安裝。

工作原理：手扶整機，機具前進，兩側的扶禾裝置結合輸送帶將韭菜夾持輸送到高速旋轉圓盤割刀切割區域進行切割，切斷后的韭菜通過輸送帶向后輸送，完成韭菜從直立至水平放置的動作，向集框箱集中輸送，最后由人工轉運。

整機性能參數如表1所示。

1.輸送帶

2.撥禾裝置

3.切割圓盤

4.電機

5.行走輪

3 關鍵部件設計

根據整機的設計特點，韭菜的物理特性，選取圓盤刀切割，以減少切割阻力。圓盤切割裝置作為韭菜收獲機的重要組成部分之一，主要由電機、割刀、萬向節、連接軸等組成。其中，圓盤刀的結構與運動參數對韭菜收獲效果影響較大，本文重點對圓盤刀直徑、結構及轉速等進行設計計算。

3.1 結構參數設計

韭菜在切割過程中分為接觸階段與切割階段。在工作過程中，為了保證韭菜被切割后沿著刀盤旋轉的方向倒伏至輸送環節，韭菜莖稈受到刀盤對莖稈的摩擦力f和作用于莖稈的法向反力N，在接觸階段莖稈受力如圖2所示。

為了保證韭菜莖稈有效切割，需滿足在豎直方向摩擦力的分力大于法向反力分力，建立莖稈切割接觸力學模型如式（1）所示［1011］。

fcosα-Nsinα>0

f=μN

（1）

式中：

μ——摩擦因素；

α——鉗住角；

F——圓盤刀對莖稈摩擦力；

N——圓盤刀對莖稈推力。

根據韭菜莖稈物理特性參數測量結果，由鉗住角與刀盤半徑及莖稈半徑幾何關系式可知

α=arccosRR+r

（2）

式中：

R——圓盤半徑；

r——韭菜莖稈半徑。

為實現單壟全面覆蓋切割收獲，圓盤直徑需滿足大于割幅，割幅大小與機器的動力及整機重量有關，同時在工作過程中需要保證在作業時行走輪按照規定行走在固定的軌道內，所以圓盤直徑D應滿足以下條件［1215］。

W-2B≤D

（3）

式中：

W——機器后端兩個行走輪內側距離；

B——行走輪到割刀邊緣的距離。

設計的行走輪內側距離為270 mm，行走輪到切割刀邊緣距離最小滿足5 mm大小，結合式（1）～式（3），考慮整體設計要求，得到圓盤直徑為260 mm。

3.2 切割理論分析

刀刃切割韭菜時，韭菜先被動力壓緊，然后在刃口的壓力作用下破壞其莖稈，在切割過程中，物料沿刃口長度方向的滑移距離可降低對韭菜的正壓力破壞極限，在前進工程中，莖稈被切割受力情況［1617］如圖3所示。

建立切割點的位移方程如下

Vx=dxdt=Rωcosωt

Vy=dydt=Rωsinωt-V

Vj=Vx2+Vy2

（4）

式中：

Vx——

切割點沿X軸方向移動的距離；

Vy——

切割點沿Y軸方向移動的距離；

Vj——切割點的絕對速度；

V——機器的前進速度；

t——切割時間；

ω——角速度。

由圖3受力分析可得

V2=Vr2+V2-2VrVcos（∠BCE+∠ECD）

Vrcosε+Vsin∠BCE=Vjcosγ

Vrsinε-Vcos∠BCE=Vjsinγ

（5）

由式（4）、式（5）可得

tanγ=Rωsinε-Vcosε+α-π2

Rωcosε-Vsinε+α-π2

（6）

式中：

Vr——角速度；

γ——滑切角；

β——相位角；

ε——

曲線上任一點切線與徑點極徑的夾角。

從切割穩定性與效率角度看，當滑切角與鉗住角成函數線性關系時是合理的切割角度，同時根據合理的滑切角與鉗住角的合理取值范圍，為選取合適的切割速度提供理論依據與支撐［1819］。

3.3 運動參數設計

在切割階段，沿著前進方向，圓盤刀對莖稈產生推力。在推力F作用下，韭菜莖稈在xz平面產生轉角δ，如圖4所示，計算公式如式（7）所示。

δ=FH22EI

（7）

式中：

H——切割高度，mm；

EI——韭菜莖稈抗彎強度，GPa。

根據圖4幾何關系得

δ=180°×arctan（1 000ΔVxt/H）π

（8）

ΔVx=V-Vωx

Vωx=Vωcosα=2πnRcosα1 000

（9）

式中：

Vω——圓盤刀自轉線速度；

n——機具作業速度；

Vωx——

圓盤刀自轉線速度沿前進方向的分速度。

聯合式（7）～式（9）得到

F=2EI×180°×arctan1 000V-πnR×cosα30°t/HπH2

（10）

根據式（10）可知，韭菜在被切割過程中，推力超過其抗彎力極限時，韭菜莖稈產生傾斜影響切割效果。機具的作業速度與推力成正比，圓盤刀到轉速與推力成反比，綜合分析比較選取機具作業速度與圓盤刀轉速為切割收獲作業的關鍵運動參數。

為避免漏割，選取切割高度H為40 mm，根據力學特性試驗得到的抗彎模量，確定韭菜收獲最低作業速度為0.19 m/s，最高作業速度為0.53 m/s，因此兼顧切割收獲效果，確定試驗作業速度為0.2～0.5 m/s。韭菜切割屬于高速無支撐切割，設計轉速為52.892～63.638 r/s，結合選取的電機最高轉速為3 000 r/min，因此選取圓盤刀轉速為3 000 r/min。

3.4 作業速度分析

當圓盤轉速確定時，機具作業速度對切割質量影響較大，無論在田間試驗或者室內試驗機具不同速度作業動態切割過程無法觀察，動態仿真可進行模擬。因此針對圓盤半徑為260 mm，分別取機具作業速度為0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s、0.5 m/s，利用MATLAB對其運動軌跡進行仿真，結果如圖5所示。

（a） 機具作業速度為0.2 m/s

（b） 機具作業速度為0.3 m/s

（c） 機具作業速度為0.4 m/s

（d） 機具作業速度為0.5 m/s

從圖5可以看出，圓盤刀運動軌跡整體清晰，運動較合理，切割區域隨著作業速度逐漸提高而減小，結合機具的實際工作環境與工作效率等要求，合理的選取機具的作業速度，為整機的研究提供理論支撐。

4 試驗與分析

4.1 試驗方法

試驗田塊：2022年8月，在南通市通州區石崗鎮開展試驗，選擇當地有代表性的菜田，菜田應平整無磚頭、石塊；菜田各處的試驗條件要基本相同；菜田的面積應能滿足各測試項目的測定要求；測區長度不小于20 m，并留有適當的穩定區。

在試驗地隨機選取3個點，每點在全幅寬寬度、長度0.5 m的范圍內，按當地農藝要求的割茬高度，人工收割后稱重取平均值，并換算為單位面積的蔬菜產量Gy。圓盤轉速為3 000 r/min時，取機具的作業速度的轉速為主要影響因素，取值0.2 m/s、0.4 m/s、0.6 m/s、0.8 m/s、1.0 m/s，以割臺損失率與漏割損失率為評價指標，開展單因素試驗，每組試驗重復3次。

4.2 試驗因素與指標

在韭菜切割收獲過程中，有很多影響工作性能的因素，基于其前期設計，確定機具作業速度對本設計機構作業性能影響顯著。因此選取上述工作參數作為試驗因素，以割臺損失率、漏割損失率為試驗指標，開展韭菜高效收獲試驗。

割臺損失率

Sg=ZgGyBL×100%

（11）

式中：

Zg——

割臺損失質量，在割幅內，被切割下但未收獲的蔬菜，g；

Gy——

單位面積蔬菜產量，g/m2；

B——割幅寬度，m；

L——測定區長度，m。

漏割損失率

Sl=ZlGyBL×100%

（12）

式中：

Zl——

漏割損失質量，在割幅內，應割未割的蔬菜質量，g。

4.3 試驗結果與分析

試驗實測單位面積的韭菜產量為1 500 g，單因素試驗結果如圖6所示，隨著作業速度的逐漸增大，漏割損失率逐漸增加，在作業速度為0.4 m/s后，較為平穩逐步呈上升趨勢；割臺損失率同樣隨著作業速度先呈小幅度逐漸增加，在作業速度為0.4 m/s后，呈急劇上升趨勢，結合前期的理論設計得到的作業速度為0.2～0.5 m/s，考慮整體作業效率，當作業速度為0.4 m/s效果最佳，且韭菜割臺損失率為2.8%，漏割損失率為2.2%，滿足作業要求。

5 結論

1） ?針對現有韭菜收割機作業時出現的不完整、漏割等問題，結合韭菜的物理特性，對關鍵部件圓盤刀進行了結構參數、運動參數的確定，開展了切割理論分析，其中圓盤直徑為260 mm。

2） ?通過理論分析計算，確定機具作業速度與圓盤刀轉速為切割收獲作業的關鍵運動參數，得到機具作業速度為0.2～0.5 m/s，考慮選取圓盤轉速為3 000 r/min。

3） ?以機具的作業速度為試驗因素，以割臺損失率、漏割損失率為指標，進行了單因素試驗，通過對試驗結果進行分析，結果表明，當韭菜收獲機圓盤刀轉速為3 000 r/min時，作業速度為0.4 m/s，此時韭菜割臺損失率均值為2.8%、漏割損失率均值為2.2%，整體作業質量最佳。

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