胡萝卜联合收获机对顶部件的研究

鹿光耀，尚书旗，王东伟，李建东，韩文平，何晓宁

(1.青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛　266109；2.中机美诺科技股份有限公司，北京　100083)



胡萝卜联合收获机对顶部件的研究

鹿光耀1，尚书旗1，王东伟1，李建东2，韩文平1，何晓宁1

(1.青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛266109；2.中机美诺科技股份有限公司，北京100083)

摘要：针对国内自主研发的胡萝卜联合收获机在对顶切秧作业时对顶效果差、切割不干净及损伤率高的问题，研究了国内外各式各样的对顶部件。重点针对胡萝卜联合收获机皮带式对顶方式、链条式对顶方式进行了研究，并介绍了各种对顶方式的工作原理及优缺点。在上述对顶方式的基础上，设计出一种新型的V形滚轮式对顶部件，该部件采用并行排列且可以绕轴转动的两列橡胶辊作为对顶组件与胡萝卜接触，两列滚轮呈V形排列，从而减轻了滚轮径向的受力，使得滚轮不至于径向受力过大而不转动。该装置不仅实现了对顶作业，而且极大地降低了伤果率，为胡萝卜联合收获机的研发成功提供了理论依据。

关键词：胡萝卜收获机；切割装置；对顶部件；滚轮式；链条式；皮带式

0引言

胡萝卜是我国重要的经济作物之一，富含维生素，能够防癌抗癌，具有地下“小人参”的称号。我国是世界上胡萝卜种植面积和产量最大的国家，约占世界胡萝卜总种植面积的40%[1]。然而，我国胡萝卜机械化收获水平低，基本上依靠人工，或者利用其它根茎类收获机兼收胡萝卜，已严重制约了我国胡萝卜的生产发展[2]。胡萝卜根深200cm左右，国内胡萝卜种植模式多种多样，给胡萝卜收获机的研究设计带来很大困难。

对顶切割装置是胡萝卜联合收获机的核心组成部件，其好坏严重影响胡萝卜收获过程中的伤果率及切净率等。

要解决胡萝卜切割过程中的问题，首先应考虑的是如何将胡萝卜的茎叶在被切刀分离前对准刀口。所以，对顶部件的对顶精度直接影响胡萝卜机械化收获切割平整度，切割平整度又直接影响胡萝卜伤果率、切不净率等，间接影响胡萝卜的经济价值，而对顶精度又直接影响切割平整度。

本文通过对国内外各种形式的对顶部件的研究，成功设计出一种V形转动滚轮式对顶部件，成功地解决了胡萝卜对顶过程中易伤果及对顶效果差的问题。

1对顶部件形式

对顶部件是胡萝卜联合收获机的重要组成部分。对顶是胡萝卜茎叶被分离前的首要工作步骤，也是胡萝卜联合收获机切割装置的难点，只有将茎叶对顶到胡萝卜根茎结合部，才能完成完美的切割作业。根据对顶部件有没有动力驱动划分，对顶部件可以分为固定型对顶形式及外接动力型对顶形式；根据形式划分，胡萝卜对顶方式可以分为皮带型对顶形式、链条型对顶形式等。

1.1皮带式对顶部件

皮带式对顶部件是一种由外部输入动力的对顶方式，采用与斜向夹持部件水平速度相同的皮带作为对顶组件，结构相对简单。由于皮带质软，且皮带与胡萝卜的水平方向的速度相同，所以不会出现摩擦的现象。该装置对胡萝卜几乎没有损伤，但由于皮带质软，当胡萝卜被对顶后，受到向上的力较大，极易将皮带拉弯甚至脱带。该装置较早出现在美国，并被应用于胡萝卜联合收获机，能够基本实现将胡萝卜茎叶对顶的功能，但实际推广效果较差。目前，国内对皮带式对顶部件的研究应用较少。

1.2链条式对顶部件

国外所设计的胡萝卜联合收获机针对胡萝卜机械化收获切割过程中顶部不能完全对齐的问题，在胡萝卜斜向向上传送的过程中设置1个具有一定间隙的水平夹持导向装置，如图1所示。

图1中，链条式对顶部件能够有效地保证根叶分离装置完成胡萝卜根叶切割过程。胡萝卜植株在进入链条式对顶装置后，在斜向上的输送带的作用下，会逐渐被向上拉动，直到使得胡萝卜根部顶端紧紧贴在夹持链的底端，从而达到胡萝卜根部顶端对齐的目的；然后通过水平传输带的作用，胡萝卜将被慢慢喂入到切割装置，通过旋转的双圆盘刀切割装置完成根叶分离的切断过程[3]。这样不仅使胡萝卜在逐渐向的运动过程中根部保持对齐，而且使胡萝卜植株有序喂入到根叶切割分离装置中。为了抵抗恶劣的工作条件，链条式对顶部件的链条和链轮的材料采用了耐磨耐用、噪音低、质量轻的塑料尼龙，如图2所示。

1.斜向上夹持传输带　2.水平夹持导向装置

图2　塑料链轮和链条

安装有挡板式对顶部件的胡萝卜联合收获机进行了多次田间试验，测试获得伤果率为1.5%、漏切率为0.2%、切不净率为0.3%。试验结果表明：对顶切割装置切口平整，基本满足了胡萝卜收获的要求。

2V形滚轮式对顶部件

上述几种对顶装置应用于胡萝卜机械化收获均有利于提高切割平整度，但茎叶位置对顶准确度仍有待于提高。皮带式对顶容易出现打滑、松动等问题；链条式对顶容易对胡萝卜造成一定程度的损伤，又由于链条式对顶部件胡萝卜与挡板之间是刚性摩擦，所以极易擦伤胡萝卜，损伤率较高。为了解决这些问题，基于上述挡板对顶装置,本文成功设计出一种新形式的V形滚轮式对顶部件，该部件损伤率低、对顶效果好。

2.1结构及工作原理

所设计的V形滚轮式对顶部件主要由前支撑杆、后支撑杆、右侧滚轮及左侧滚轮等组成，结构如图3所示。

1.前支撑杆　2.后支撑杆　3.右侧滚轮　4.左侧滚轮

上述V形滚轮式对顶部件在挡板式对顶部件的基础上增加了两列对称的滚轮,可以有效地减小对胡萝卜根茎结合部的擦伤。前支撑杆与后支撑杆具有定位作用，通过调节前后支撑杆上的螺母可以调节两列滚轮之间的间隙，从而使得该部件能够适应不同生长状况下的胡萝卜收获作业。

工作过程中，胡萝卜联合收获机挖掘铲将胡萝卜从地下铲起，同时斜向上夹持输送装置将胡萝卜拔出并斜向上输送；当输送到一定高度时，胡萝卜进入水平放置的对顶部件形成的缝隙中，所设计缝隙大小仅允许胡萝卜秧叶能通过，但胡萝卜无法通过，从而只能沿对顶部件的方向向后运动，直到切刀将胡萝卜切下为止。

2.2结构参数分析

根据胡萝卜物理力学特性[4]，对胡萝卜联合收获机对顶部件进行受力分析，如图4所示。当胡萝卜运动至滚轮处时,滚轮受到向上的拉力F1，如果滚子水平放置,则向上的拉力全部转化为滚子所受的径向力; 但当将滚子转为斜置时，向上的拉力F1就分为径向力Fr和轴向力Fa，所以所受的径向力Fr就减少了。当径向力Fr小时，滚子就容易转动，不仅有利于减少对胡萝卜茎的擦伤，而且有利于提高胡萝卜茎叶被对顶的速度，不易堵塞。当然，滚子斜置的角度α不能过大，由于胡萝卜大小不一，角度α过大会导致对顶的位置不一样，所以选择斜置的角度对对顶整体效果具有很大影响。

图4　滚轮受力图

由受力分析，可得公式为

(1)

式中F1—滚子受到胡萝卜向上的拉力；

Fa—滚子所受轴向力；

Fr—滚子所受径向力；

α—滚子倾斜角。

滚子的倾斜角度不仅影响径向力的大小，而且影响两排斜置滚轮之间的距离L。胡萝卜的大小不一，决定滚轮之间的距离不宜过大，也不宜过小。当滚轮之间的夹角α过小时，摩擦力增大，不宜胡萝卜叶全部通过，影响胡萝卜茎叶的对顶；当滚轮之间的夹角过大时，尺寸小的胡萝卜会受到两排滚轮的碰撞甚至直接通过滚轮，无法实现切割作业。

把两滚子之间最远距离设定为55mm，根据图5所示可得公式为

L=55-39cosα

(2)

图5　滚轮间距图

利用测力器测定胡萝卜在水平夹持过程中所受拉力在较大情况下为2 000N左右，设定径向力最大情况下为300N左右。对胡萝卜联合收获机对顶部件滚子倾斜角与滚子间距、胡萝卜所受径向力应用MatLab数据软件进行编程分析，结果如图6所示。

图6　MatLab数据分析图

通过图6及公式可知：当夹角α减小时，距离L减小；当夹角α增大时，距离L增大。

结合胡萝卜形态特征，经多次试验可确定：夹角α设定为7°～9°时较适于胡萝卜茎叶分离，且可以防止胡萝卜被直接拉起至对顶部件上方，为胡萝卜联合收获机对顶部件的进一步研究提供了理论基础。

3性能试验

3.1试验条件及方法

对安装有V形滚轮式对顶部件的胡萝卜联合收获机进行田间试验，试验地点为山东省莱西市胡萝卜种植试验园。经测定，收获时气温25℃，田地内土壤的平均湿度为45%，地形为不平整的壤土。通过查阅可确定，针对胡萝卜联合收获机V形滚轮式对顶部件的性能指标主要有漏切率、损伤率、切不净率等。

以每次试验收获面积0.03hm2为1个单位，同等条件下重复6次；分别记录每次试验所收获的胡萝卜总个数、漏切个数、损伤个数及切不干净的胡萝卜个数；用每个单位漏切个数、损伤个数及切不净率分别除以胡萝卜总个数，获得每个单位的漏切率、损伤率、切不净率；然后计算其平均数，即可获得相关的试验数据。

3.2试验结果及分析

根据以上试验方法，计算6组数据的平均数，获得如下与对顶部件有关的数据，则

(3)

式中X—单位漏切率；

Y—单位损伤率；

Z—单位切不净率；

a—单位胡萝卜总个数；

b—单位胡萝卜漏切个数；

c—单位胡萝卜损伤个数；

d—单位胡萝卜切不净个数。

表1　试验数据

据以上试验计算出的数据(见表1)，与胡萝卜联合收获机链条式对顶方式所试验的结果数据进行对比试验，如表2所示。

表2　对比试验数据

根据表2中数据对比可知：安装于双行自走式胡萝卜联合收获机上的V形滚轮式对顶方式在降低漏切率、损伤率及切不净率等多个指标上均优于链条式对顶。

4结论

1) 针对胡萝卜联合收获机皮带式对顶方式、链条式对顶方式等进行了研究，系统分析了胡萝卜各种对顶部件的工作原理及优缺点，为胡萝卜联合收获机的进一步研发提供理论依据。

2)设计出的新型V形滚轮式对顶部件利用斜置的滚轮，不仅能够实现将胡萝卜茎叶在切割前被对顶，降低了切伤率，而且有效减小了胡萝卜与装置之间的摩擦，极大地降低了损伤率。通过与挡板式对顶部件进行对比性能试验可知：漏切率为0.15%，切不净率为0.2%，损伤率为1.0%。

3)新型V形滚轮式对顶部件结构简单紧凑、工作性能好，应用于胡萝卜联合收获机中能够有效改善对顶切割性能，达到胡萝卜收获的有关标准，并极大地提高了胡萝卜机械化收获的质量。

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Abstract ID:1003-188X(2016)02-0119-EA

Study on Lacy Components of Carrot Harvester

Lu Guangyao1， Shang Shuqi1， Wang Dongwei1， Li Jiandong2， Han Wenping1， He Xiaoning1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China; 2. MENOBLE Co.Ltd.,Beijing 100083, China)

Abstract：In view of the domestic invention-independently, carrot Combine harvester, whoes cutting effect is poor when zazing seedings, cutting not completely as well as high damage, this paper studies various zazi parts both at home and abroad, which mainly focuses on Belt-typed zazi, chain-pulled two ways, introduces various working principles , advantages and disadvantages. On the basis of in the neat way , design a new zazi parts, v-shaped roller, which parallels alignmently with two rubber rollers which columns circuition as zazing components in contact with the carrots. The two columns of roller are arranged in V-shape to reduce the radial stress, in case it not turn . The device not only realizes the zazi assignments, and greatly reduces the fruit injury , provides a theoretical basis for the success of carrot combine harvester.

Key words：carot harvester； cutting device; zazi parts; roller-typed; chain-pulled; belt type

文章编号：1003-188X(2016)02-0119-04

中图分类号：S225.7+2

文献标识码：A

作者简介：鹿光耀(1989-)，男，山东巨野人，硕士研究生，(E-mail)519359187@qq.com。通讯作者：尚书旗(1958-)，男，山东青州人，教授，博士生导师, (E-mail)sqshang@qau.edu.cn。

基金项目：国家公益性行业(农业)科研专项(201203028.4);青岛农业大学研究生创新计划项目(QYC201416)

收稿日期：2015-01-15