圆盘切割式蓖麻采摘装置设计与试验

孔凡婷，王德福，石 磊，吴 腾，陈长林，孙勇飞，谢 庆

（1. 东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030； 2. 农业农村部南京农业机械化研究所，南京 210014）

0 引 言

蓖麻是重要的农业与工业原料[1]。蓖麻油是自然界中发现的唯一可替代石油产品的可再生植物油脂[2]，广泛应用于航空、化工、医疗等领域，随着现代工业的迅速发展，国际市场对蓖麻需求急剧上升。中国作为蓖麻主要生产国及消费国之一，蓖麻蒴果年均总产量低于20 万t，而年需求量在40 万t 以上[3]。蓖麻生产尤其是收获环节的机械化程度较低，限制了蓖麻产业发展。

目前，国内市场还未有成熟的蓖麻收获装备，蓖麻收获工作基本由人工完成[4]，当前蓖麻产业迫切需求收获损失小、工作效率高的蓖麻收获机。国外公司研制了几款蓖麻收获机械，主要有德国CLAAS 公司[5]研制的一种全喂入式蓖麻收获机，该机机械化程度高，但漏采率和破损率高；美国DEERE 公司[6]设计的振摇式蓖麻收获机，含水率高时采净率低。国内李长河等[7]设计的梳齿式蓖麻采摘装置，利用相邻两齿的夹持作用在采摘器的旋转运动下使蓖麻与茎秆分离完成采摘，适应结穗高度较低的矮秆蓖麻的采摘较难；吴志峰等[8]研制的蓖麻收获机，通过切刀切断蓖麻茎秆后将植株卷入脱粒滚筒完成蓖麻收获，但采净率仅为67.1%，收获效果有待提高；李焰宏等[9]研制的自走式蓖麻收获机，是以玉米收获机为基础改进的，蓖麻果实破损现象严重；吴腾等[10-11]研制的4BZ-4自走式蓖麻收获机，采用辊刷方式将蓖麻蒴果从茎秆上梳刷下完成蓖麻蒴果收获，主要适用于高秆蓖麻收获。目前，蓖麻收获装备仍存在采摘损失率较高、对低矮植株收获适应性差的问题。

为此，本文针对国内种植的低矮蓖麻，基于茎秆物理特性及收获工艺特点[12-16]，通过对关键部件的受力及作业原理分析，设计了圆盘切割式蓖麻采摘装置。并以割茬高度差和采摘损失率为评价指标，以不同刀盘结构类型、刀盘转速、前进速度为试验因素，开展三因素三水平的正交试验，确定该采摘装置工作参数及刀盘结构形式，并通过田间试验进行验证，以期为切割式蓖麻采摘装置研究与优化提供参考。

1 蓖麻植株物理特性参数

1.1 植株特性参数

本文试验用蓖麻品种为以色列凯丰5 号，于2020 年4 月中旬由气吸式播种机播种。2020 年10 月中旬针对成熟较好的蓖麻植株进行物理特性参数测量，采用五点法进行田间取样，每个取样点选取30 株蓖麻植株，参数结果取平均值，植株及田间种植情况主要参数如表1所示。

表1 蓖麻种植及植株特性参数Table 1 Planting and plant characteristic parameters of castor

1.2 力学特性参数

蓖麻切割过程中，为避免采摘装置对茎秆过度推挤造成其屈曲，而导致刀盘无法钳住茎秆进行切割，本文对蓖麻茎秆的力学特性进行分析，测定蓖麻茎秆的弯曲力学特性参数，为本设计提供理论支持。蓖麻茎秆弯曲力学特性试验在南京农业机械化研究所实验室进行，试验设备采用WDW-10 微机控制电子万能试验机，试验力示值精度在±1%内，最大试验力为10 kN，由微机控制自动完成加载、卸载及数据采集与分析。其他仪器包括测试夹具、游标卡尺等。

茎秆弯曲试验样品平均长度993.7 mm，主茎平均直径为21.4 mm。将蓖麻茎秆根据果实分布分为上、中、下三个部分。试验截取蓖麻下部茎秆300 mm 段，以所截取茎秆的中间长度为160 mm 茎秆作为试样，如图1a 所示，试验采取三点弯曲法进行。试验时，将试样水平放置在试验机自带的压头及支座之间，支座跨距为80 mm（如图1b），试验过程中确保试验机压头位于试样的中点，加载速度为10 mm/min。以上测量重复50 次取均值，测得茎秆的抗弯力范围在104.5～162.8 N。切割过程中茎秆相当于一个受集中力的悬臂梁，需根据茎秆抗弯强度进行切割过程弯曲力计算，参考文献[17]计算茎秆的抗弯强度为8.69～13.54 MPa。

2 总体结构及工作原理

切割式蓖麻收获机整机主要包括圆盘切割式蓖麻采摘装置、输送装置、脱粒清选装置、粮箱、动力系统、底盘等，其结构及性能参数如表2 所示。

表2 整机结构及性能参数Table 2 Machine structure and performance parameters

圆盘切割式蓖麻采摘装置主要由机架、蒴果回收机构、双圆盘切割机构和传动系统等组成，如图2 所示。

蓖麻收获作业时，在液压马达带动下动力传输至拨齿链，拨齿链从动链轮与双圆盘切割机构的圆盘刀盘同轴，随两拨齿链传动实现双圆盘刀对向旋转，从而对蓖麻植株进行切割。然后切割下的蓖麻植株由拨齿链向后拨送至割台输送搅龙，机具震动或击打落下的蓖麻蒴果掉落至蒴果回收机构，回收机构的输送带将其运输至割台输送搅龙，绝大部分掉落的蒴果会在枝杆的刮带下进入输送通道；输送搅龙间隙可调，且在送入输送通道时横搅龙结构为指杆式推送，其挤压情况较少，蓖麻蒴果在指杆的快速打击下极少造成果仁破损。植株通过搅龙输送喂入至配套装备的清选装置，从而完成蓖麻采摘。

3 关键部件设计

3.1 双圆盘切割机构

切割机构按切割方式主要分为往复式和旋转式[18-20]，基于蓖麻茎秆高、硬的物理特性，选择旋转式以减少切割阻力，降低因震动造成的损失率[21]。按圆盘配置方式分为单圆盘和双圆盘两种[22]，单圆盘切割机构喂入能力较差，一般只用在夹持输送喂入的收获机上，因此采摘装置采用双圆盘式切割机构[23]。

作为蓖麻双圆盘切割式采摘装置的重要组成部分之一，双圆盘切割机构主要由液压马达、传动链轮与齿轮、拨齿链、圆盘刀及刀轴等组成。其中，圆盘刀结构及运动参数显著影响蓖麻收获效果[24-25]，本文重点对刀盘半径、刀盘重叠量、刀盘结构及刀盘转速进行计算。

3.1.1 结构参数设计

蓖麻茎秆切割过程分为切割接触阶段和切割阶段。在切割接触阶段，圆盘刀的结构参数对茎秆接触受力有较大影响，茎秆受到刀盘作用于茎秆的摩擦力Ff和刀盘推力FN两个力，该阶段茎秆受力如图3 所示。

为保证圆盘刀对蓖麻茎秆有效夹持切割，需满足刀盘夹持力大于对茎秆的推挤力。以单侧力进行分析（两刀盘对茎秆接触力施力对称），建立茎秆切割接触力学模型如式（1）所示。

联立式（1）～（3）解得5.84 mm

3.1.2 运动参数设计

圆盘刀接触茎秆后夹持茎秆进行切割，同时产生前进方向推力。在前进方向推力Fx作用下蓖麻茎秆在xz平面内产生转角θxz，如图4 所示，计算公式[26]如下：

式中EI 为蓖麻茎秆抗弯强度，GPa。

在接触过程中前进方向推力超过茎秆的抗弯力极限时，茎秆产生倾斜影响切割效果。由式（9）可知，蓖麻茎秆前进方向推力与前进速度正相关，与刀盘转速负相关，前进速度与刀盘转速为影响切割作业参数的关键运动参数。

为避免漏割，割刀切割高度L取150 mm，根据力学特性试验测得蓖麻切割处茎秆的抗弯模量，确定收割机最低作业速度（前进速度）为0.8 m/s。收割机最高作业速度为1.58 m/s。因此，兼顾收割机质量及效率，确定试验作业速度范围为0.8～1.4 m/s。双圆盘切割属于低速有支撑切割，参考文献[27]设计圆盘刀最低转速为400 r/min；结合液压马达动力系统条件，设计圆盘刀最高转速为802 r/min。因此，试验刀盘转速范围为400～800 r/min。

3.1.3 圆盘刀结构设计

圆盘刀结构对切割阻力有重要影响，由高略契金力学试验常数定理可知，切割阻力与切割作业的刃口形状和刃口作业时的有效弧长有关。为增加有效弧长长度、减少切割阻力，本文设计了一款波浪形圆盘刀。本研究选择常用的光刃形圆盘刀、锯齿形圆盘刀及本文设计的波浪形圆盘刀进行蓖麻收获性能对比试验。3 种圆盘刀半径均为90 mm、基体厚度3 mm、刃口角为16.7°，均采用高速钢制造；其中，锯齿形圆盘刀齿数为40、前角为55°、后角为20°，刀盘结构如图5 所示。

如图5a 所示，光刃形圆盘刀在切割过程中受到的反作用力为切割压力，以滑切为主的切割过程平稳，切割阻力较小。如图5b 所示，锯齿形圆盘刀在切割过程中受到的反作用力主要为切割拉力，锯齿能钩住蓖麻茎秆不断锯切，钳住茎秆的能力强，但切割时锯齿的切割冲击造成切割阻力较大。如图5c 所示，波浪形圆盘刀有效刃口长度更长，割刀与茎秆接触面积小，摩擦阻力较小；切割过程中存在滑切与砍切作用，可有效降低切割阻力。由上述分析可知，刀盘结构对切割效果影响较大，因此对光刃形、锯齿形及波浪形3 种结构刀盘进行对比试验。

因光刃形圆盘刀及锯齿形圆刀在农业工程领域使用较多，不对其进行参数设计；而波浪形刀盘使用较少，基于蓖麻茎秆物理特性，需对波浪形圆盘刀刃口结构参数进行设计。为确定波浪形圆盘刀结构参数，对其滑切角进行计算，根据极坐标系中两点距离计算公式可知（如图5c），波浪形圆盘刀外端m点极坐标方程为

因切割阻力最大点为刀盘接触茎秆后，根据几何关系计算得该点极角θ=41.63°。圆弧半径越小其滑切角越小，但圆弧半径过小加工成本高且摩擦阻力增加。滑切角为20°～55°时对于降低切割功耗是有利的[28]，综合实际情况，滑切角为41.52°时，根据式（16）确定圆弧半径为10 mm，圆弧圆心极坐标为（80 mm，47°），刀盘圆周布置14 段圆弧刃口曲线。

3.2 拨齿链

拨齿链的作用是将切割下来的蓖麻植株准确、可靠地夹持输送到后续作业单元，蓖麻茎秆枝杈较多且稠密、杂乱，为保证茎秆连续流畅的移动，减少因植株输送不畅造成的采摘损失，则对拨齿结构参数进行计算及设计。

切割后茎秆头部在采摘台的推动下大部分向前端倾倒（以分禾器为前端、搅龙方向为后端，下同），极少量茎秆向后倾倒。因此，本文以向前端倾倒为例进行力学分析，根据静力学约束定理可知，前拨齿对蓖麻茎秆作用力F1方向为作用点A沿接触处的公法线，并指向被约束的茎秆；由三力平衡定理可知，B点为蓖麻与后一拨齿作用点，其约束力F2必过F1与G的交点C，如图6 所示。

如图6 所示，由几何关系可得：

圆盘刀切断蓖麻茎秆后，因蓖麻植株重心位置及主茎尺寸的差异性，拨齿不可能平行夹持，茎秆倾倒后形成搭夹形式。夹持间距过大时，因重心不平衡蓖麻茎秆倾倒角度过大，倾倒产生的击打力使采摘损失增大；而间距过小则不能有效夹持茎秆。蓖麻植株重心到切割点距离统计平均为404.6 mm，根据式（18）、式（20），综合考虑蓖麻茎秆直径及安装空间位置，设计夹持高度l2为80 mm，拨齿间距s为38.1 mm，拨齿高度h为37 mm。根据拨齿参数，选择现有的12A 玉米拨齿链，其拨齿线速度与圆盘刀线速度相近。

3.3 蒴果回收机构

蓖麻蒴果成熟后果柄与蒴果连接力较小，在切割过程中，机具振动或切割作业时极易引起蒴果掉落。因此，本文在切割装置旁布置收集机构进行蒴果回收，综合承载能力、输送速度及整体高度等，选择输送带进行蒴果收集。

在圆盘刀进行切割作业时，可进行下一株蓖麻对行，输送距离长度设计为1 000 mm。假设输送距离内两侧的蓖麻蒴果全部掉落在输送带，则蒴果在输送带上完全铺开面积S为

式中m为单棵蓖麻茎秆的蒴果数量；cr为蒴果直径，mm。

测定单棵蓖麻蒴果数量平均为160 颗，以蒴果直径为18 mm[16]进行计算，则输送带宽度应大于165 mm。考虑植株可能倾搭在输送带上，为保证蒴果输送稳定，设计输送带工作宽度为250 mm。输送带两侧装有导板及封毛，保证蒴果可回落至输送带。

正常工作情况下输送带为水平状态，但由于田间条件不同，收获时采摘装置不能与地面时刻保持平行，即输送带与地面会形成一定的夹角。当输送带与地面形成一定的俯角时，输送带速度过小则无法实现蒴果的有效收集。在一定的倾角下，对蒴果进行运动分析，如图7 所示。

式中vt为输送带速度，m/s；γ为机器与地面形成的夹角，(°)。

为避免出现蒴果输送问题，应考虑蒴果与传送带的摩擦角，参考文献[29]蓖麻蒴果与输送带、蒴果间静摩擦系数为0.6，输送带倾斜角度可大于30°而蒴果不发生滑动。实际情况下γ一般小于15°，其摩擦角远大于机具倾斜角度，依据机具与地面夹角进行输送带速度计算。根据机具与地面夹角及收割机作业速度范围，设计输送带速度范围为0.9～1.6 m/s。

3.4 传动系统

双圆盘切割式蓖麻采摘装置传动系统主要由液压驱动马达、齿轮、链轮、轴等组成，其作用是把发动机输入的动力通过液压马达和机械传动系统实现变向和变速，将运动和动力传递到工作部件，完成蓖麻采摘收集过程。

传动原理如图8 所示。本文中双圆盘切割式蓖麻采摘装置左右各配置一组串联的液压马达，以一侧马达动力传输为例进行说明：在液压马达的驱动下，通过链传动系统将动力传输至蒴果输送带，完成掉落蒴果的回收工作。同轴的锥齿轮转向将横向转动转换为纵向转动，将动力传输至拨齿链，使拨齿对向旋转，保证将切割下来的蓖麻茎秆拨送至割台输送搅龙；与此同时，拨齿链的链传动系统将动力传递给同轴的双圆盘刀，圆盘刀在对向旋转的动力作用下完成蓖麻茎秆的切割作业。

传动过程中，双圆盘切割机构与拨齿链同转速，拨齿链、圆盘刀及输送带转速均由液压马达转速决定。

4 田间试验

4.1 试验条件

为检验双圆盘切割装置的实际作业性能，2020 年10月在内蒙古自治区呼和浩特市土默特左旗耳林岱村进行切割式蓖麻采摘台采摘作业性能试验，试验田块土壤类型为栗钙土，土壤含水率15%～20%；蓖麻平均种植行距为700 mm、株距为550 mm；蓖麻品种为以色列凯丰5号，有少量倒伏，蒴果含水率为8.2%～9.3%，茎秆含水率为12.5%～20.8%，植株平均高度为993.7 mm，主茎平均直径为21.4 mm。试验选用星光4LZ-5.0Z 型全喂入联合收割机（标定功率78 kW），采摘装置挂接在喂入横搅龙机架上，如图9 所示。其他辅助工具有电子秤（中国上海立晨仪器技术有限公司产，型号：YP300001D，量程0～30 kg，精度0.1 g）；游标卡尺、皮尺（0～150 m）和秒表等设备。

4.2 试验方法

4.2.1 试验因素

圆盘刀转速和收割机行走速度是影响合速度变化的主要因素，本文在预试验的基础上，选择刀盘结构类型、前进速度和刀盘转速3 个因素作为影响因素。

根据前文分析，选择光刃形、锯齿形和波浪形圆盘刀作为圆盘刀类型的3 个水平；3 种试验用圆盘刀直径、基体厚度、刃口角、材质均相同。在刀盘转速范围内设置400、600、800 r/min 3 个水平。在收割机作业速度范围内，依据收割机档位设置该机行走速度为0.8、1.1、1.4 m/s 3 个水平。试验因素和水平如表3 所示。

表3 试验因素和水平Table 3 Test factors and levels

4.2.2 评价指标

目前还没有针对蓖麻收获装备的试验标准，本文参照国家标准 GB/T 5262-2008《农业机械测定试验条件 测定方法的一般规定》[30]和国家标准GB/T 8097-2008《收获机械 联合收割机 试验方法》[31]。

割茬高度差测定：在稳定工作状态下，沿收割机作业方向随机选取20 株蓖麻茎秆，割茬高度差按式（23）进行测量，共测量5 组，结果取平均值。

式中hd为割茬高度差，mm；hh割茬最高离地距离，mm；lh割茬最低离地距离，mm。

采摘损失率测定：为排除收割机清选、提升等装置产生的损失对试验结果的影响，在试验田块随机停止作业，选取圆盘切割式蓖麻采摘装置到清选装置间长度为2 m、宽度为机具作业幅宽作为测试区。试验前测量自然损失率nr（即未进行试验前，田间已掉落蓖麻蒴果质量与收获总质量的百分比），%。

共测试5 组，结果取平均值。

式中rh为采摘损失率，%；rt1为测试区总损失率，%；m1为测试区总损失质量，g；m2为测试区内蓖麻蒴果总质量，g。

5 结果与分析

5.1 极差与方差分析

试验采用L9(34)正交表进行试验设计，正交试验结果如表4 所示，田间试验割茬高度差为0.85～5.13 mm，采摘损失率为3.15%～5.48%。

表4 试验方案和结果Table 4 Test plan and results

极差分析结果如表5 所示，各因素对割茬高度影响主次顺序为刀盘结构类型、刀盘转速、前进速度，优水平为A3B3C1，即刀盘结构类型为波浪形，刀盘转速为800 r/min，前进速度为0.8 m/s。各因素对采摘损失率影响主次顺序为刀盘结构类型、前进速度、刀盘转速，优水平为A3B2C2，即刀盘结构类型为波浪形，刀盘转速为600 r/min，收割机前进速度为1.1 m/s。试验最优参数组合需依据极差分析确定各因素对评价指标影响显著性进行选取。

表5 极差分析Table 5 Range analysis

为判断各试验因素对试验指标的显著性影响，对试验结果进行方差分析，结果如表6 所示。

表6 方差分析Table 6 Variance analysis

由表6 可知，刀盘结构类型对割茬高度差影响显著，刀盘转速、收割机前进速度对割茬高度差影响不显著。主要由于光刃形及波浪形圆盘刀齿间过渡平稳，切割过程更加平缓，割茬高度一致性好；锯齿形圆盘刀锯齿能钩住蓖麻茎秆不断锯切，钳住茎秆的能力强，但切割时锯齿的拉应力会造成蓖麻茎秆劈裂产生一定的高度差。刀盘转速和收割机行走速度会影响茎秆经切割区时被圆盘刀齿切割次数，但对切割作用力影响较小，对割茬高度差影响小。

由方差分析结果可知，刀盘转速对采摘损失率影响显著，刀盘结构类型、收割机前进速度对采摘损失率影响极显著。这是因为刀盘转速提高，降低茎秆未被切割而被拉断的概率，减少切割震动引起的采摘损失；但刀盘转速过高时，刀盘滑切角较大，过大的滑切角切割时易产生滑移[32]，此时刀刃不能钳住茎秆，蓖麻易被推挤出去而产生茎秆弯曲，造成采摘损失率增加。光刃形与波浪形圆盘刀在切割过程中受到的反作用力均主要为切割压力，切割过程平稳无振动；其中波浪形曲线刃口更利于钳住蓖麻茎秆，可有效降低切割损失；而锯齿型圆盘刀在切割过程中其冲击产生的惯性有利于将茎秆顺利切开、切断，但可能造成蓖麻收获损失率增加。收割机前进速度较大时，蓖麻枝杆与装置碰撞时间短，蒴果掉落少、采摘损失率低；但前进速度过快时，掉落的蒴果与机具撞击反弹力较大，蓖麻蒴果飞溅，回收装置不能有效回收造成采摘损失增加。

5.2 试验验证

根据综合平衡法，因为各因素对采摘损失率影响显著，且损失率会对经济效益产生影响。在保证割茬高度差的前提下，选取X3Y2Z2组合参数，即刀盘结构类型为波浪形，刀盘转速为600 r/min，前进速度为1.1 m/s。田间验证试验进行3 次重复试验，试验结果如表7 所示。

表7 试验验证结果Table 7 Test verification results

验证试验结果表明，当刀盘结构类型为波浪形，刀盘转速为600 r/min，前进速度为1.1 m/s 时，波浪形圆盘切割式蓖麻采摘装置作业平均割茬高度差为0.85 mm、平均采摘损失率为3.13%，割茬高度、切口性状的一致性、损失率达到技术要求。综上可知，本研究设计的双圆盘切割式蓖麻采摘装置具有损失率低、效率高、农艺适应性好等优点，各部件功能与作业效果可达到设计预期，能够满足蓖麻收获的田间作业要求。

6 结 论

1）结合蓖麻植株的生理特性，在双圆盘切割机构、拨齿链、回收机构分析基础上，设计了一种圆盘切割式蓖麻采摘装置。

2）以刀盘结构类型、前进速度和刀盘转速3 个影响因素，割茬高度差、采摘损失率为评价指标进行正交试验。试验结果表明，对割茬高度的优水平参数：刀盘结构类型为波浪形，刀盘转速为800 r/min，前进速度为0.8 m/s；刀盘结构类型对割茬高度差影响显著，刀盘转速、前进速度的影响不显著。采摘损失率的优水平参数：刀盘结构类型为波浪形，刀盘转速为600 r/min，前进速度为1.1 m/s；刀盘转速对采摘损失率影响显著，刀盘结构类型、前进速度的影响极显著。

3）保证割茬高度差的前提下，以采摘损失率为主要指标，利用综合平衡法确定最优参数组合：刀盘结构类型为波浪形，刀盘转速为600 r/min，前进速度为1.1 m/s。并进行了田间试验验证：平均割茬高度差为0.85 mm，平均采摘损失率为3.13%。试验结果可为全喂入蓖麻收获机及相关研究提供数据基础和技术支持。