芹菜收割力學(xué)特性及專(zhuān)用切割裝置設(shè)計(jì)研究

馬熙東

摘?要：在我國(guó)芹菜有悠久的歷史，是日常生活中是非常常見(jiàn)的蔬菜之一。但由于收獲作業(yè)的非常復(fù)雜，芹菜收獲的機(jī)械化程度還很低。本文通過(guò)對(duì)芹菜收割力學(xué)特性進(jìn)行研究，進(jìn)而設(shè)計(jì)了專(zhuān)用刀具，提高了芹菜收割的便捷性和有效性。

關(guān)鍵詞：芹菜;切割刀;夾持機(jī)構(gòu);剪切力;壓應(yīng)力

一、緒論

在我國(guó)芹菜有悠久的歷史，是日常生活中是非常常見(jiàn)的蔬菜之一。目前，我國(guó)芹菜收割過(guò)程中的機(jī)械化程度不高，以手工收割為主。這就造成在收獲期，農(nóng)民的工作量巨大，且手工收割的質(zhì)量常會(huì)影響芹菜的品質(zhì)，造成其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的損失。目前，對(duì)于芹菜收割機(jī)械的研究國(guó)內(nèi)屬于起步階段，[1]收割機(jī)械主要以風(fēng)送型和撿拾型兩種為主，[2]其中：風(fēng)送型的收獲機(jī)通常適合于小植株類(lèi)芹菜，而撿拾型收獲機(jī)在釘齒撿拾過(guò)程中會(huì)對(duì)蔬菜造成機(jī)械損傷，影響芹菜收割品質(zhì)。因此需要設(shè)計(jì)一種新型的收割機(jī)構(gòu)，滿足芹菜快速收割的需求。同時(shí)，不同芯徑芹菜的剪切力特性各不相同，在設(shè)計(jì)專(zhuān)用切割刀具時(shí)需要基于剪切特性的分析進(jìn)行強(qiáng)度和機(jī)構(gòu)校核，提高收割裝備的使用性和便捷性。

二、實(shí)驗(yàn)裝置及設(shè)計(jì)方法

本文計(jì)劃針對(duì)不同芯徑的芹菜根部，利用MS-Pro質(zhì)構(gòu)儀對(duì)芹菜根部在收獲切割時(shí)所受到的剪切力進(jìn)行分析，并通過(guò)細(xì)致分析數(shù)據(jù)，得到芹菜根部斷裂時(shí)的最大剪切力和剪切力隨切割位移變化的關(guān)系，為接下來(lái)設(shè)計(jì)切刀提供數(shù)據(jù)支持。

（一）試驗(yàn)材料及設(shè)備

新鮮帯根芹菜若干，TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀。

（二）試驗(yàn)過(guò)程和步驟

（1）取5棵新鮮帶根的芹菜，在TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀上選擇剪切力測(cè)試程序，并完成相關(guān)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

（2）用TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀分別對(duì)5棵芹菜根部進(jìn)行剪切力測(cè)試試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別保存至EXCEL中。

（3）對(duì)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。

三、芹菜收割力學(xué)特性分析

本文選取不同芯徑帯根芹菜若干，并基于其莖部不同形變量（50%，40%，30%，28%，27%，26%，25%），利用TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試其應(yīng)力特性，得到結(jié)果如下：

（1）設(shè)置芹菜莖部形變量為27%時(shí)的5組芹菜莖部有3組都有輕微損傷，2組無(wú)損傷。設(shè)置芹菜莖部變形量為26%時(shí)的5組芹菜莖部有1組有輕微損傷，4組無(wú)損傷。設(shè)置芹菜莖部變形量為25%時(shí)的5組芹菜均無(wú)損傷。

（2）芹菜莖部被破壞的臨界點(diǎn)在芹菜莖部被壓形變量為25%～27%范圍內(nèi)。

（3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比在芹菜莖部在收到壓力以后的壓應(yīng)力變化曲線分析可得當(dāng)芹菜莖部受到壓應(yīng)力大于200N時(shí)芹菜莖部出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，莖部出現(xiàn)被壓碎情況，當(dāng)芹菜莖部受到壓應(yīng)力大于160N小于200N時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷。當(dāng)芹菜莖部受到的壓應(yīng)力小于160N時(shí)，芹菜莖部無(wú)損傷。所以在接下來(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中芹菜莖部的壓應(yīng)力應(yīng)該控制在160N以下，才能保證芹菜品質(zhì)不受損壞。

四、芹菜專(zhuān)用切割裝置設(shè)計(jì)

由上文芹菜壓應(yīng)力試驗(yàn)可知，芹菜莖部25-40cm位置所能承受的最大壓應(yīng)力為160N，單株芹菜重0.8-1Kg。因此，本文設(shè)計(jì)了對(duì)稱的平帶夾持機(jī)構(gòu)、帶式輸送機(jī)構(gòu)。同時(shí)，考慮芹菜自身特性，夾持機(jī)構(gòu)尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以可以用軸直接充當(dāng)平帶帶輪。

芹菜直徑為40mm，高度為70mm，確定夾持芹菜部位在芹菜距離地面25-40cm，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)確定帶輪的直徑為80mm，寬度為150mm。為防止在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中平帶沿軸方向滑脫，所以在平帶帶輪邊緣設(shè)計(jì)凸度，根據(jù)平帶帶輪的直徑查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得平帶帶輪的中凸度為0.8mm，由于凸度過(guò)大時(shí)有可能會(huì)對(duì)芹菜造成不必要的損傷，綜合考慮設(shè)計(jì)輪緣邊上有高4mm的凸緣，防止平帶在工作過(guò)程中滑脫。并設(shè)計(jì)適當(dāng)距離的過(guò)度距離，配合軸承套的安裝。軸的材料選用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度640Mpa，彎曲疲勞極限275Mpa，剪切疲勞極限155Mpa，許用彎曲應(yīng)力60Mpa。

平帶是芹菜傳送過(guò)程中重要工具，本文平帶寬度設(shè)計(jì)為150mm，長(zhǎng)度為1500mm。同時(shí)選用軸承GB/T276-94（深溝球），軸承型號(hào)為6206，軸承與軸之間過(guò)渡配合，采用基孔制配合。

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