芹菜收割力学特性及专用切割装置设计研究

马熙东

摘 要：在我国芹菜有悠久的历史，是日常生活中是非常常见的蔬菜之一。但由于收获作业的非常复杂，芹菜收获的机械化程度还很低。本文通过对芹菜收割力学特性进行研究，进而设计了专用刀具，提高了芹菜收割的便捷性和有效性。

关键词：芹菜;切割刀;夹持机构;剪切力;压应力

一、绪论

在我国芹菜有悠久的历史，是日常生活中是非常常见的蔬菜之一。目前，我国芹菜收割过程中的机械化程度不高，以手工收割为主。这就造成在收获期，农民的工作量巨大，且手工收割的质量常会影响芹菜的品质，造成其经济价值的损失。目前，对于芹菜收割机械的研究国内属于起步阶段，[1]收割机械主要以风送型和捡拾型两种为主，[2]其中：风送型的收获机通常适合于小植株类芹菜，而捡拾型收获机在钉齿捡拾过程中会对蔬菜造成机械损伤，影响芹菜收割品质。因此需要设计一种新型的收割機构，满足芹菜快速收割的需求。同时，不同芯径芹菜的剪切力特性各不相同，在设计专用切割刀具时需要基于剪切特性的分析进行强度和机构校核，提高收割装备的使用性和便捷性。

二、实验装置及设计方法

本文计划针对不同芯径的芹菜根部，利用MS-Pro质构仪对芹菜根部在收获切割时所受到的剪切力进行分析，并通过细致分析数据，得到芹菜根部断裂时的最大剪切力和剪切力随切割位移变化的关系，为接下来设计切刀提供数据支持。

（一）试验材料及设备

新鲜帯根芹菜若干，TMS-Pro质构仪。

（二）试验过程和步骤

（1）取5棵新鲜带根的芹菜，在TMS-Pro质构仪上选择剪切力测试程序，并完成相关试验设计。

（2）用TMS-Pro质构仪分别对5棵芹菜根部进行剪切力测试试验。实验数据分别保存至EXCEL中。

（3）对试验得到的数据进行整理分析。

三、芹菜收割力学特性分析

本文选取不同芯径帯根芹菜若干，并基于其茎部不同形变量（50%，40%，30%，28%，27%，26%，25%），利用TMS-Pro质构仪测试其应力特性，得到结果如下：

（1）设置芹菜茎部形变量为27%时的5组芹菜茎部有3组都有轻微损伤，2组无损伤。设置芹菜茎部变形量为26%时的5组芹菜茎部有1组有轻微损伤，4组无损伤。设置芹菜茎部变形量为25%时的5组芹菜均无损伤。

（2）芹菜茎部被破坏的临界点在芹菜茎部被压形变量为25%～27%范围内。

（3）根据试验结果，对比在芹菜茎部在收到压力以后的压应力变化曲线分析可得当芹菜茎部受到压应力大于200N时芹菜茎部出现严重损伤，茎部出现被压碎情况，当芹菜茎部受到压应力大于160N小于200N时会出现不同程度的损伤。当芹菜茎部受到的压应力小于160N时，芹菜茎部无损伤。所以在接下来的结构设计中芹菜茎部的压应力应该控制在160N以下，才能保证芹菜品质不受损坏。

四、芹菜专用切割装置设计

由上文芹菜压应力试验可知，芹菜茎部25-40cm位置所能承受的最大压应力为160N，单株芹菜重0.8-1Kg。因此，本文设计了对称的平带夹持机构、带式输送机构。同时，考虑芹菜自身特性，夹持机构尺寸较小，结构简单，所以可以用轴直接充当平带带轮。

芹菜直径为40mm，高度为70mm，确定夹持芹菜部位在芹菜距离地面25-40cm，查阅机械设计手册确定带轮的直径为80mm，宽度为150mm。为防止在转动过程中平带沿轴方向滑脱，所以在平带带轮边缘设计凸度，根据平带带轮的直径查机械设计手册得平带带轮的中凸度为0.8mm，由于凸度过大时有可能会对芹菜造成不必要的损伤，综合考虑设计轮缘边上有高4mm的凸缘，防止平带在工作过程中滑脱。并设计适当距离的过度距离，配合轴承套的安装。轴的材料选用45号钢，调质处理，力学性能为抗拉强度640Mpa，弯曲疲劳极限275Mpa，剪切疲劳极限155Mpa，许用弯曲应力60Mpa。

平带是芹菜传送过程中重要工具，本文平带宽度设计为150mm，长度为1500mm。同时选用轴承GB/T276-94（深沟球），轴承型号为6206，轴承与轴之间过渡配合，采用基孔制配合。

参考文献：

[1]梁坚，施俊侠.绿叶蔬菜收割机械研究现状[J].安徽农学通报，2018，21（20）.

[2]王俊，蔬菜机械化收获技术及发展[J].农业机械学报，2017，（2），82-84.

[3]郭伟.一种小型叶菜收获机械的研制[J].农业装备技术，2011，（4），13-14.

[4]高国华，王天宝，周增产，等.设施蔬菜收获切割影响因素优化试验[J].农业工程学报，2017，19（31），54-45.

[5]罗海峰，汤楚宙，邹冬生.龙须草茎秆往复式切割试验研究[J].农业工程学报，2018，28（2），28-35.