甜菜收獲機(jī)齒板式切頂裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王方艷 張振宇 張 欽 王 欣

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 青島 266109; 2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 青島 266109)

0 引言

甜菜是我國(guó)重要的制糖原料。其纓葉繁茂、塊根較大，收獲期短、易受凍害。甜菜收獲環(huán)節(jié)費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，通常采用先切除青頭后挖掘的甜菜機(jī)械化收獲方式[1-3]。切除含氮成分高的甜菜青頭，可延長(zhǎng)甜菜的存儲(chǔ)時(shí)間及提高產(chǎn)糖量。甜菜青頭切厚過(guò)大，會(huì)使甜菜減產(chǎn)、塊根制糖有效物質(zhì)流失；青頭切厚過(guò)小，則會(huì)增加制糖的有害成分。如何根據(jù)甜菜生長(zhǎng)情況，有效清除纓葉和切除青頭是甜菜切頂機(jī)面臨的重要技術(shù)問(wèn)題。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)甜菜切頂技術(shù)的研究較早，始于20世紀(jì)40年代，已形成了相對(duì)穩(wěn)定的技術(shù)及裝備[4-6]。德國(guó)荷馬機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的變厚切頂裝置主要用于甜菜聯(lián)合收獲作業(yè)，該裝置適合甜菜高度差異不大的標(biāo)準(zhǔn)化收獲環(huán)境，部件售價(jià)約5萬(wàn)元。美國(guó)艾美特公司生產(chǎn)的定厚切頂裝置主要用于甜菜的分段收獲作業(yè)，甜菜纓葉清理質(zhì)量好，機(jī)具工作速度不高。日本生產(chǎn)的仿形輪式切頂裝置結(jié)構(gòu)緊湊、仿形切頂效果較好，可一次完成殺纓、定厚切削，主要用于纓葉不繁茂、作業(yè)速度不高的收獲環(huán)境。在引進(jìn)吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國(guó)研制了一系列甜菜切頂裝置，基本滿足甜菜低速作業(yè)及青頭切削要求，但其適應(yīng)性及切頂質(zhì)量還有待提升[7-11]。浙江理工大學(xué)研制的變厚切頂裝置通過(guò)齒輪與齒條的運(yùn)動(dòng)調(diào)整仿形輪與切刀的位置，其整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能可靠性有待提高[12]。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的定厚切頂裝置采用四桿仿形機(jī)構(gòu)及仿形平板配合控制切刀與甜菜的相對(duì)位置，但切頂效果受甜菜青頭殘余纓葉的影響較大[13]。

現(xiàn)有的切頂裝置主要通過(guò)仿形器與切頂器的配合實(shí)現(xiàn)甜菜青頭的變厚或定厚切削[14-16]。平板式切頂裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低，但要求甜菜青頭干凈無(wú)雜；輪式切頂裝置融合了碎纓和仿形功能，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易被纓葉及青頭堵塞，適于纓葉不繁茂的低速作業(yè)環(huán)境。本文根據(jù)不同甜菜品種及種植模式，以青島農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的4TSQ型甜菜切頂機(jī)為載體，設(shè)計(jì)齒板式甜菜切頂裝置，通過(guò)對(duì)甜菜切頂過(guò)程、工作原理及切頂狀態(tài)的分析，確定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，以提高切頂裝置的適應(yīng)性及切頂質(zhì)量。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

齒板式甜菜切頂裝置主要由仿形器、切頂器、調(diào)壓機(jī)構(gòu)等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，連架桿、連桿構(gòu)成平行四邊形結(jié)構(gòu)，與齒板機(jī)構(gòu)組成仿形器，可實(shí)現(xiàn)齒板機(jī)構(gòu)與切頂器的同步運(yùn)動(dòng)。齒板機(jī)構(gòu)和切刀構(gòu)成切頂器，在仿形器的帶動(dòng)下實(shí)時(shí)浮動(dòng)，且相對(duì)位置穩(wěn)定，配合完成定厚切削作業(yè)。齒板機(jī)構(gòu)由多片齒板構(gòu)成，有助于殘葉及青頭通過(guò)，便于切頂器沿甜菜輪廓滑行、控制切削厚度。限位板位于多片齒板的一側(cè)，控制齒板機(jī)構(gòu)的離地高度及變動(dòng)頻率，減少土壤對(duì)切刀刃口的磨損。調(diào)壓機(jī)構(gòu)由扭簧、安裝板、調(diào)壓板構(gòu)成，通過(guò)扭簧與調(diào)壓板孔連接位置的改變，實(shí)現(xiàn)彈簧力初始值的調(diào)整。隨著切頂器的隨地浮動(dòng)，彈簧力在小范圍內(nèi)波動(dòng)，保障切頂器時(shí)刻接觸甜菜輪廓，控制切頂器對(duì)甜菜的推力，避免跨越或推倒甜菜。

圖1 切頂裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of topping device1.機(jī)架 2.扭簧 3.安裝板 4.調(diào)壓板 5.連架桿 6.限位板 7.連桿 8.齒板 9.切刀

工作時(shí)，切頂裝置通過(guò)仿形器與機(jī)架相連，并隨機(jī)具勻速前行。切頂器的齒板接觸甜菜后，沿甜菜外輪廓滑向甜菜青頭頂端，牽連仿形器繞鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)切刀切割甜菜青頭。切頂完成后，切頂器在調(diào)壓機(jī)構(gòu)及自身重力作用下及時(shí)回落，并接觸下一個(gè)甜菜的青頭輪廓。當(dāng)遇到甜菜行缺苗、少苗或株距較大時(shí)，限位板輔助切頂裝置沿地面滑行，直到齒板機(jī)構(gòu)接觸下一個(gè)甜菜。當(dāng)甜菜受到齒板機(jī)構(gòu)給予的碰撞力較大時(shí)，甜菜會(huì)被推斜或推倒，使得切頂裝置無(wú)法完成正常切頂作業(yè)。同時(shí)，為保證甜菜青頭切口平整，只有青頭切削完成后，才允許齒板機(jī)構(gòu)接觸下一個(gè)甜菜輪廓。

2 甜菜受力分析

切頂裝置隨機(jī)具勻速前行，仿形器的連桿與連架桿運(yùn)動(dòng)順暢，切頂器的齒板不斷接觸甜菜并滑過(guò)青頭，齒板機(jī)構(gòu)與切刀僅作平動(dòng)且位置相對(duì)穩(wěn)定，完成定厚切頂作業(yè)。在切頂過(guò)程中，齒板接觸甜菜的過(guò)程分為碰撞階段和碰撞后階段，且甜菜受到的水平推力小于其在土壤中的傾覆力，可保障切頂工作狀態(tài)穩(wěn)定，并適應(yīng)不同甜菜高度及株距的收獲環(huán)境。設(shè)甜菜頂為球體、球心為O、半徑為r；齒板與甜菜的接觸點(diǎn)為Q，Q為甜菜輪廓上的動(dòng)點(diǎn)，QO與水平方向的夾角為γ；連架桿為均質(zhì)桿，與AB的夾角為θ；連桿運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)的傳動(dòng)角為β；甜菜與齒板間的滑動(dòng)摩擦角為φ。

2.1 碰撞階段的甜菜受力

齒板碰撞甜菜的瞬間，碰撞力P較大，且為斜碰；甜菜在碰撞力P作用下發(fā)生變形，并吸收部分能量；瞬間法向碰撞力Pn使得齒板速度逐漸減小，齒板的碰撞能量損耗持續(xù)到齒板與甜菜的法向速度相同，即在碰撞處齒板的法向速度為0；碰撞力P的水平分量為Pm。碰撞階段甜菜受力如圖2所示。

圖2 甜菜碰撞受力分析圖 Fig.2 Analysis diagram of beet collision force

由碰撞理論可知，齒板損失的碰撞能量W等于Pn經(jīng)過(guò)位移s所作的功，且碰撞能量W滿足

(1)

式中m——切頂裝置質(zhì)量，kg

vm——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

η——甜菜吸收碰撞能量系數(shù)

Pmax——瞬間最大法向碰撞力

為避免切頂過(guò)程中甜菜的傾斜或翻倒，水平分力Pm應(yīng)小于甜菜在土壤中的傾覆力[P]，即

Pm=Pcos(γ-φ)=

(2)

由式(1)、(2)可知，甜菜碰撞力P、碰撞能量W與碰撞點(diǎn)Q的位置有關(guān)，且與切頂裝置的質(zhì)量m及速度vm的平方成正比例。當(dāng)齒板與甜菜碰撞點(diǎn)Q的位置較高(γ較大)時(shí)，碰撞力P、碰撞能量W較大，但甜菜受到的水平分力Pm較小，通常，甜菜不易被碰傷。甜菜的變形位移s由碰撞能量W決定，η只與甜菜的物理性質(zhì)有關(guān)，[P]受多個(gè)因素的影響(如土壤類型及含水率、塊根形狀及生長(zhǎng)狀態(tài)等)，可通過(guò)試驗(yàn)方式獲取[17-18]。由此可見(jiàn)，當(dāng)切頂裝置結(jié)構(gòu)及甜菜生長(zhǎng)條件確定后，控制碰撞點(diǎn)Q的位置，降低切頂裝置的質(zhì)量m及前進(jìn)速度vm，可避免甜菜的碰撞損傷及傾倒，提高切頂效果及質(zhì)量。

2.2 碰撞結(jié)束瞬時(shí)甜菜的受力

碰撞結(jié)束瞬時(shí)，齒板沿著甜菜輪廓滑向青頂，對(duì)甜菜的合力為F′，與碰撞力P方向相同，且Fm為甜菜受到的水平力，F(xiàn)y為甜菜受到的垂直力。忽略甜菜頂?shù)氖芰ψ冃?，采用達(dá)朗伯原理，對(duì)切頂裝置各構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)分析。設(shè)連架桿AD、BC的長(zhǎng)度為l1，彈簧力S到B點(diǎn)的距離為l2，各桿件及甜菜受力如圖3所示。

圖3 各桿件及甜菜受力分析圖Fig.3 Stress analysis diagrams of each rod and beet

對(duì)AD桿的A點(diǎn)取矩，∑MA=0，可得

(3)

式中M——慣性力矩

F1τ——桿AD切向慣性力

m1——連架稈質(zhì)量

Fdτ——D點(diǎn)切向約束力

對(duì)BC桿的B點(diǎn)取矩，∑MB=0，得

(4)

式中F2τ——桿BC切向慣性力

Fcτ——C點(diǎn)切向約束力

由DCE桿的x′方向合力為零，∑Fx′=0，得

-Fncos(θ-γ)+Fdcos(90°-θ+γ)+m2gsinθ+
F′cτ+F′dτ+Feτ=0

(5)

其中

Fdτ=F′dτFcτ=F′cτFd=μFn

式中Fn——齒板受到的壓力

Fd——齒板受到的摩擦力

m2——連桿質(zhì)量

F′cτ——桿DC中C點(diǎn)切向約束力

F′dτ——D點(diǎn)切向約束力

Fcτ——桿BC中C點(diǎn)切向約束力

α——桿AD與桿BC角加速度

Ja——桿AB中對(duì)B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

Jb——桿BC中對(duì)B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

由公式(3)～(5)計(jì)算得

(6)

式中μ——齒板與甜菜間滑動(dòng)摩擦因數(shù)

由甜菜與齒板的受力平衡關(guān)系：F′n=Fn、F′d=Fd、F′=F，得甜菜受到的水平力Fm、垂直力Fy及連桿的傳動(dòng)角β滿足

(7)

(8)

β=90°-θ+γ

(9)

式中F′——齒板對(duì)甜菜合力

由此可見(jiàn)，減小仿形器的連架桿質(zhì)量m1、連桿質(zhì)量m2、長(zhǎng)度l1、彈簧力S、力臂l2，提高接觸點(diǎn)Q的初始位置(增大γ)，可降低甜菜受到的合力F′和水平力Fm，有助于降低甜菜被推倒的可能性；當(dāng)γ>φ時(shí)，甜菜的垂直力Fy向下，可保障齒板與甜菜接觸穩(wěn)定；調(diào)節(jié)仿形器的位置角θ，使θ≈γ，可提高連桿的傳送性能，便于仿形器的隨地仿形運(yùn)動(dòng)。

綜合以上分析，當(dāng)切頂裝置結(jié)構(gòu)及作業(yè)條件確定后，降低切頂裝置的質(zhì)量、前進(jìn)速度、彈簧力，提高接觸點(diǎn)Q的位置，有助于降低甜菜受力及其被推動(dòng)的可能性，保障切頂工作順暢?？紤]甜菜青頭實(shí)際輪廓形狀、纓葉及雜質(zhì)對(duì)碰撞的干擾，可設(shè)計(jì)合理的齒板曲線，控制齒板碰撞甜菜的位置及受力方向。當(dāng)切頂裝置中各構(gòu)件的質(zhì)量及結(jié)構(gòu)確定后，前進(jìn)速度vm和彈簧力S為影響切頂作業(yè)效果的關(guān)鍵因素。由拖拉機(jī)正常田間工作及效率條件，確定前進(jìn)速度為0.8～1.3 m/s(3～5 km/h)；依據(jù)不推倒甜菜、順暢工作的要求，通過(guò)田間預(yù)試驗(yàn)得出彈簧力S范圍為0～44 N。

3 切頂裝置關(guān)鍵參數(shù)確定

由切頂裝置的工作原理可知：切頂器不斷接觸甜菜，并推動(dòng)仿形器起伏運(yùn)動(dòng)；仿形器組成的平行四桿機(jī)構(gòu)，使得切頂器平動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性顯著；調(diào)壓機(jī)構(gòu)及限位板共同控制切頂器的起浮空間，保障切頂位置相對(duì)穩(wěn)定；齒板機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)影響甜菜受力及青頭通過(guò)性，與切刀配合工作完成甜菜連續(xù)切頂。當(dāng)切頂裝置的安裝位置一定時(shí)，縮短仿形器的連架桿長(zhǎng)度，可減小仿形桿的位置角θ，增強(qiáng)仿形器運(yùn)動(dòng)的靈敏性，但同樣增加了仿形器運(yùn)動(dòng)過(guò)程的動(dòng)載荷。在不推動(dòng)或不跨越甜菜的情況下，切刀切削甜菜青頭后，齒板機(jī)構(gòu)接觸下一個(gè)甜菜輪廓，以保障甜菜青頭的正常切削及切口平整。相比而言，切頂器的結(jié)構(gòu)參數(shù)較重要，直接影響到甜菜受力及切頂質(zhì)量。切頂器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 切頂器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Structural diagram of topping device

考慮機(jī)具通過(guò)性及工作空間，調(diào)節(jié)仿形器的位置高度，保障連架桿與連桿轉(zhuǎn)動(dòng)順暢，并初定連架桿為300 mm，連桿為220 mm。為了降低纓葉及青頭外形對(duì)切頂位置準(zhǔn)確性的干擾，齒板機(jī)構(gòu)采用多個(gè)齒板等間距焊接而成，且確定齒板間距B3為40 mm[19-20]，與甜菜青頭直徑相近，可保障殘余纓葉及青頭的順暢通過(guò)，以獲得較好的切頂效果。考慮甜菜田間種植及生長(zhǎng)偏差，切頂裝置的作業(yè)幅寬B1滿足

B1=2(r+Δ)

(10)

式中Δ——偏移量，mm

為了避免仿形器頻繁起伏運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)限位板控制齒板的離地高度，控制齒板與甜菜接觸的位置，并保護(hù)齒板曲線、切刀刃口。通常，限位板高度h2與齒板高度h1滿足

h2=h+hg=h1+hg

(11)

式中h——最高甜菜與最低甜菜的高度差，mm

hg——青頂高度，mm

因甜菜青頭半徑rb為15～25 mm，甜菜頂半徑r為40～60 mm，種植偏移量Δ為30 mm，甜菜高度差h為60～80 mm，切厚hg為15～30 mm[21-22]，則確定切頂裝置的作業(yè)幅寬B1為160 mm，限位板高度h2為100 mm，齒板高度h1為80 mm，此處h1與h相等。

在切頂過(guò)程中，甜菜受到切刀刃口的滑切阻力和砍切阻力。當(dāng)切刀的安裝角ε≥90°-φ時(shí)，甜菜與切刀接觸穩(wěn)定且不滑動(dòng)，直到青頭被切除。同時(shí)，切刀的安裝角ε決定著甜菜在切刀刃口滑切的長(zhǎng)度，影響著切刀的切割功耗。依據(jù)斜切經(jīng)驗(yàn)公式R3l=const，可知安裝角ε越小，滑切長(zhǎng)度l越長(zhǎng)，切割力R越小，且越省力。為降低切削阻力，實(shí)現(xiàn)滑切效果，安裝角ε選用45°以適應(yīng)不同的甜菜株距空間。為實(shí)現(xiàn)甜菜青頭切面平整、阻力小，選用上磨刃切刀，切刀寬度B1近似為青頭的直徑，超前量w

受甜菜株距、甜菜高度差、齒板接觸曲線及甜菜青頭輪廓的共同影響，齒板機(jī)構(gòu)與甜菜輪廓的接觸點(diǎn)n隨機(jī)改變，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及規(guī)律未知。考慮齒板運(yùn)動(dòng)的沖擊力及穩(wěn)定性，設(shè)齒板接觸曲線為五次多項(xiàng)式。齒板與甜菜的接觸點(diǎn)Q既是甜菜輪廓上的點(diǎn)，也是齒板曲線上的點(diǎn)。齒板曲線的坐標(biāo)系如圖4所示?？紤]齒板接觸甜菜過(guò)程較為復(fù)雜，齒板與切刀具有相同的運(yùn)動(dòng)特性，從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度設(shè)定齒板運(yùn)動(dòng)中的3個(gè)特殊位置，以獲得較優(yōu)的切頂效果。即，齒板接觸甜菜頂時(shí)，在y方向齒板速度為0，保障齒板與甜菜接觸、不分離；齒板接觸青頭切割處，即x=rb，y=h2時(shí)，可確保齒板接觸甜菜過(guò)程的連續(xù)及穩(wěn)定；切頂結(jié)束瞬時(shí)，齒板與切刀具有相同的運(yùn)動(dòng)特性，在y方向齒板的位移、速度、加速度分別為0，可保障齒板運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、甜菜切口平整。齒板曲線的方程及條件為

y=c0+c1x+c2x2+c3x3+c4x4+c5x5

(12)

(13)

式中L——甜菜中心距

圖5 齒板接觸曲線Fig.5 Tooth plate contact curve

考慮田間缺苗及纓葉殘留等的影響，取rb=20 mm，hg=20 mm，h2=80 mm，L=300 mm，ε=45°，w=25 mm，B1=160 mm，r=60 mm，代入式(12)、(13)獲得齒板接觸曲線方程，曲線如圖5所示。

y=110-0.68x-6.5×10-4x3+6.7×10-6x4-
1.6×10-9x5

(14)

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件及方法

2019年9月，在齊齊哈爾市依安縣甜菜種植田進(jìn)行甜菜切頂試驗(yàn)。依據(jù)GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》，測(cè)定田間壤土含水率為14.2%，硬度為1 140 kPa，土壤容重為1.05 g/cm3；甜菜種植行距為650 mm，株距為280 mm，甜菜塊根地上高度為30～80 mm。

4TSQ-2型甜菜切頂機(jī)整機(jī)尺寸為1 680 mm×1 180 mm×890 mm，后方掛接齒板式甜菜切頂裝置，切頂收獲2行甜菜。齒板式切頂裝置如圖6所示。選擇36.7 kW拖拉機(jī)牽引試驗(yàn)裝置，記錄不同參數(shù)組合下的試驗(yàn)工況及試驗(yàn)數(shù)據(jù)。參照NY/T 1412—2018《甜菜收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》，選20 m為一個(gè)作業(yè)小區(qū)，測(cè)定相應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)，觀察甜菜切頂質(zhì)量及損傷情況，統(tǒng)計(jì)甜菜塊根總數(shù)G、切頂合格的塊根數(shù)G1、切頂多切的塊根數(shù)G2，計(jì)算甜菜的切頂合格率y1和多切率y2，計(jì)算式為

(15)

(16)

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

綜合上述分析，忽略齒板與甜菜接觸位置變動(dòng)的影響，機(jī)具前進(jìn)速度vm及彈簧力S決定甜菜的碰撞損傷、碰撞力及傾覆力，影響切頂裝置的運(yùn)動(dòng)特性及甜菜切頂質(zhì)量。

選擇前進(jìn)速度x1、彈簧力x2為試驗(yàn)因素，切頂合格率y1、多切率y2為指標(biāo)，采用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理，探尋較優(yōu)的參數(shù)組合及影響規(guī)律[23-26]，減少切頂器對(duì)甜菜青頭的滑傷和壓痕，避免切頂器跨越或推動(dòng)甜菜，提高甜菜切頂裝置的通過(guò)性及切頂質(zhì)量。前進(jìn)速度為0.8～1.3 m/s，彈簧力S范圍為0～44 N，試驗(yàn)因素及編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Test factors and coding

4.3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

采用CCD試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)13個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Test scheme and results

借助Design-Expert軟件的CCD設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，去除不顯著項(xiàng)，獲得各因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)學(xué)回歸模型

(17)

(18)

由方差分析可知，回歸模型P<0.01和失擬不顯著，數(shù)學(xué)回歸模型與實(shí)際工作情況擬合精度高，可用于切頂裝置參數(shù)的優(yōu)化分析。

圖7 因素交互作用對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面Fig.7 Response surfaces of influence of factor interaction on evaluation index

4.4 試驗(yàn)優(yōu)化與驗(yàn)證

針對(duì)甜菜切頂裝置切頂作業(yè)存在的漏切、少切及塊根損傷等問(wèn)題，以甜菜切頂合格率、多切率為指標(biāo)，借助Design-Expert軟件的尋優(yōu)功能，建立目標(biāo)函數(shù)及參數(shù)約束。目標(biāo)函數(shù)為

表3 方差分析Tab.3 Analysis of variance

(19)

經(jīng)軟件的指標(biāo)尋優(yōu)，確定較優(yōu)參數(shù)組合：前進(jìn)速度為1.04 m/s，彈簧力為22.96 N。圓整后，前進(jìn)速度為1.0 m/s，彈簧力為23 N。通過(guò)田間試驗(yàn)，在此參數(shù)組合下，測(cè)定齒板式切頂裝置的甜菜切頂合格率為99.6%，多切率為0.95%，符合甜菜切頂收獲指標(biāo)要求；與4TSQ型甜菜切頂機(jī)的平板式切頂裝置相比，切頂合格率提高6個(gè)百分點(diǎn)，多切率降低1.15個(gè)百分點(diǎn)。作業(yè)中，齒板式切頂裝置運(yùn)動(dòng)靈活，對(duì)甜菜青頭及纓葉的適應(yīng)性好，在調(diào)壓機(jī)構(gòu)的控制下，可隨地浮動(dòng)，保障切頂位置及厚度，工作狀態(tài)及效果如圖8所示。

圖8 切頂裝置工作狀態(tài)與效果Fig.8 Working status and effect of topping device

5 結(jié)論

(1)針對(duì)甜菜機(jī)械化切頂過(guò)程中存在的漏切、少切及塊根損傷等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種齒板式甜菜切頂裝置。通過(guò)切頂過(guò)程中甜菜的力學(xué)分析，明確了切頂裝置運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)特性及其關(guān)鍵影響因素。在切頂裝置結(jié)構(gòu)及作業(yè)條件確定后，設(shè)計(jì)合理的齒板曲線可控制齒板碰撞甜菜的位置及受力方向，控制前進(jìn)速度和彈簧力有助于降低甜菜受力和被推動(dòng)的可能性。

(2) 結(jié)合切頂裝置的工作原理及工作空間，確定了仿形器的連架桿為300 mm、連桿為220 mm；采用多齒板的齒板機(jī)構(gòu)減小了纓葉及青頭對(duì)切頂位置的干擾，保證了切頂厚度及質(zhì)量；采用限位板控制齒板的離地高度、齒板與甜菜接觸的位置，并保護(hù)齒板及切刀刃。采用齒板間距為40 mm、限位板高度為100 mm、齒板高度為80 mm、切刀寬為50 mm、超前量為25 mm、安裝角為45°，可保證甜菜青頭切面平整、阻力小。同時(shí)，以齒板接觸甜菜的特殊位置為運(yùn)動(dòng)條件，獲得齒板的輪廓曲線。

(3) 借助Design-Expert 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到各因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)學(xué)回歸模型。各因素對(duì)切頂合格率的影響順序由大到小依次為：彈簧力、彈簧力二次項(xiàng)、前進(jìn)速度、前進(jìn)速度二次項(xiàng)，彈簧力與前進(jìn)速度的交互項(xiàng)影響不顯著。各因素對(duì)多切率的影響順序由大到小依次為：彈簧力、彈簧力二次項(xiàng)、前進(jìn)速度、彈簧力與前進(jìn)速度的交互項(xiàng)，前進(jìn)速度二次項(xiàng)的影響不顯著。確定了較優(yōu)參數(shù)組合：前進(jìn)速度為1.0 m/s，彈簧力為23 N。進(jìn)行了田間試驗(yàn)，在較優(yōu)參數(shù)組合下測(cè)定甜菜切頂合格率為99.6%、多切率為0.95%，符合甜菜切頂收獲指標(biāo)要求，并優(yōu)于改進(jìn)前的平板式切頂裝置。