芹菜收獲機(jī)切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及性能分析

杜成成 林致聞 王錫瑋 王偉偉 葉秉良

摘 要： 針對(duì)中國(guó)南方芹菜收獲機(jī)械缺乏以及人工作業(yè)效率低、成本高等問(wèn)題，在研究芹菜根部的機(jī)械物理特性基礎(chǔ)上，結(jié)合芹菜種植農(nóng)藝要求，提出了一種手扶式芹菜收獲機(jī)用直動(dòng)平底推桿凸輪式雙動(dòng)刀往復(fù)切割機(jī)構(gòu)。采用幾何方法和動(dòng)態(tài)靜力分析法對(duì)切割機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，建立以凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心的受力方差為評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并運(yùn)用遺傳算法對(duì)切割機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)切割機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并研制芹菜收獲機(jī)樣機(jī)，進(jìn)行工作性能測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：芹菜切割成功率為82%，驗(yàn)證了切割機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，表明該機(jī)器在南方芹菜的收獲作業(yè)中具有較高應(yīng)用價(jià)值。該研究可為芹菜收獲機(jī)切割機(jī)構(gòu)的研發(fā)提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 芹菜收獲機(jī)；切割機(jī)構(gòu)；凸輪；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；動(dòng)力學(xué)分析

中圖分類(lèi)號(hào)： S225.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1673-3851 （2023） 07-0533-08

引文格式：杜成成，林致聞，王錫瑋，等. 芹菜收獲機(jī)切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及性能分析［J］. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2023，49（4）：533-540.

Reference Format： DU Chengcheng， LIN Zhiwen， WANG Xiwei， et al. Design and performance analysis of the cutting mechanism of celery harvesters［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2023，49（4）：533-540.

Design and performance analysis of the cutting mechanism of celery harvesters

DU Chengchenga， LIN Zhiwena， WANG Xiweia， WANG Weiweia， YE Binglianga，b

（a.School of Mechanical Engineering; b.Key laboratory of Transplanting Equipment and Technology of Zhejiang Province， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：? In response to the lack of celery harvesting machinery， as well as low labor efficiency and high cost in the artificial harvesting in southern China， a cam-style double-knife reciprocating cutting mechanism with a straight moving flat bottom push rod for walking celery harvesters was proposed based on the study of the physical and mechanical characteristics of celery roots and combined with the agronomic requirements of celery planting. The kinematics and dynamics of the cutting mechanism were analyzed by using the geometric method and the dynamic static analysis method. The optimization design models of the cutting mechanism were established with the force variance of cam rotation center as the evaluation index. The parameters of the cutting mechanism were optimized by genetic algorithm. The simulation verification was conducted by virtual prototype of the cutting mechanism， and a celery harvester prototype was developed for working performance tests. The test results show that the success rate of celery cutting is 82%， verifying the feasibility of the cutting mechanism design and showing high application value in the harvesting operation of celery in southern China. The research can provide theoretical and experimental basis for the cutting mechanism development of celery harvesters.

Key words： celery harvester; cutting mechanism; cam; kinematics analysis; dynamics analysis

0 引 言

芹菜種植產(chǎn)業(yè)是中國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)重要的組成部分，對(duì)發(fā)展中國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)鄉(xiāng)村共富具有重要的促進(jìn)作用。中國(guó)芹菜種植面積常年保持在55萬(wàn)hm2左右，總產(chǎn)量約2000萬(wàn)t［1］；2021年中國(guó)芹菜出口總量高達(dá)2.42萬(wàn)t，總金額達(dá)1.41億元人民幣【數(shù)據(jù)來(lái)源于海關(guān)總署官方網(wǎng)站：http：//stats.customs.gov.cn/?！?。目前芹菜收獲主要以人工收獲為主，但人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度高、效率低，導(dǎo)致芹菜生產(chǎn)成本上升，阻礙芹菜種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展［2-3］。芹菜收獲機(jī)械可以解決人工作業(yè)的弊端，因此研發(fā)芹菜收獲機(jī)械是一項(xiàng)緊迫的課題。

切割機(jī)構(gòu)是芹菜收獲機(jī)械的核心機(jī)構(gòu)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)葉菜類(lèi)蔬菜收獲機(jī)及其切割機(jī)構(gòu)進(jìn)行了許多研究，有些機(jī)器已應(yīng)用于實(shí)際收獲作業(yè)。Shin等［4］設(shè)計(jì)了自走式玉米收獲機(jī)，采用盤(pán)式平面割刀，切割效率高，但切割范圍與圓盤(pán)的直徑相關(guān)，通常需要并聯(lián)多個(gè)盤(pán)式平面割刀，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。伍淵遠(yuǎn)等［5］設(shè)計(jì)了一種三行溫室芹菜收獲機(jī)，采用往復(fù)式切割機(jī)構(gòu)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的偏置曲柄塊機(jī)構(gòu)，但傳動(dòng)效率較低。張貝貝等［6］設(shè)計(jì)的油菜循環(huán)鏈?zhǔn)角懈钇鞴ぷ鲿r(shí)振動(dòng)小，但不適合入土切割，因此不適合用于芹菜收割。由于中國(guó)芹菜品種眾多，各個(gè)品種的機(jī)械物理特性和種植農(nóng)藝不同，如根莖粗壯程度、畦寬和定植株行距等［7-9］，目前在實(shí)際生產(chǎn)中還沒(méi)有適?? 合南方芹菜收獲作業(yè)的機(jī)器。

本文研究了芹菜的機(jī)械物理特性和種植農(nóng)藝，在此基礎(chǔ)上提出了一種適用于手扶式芹菜收獲機(jī)的直動(dòng)平底推桿凸輪式雙動(dòng)刀往復(fù)切割機(jī)構(gòu)。開(kāi)展切割機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模，分析其運(yùn)動(dòng)特性，并應(yīng)用遺傳算法對(duì)切割機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；通過(guò)切割機(jī)構(gòu)虛擬仿真得到其運(yùn)動(dòng)特性仿真曲線，通過(guò)理論曲線和仿真曲線的比較和分析驗(yàn)證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。開(kāi)展機(jī)構(gòu)樣機(jī)切割性能測(cè)試試驗(yàn)，得到芹菜切割成功率和分析切割效果驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的應(yīng)用可行性。本文設(shè)計(jì)了芹菜收獲機(jī)的切割機(jī)構(gòu)，以促進(jìn)芹菜收獲機(jī)械的研發(fā)工作，為芹菜收獲機(jī)的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 切割機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)

1.1 芹菜根部的機(jī)械物理特性

芹菜根部直徑和割刀切割力是芹菜收獲機(jī)切割機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，因此需要測(cè)量統(tǒng)計(jì)芹菜根部直徑并開(kāi)展根部切割力測(cè)試試驗(yàn)［10-14］。本文選取杭州市種植的津南實(shí)芹一號(hào)芹菜為試驗(yàn)對(duì)象，樣本50株，芹菜樣本照片如圖1（a）所示。采用游標(biāo)卡尺對(duì)芹菜樣本根部的直徑進(jìn)行測(cè)量，芹菜根部直徑分布直方圖如圖1（b）所示。芹菜根部直徑范圍為8.29～17.71 mm，主要集中在8.00～14.00 mm，平均直徑為12.32 mm。

采用LDW-1萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行芹菜根部切割力試驗(yàn)，切割力試驗(yàn)平臺(tái)照片如圖2所示。選? 取10株根部直徑不同的芹菜樣本進(jìn)行測(cè)試并作記錄。試驗(yàn)時(shí)，先用夾具夾緊芹菜，割刀上升的速度為?? 10 mm/s。切割部位為芹菜根莖結(jié)合點(diǎn)下方10 mm處的根部，記錄切斷根部所需的切割力值，切割力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。由表1可知，芹菜根部的直徑越大，所需切割力越大，最大切割力為29.40 N。

1.2 芹菜收獲機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

中國(guó)南方芹菜的種植農(nóng)藝要求：溫室大棚的畦寬為1000～1200 mm，芹菜定植株行距為90 mm。根據(jù)該種植農(nóng)藝要求，本文提出了一種四行手扶式芹菜收獲機(jī)。該機(jī)器的裝置示意圖如圖3所示，主要由撥禾輪1、傳動(dòng)系統(tǒng)2、車(chē)輪3、車(chē)架4、電動(dòng)推桿5、行程開(kāi)關(guān)6、輸送帶7、收集箱8、控制箱9、電機(jī)10、切割機(jī)構(gòu)11組成。

在芹菜收獲作業(yè)時(shí)，首先啟動(dòng)電機(jī)10，同時(shí)按下控制箱9的啟動(dòng)按鈕，電動(dòng)推桿5開(kāi)始回縮，割臺(tái)高度隨之下降，當(dāng)行程開(kāi)關(guān)6接觸到地面，電動(dòng)推桿停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)切割機(jī)構(gòu)11到達(dá)土下切割工作位置；然后人工推動(dòng)芹菜收獲機(jī)前進(jìn)，當(dāng)切割機(jī)構(gòu)11對(duì)芹菜根部進(jìn)行切割后，撥禾輪1把芹菜壓向輸送帶7上，再通過(guò)輸送帶7運(yùn)送到收集箱8，完成收獲作業(yè)。

1.3 切割機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理

芹菜收獲機(jī)采用直動(dòng)平底推桿凸輪式雙動(dòng)刀往復(fù)切割機(jī)構(gòu)，由下刀片1、上刀片2、上刀桿3、下刀桿4、上邊框5、下邊框6、下凸輪7、上凸輪8部件組成。為實(shí)現(xiàn)4行芹菜收獲作業(yè)，下刀片與上刀片的最大距離應(yīng)不小于4倍的芹菜定植行距，因此上下刀桿分別布置4個(gè)刀片，刀片間隔為90 mm。切割機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

收獲機(jī)電機(jī)動(dòng)力經(jīng)由齒輪和鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到切割機(jī)構(gòu)的偏心凸輪軸，再傳給雙凸輪。上凸輪8作用于上邊框5，帶動(dòng)上刀桿3和上刀片2作往復(fù)移動(dòng)運(yùn)動(dòng)；下凸輪7作用于下邊框6，帶動(dòng)下刀桿4和下刀片2作往復(fù)移動(dòng)運(yùn)動(dòng)。上凸輪7和下凸輪8的相位差為180°，因此，在任意時(shí)刻兩動(dòng)刀的移動(dòng)方向是相反的，從而完成芹菜切割作業(yè)。

2 切割機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析

芹菜切割機(jī)構(gòu)要入土切斷芹菜根部，必須滿足一定的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力要求。因此，本文對(duì)切割機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，為后續(xù)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.1 切割機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

切割機(jī)構(gòu)為直動(dòng)平底推桿凸輪機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)示意圖如圖5所示。采用反轉(zhuǎn)法對(duì)切割機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。偏心圓凸輪1以等角速度ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，推桿2（即割刀）的初始位置是Ⅰ；凸輪反轉(zhuǎn)過(guò)角度φ時(shí)，割刀處于位置Ⅱ。

分析圖5中構(gòu)件運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系可知，

e/sin90°=L1/sin（90°-φ），

L1+L2+S=R1，

L2=R2（1）

其中：e為凸輪的偏心距，mm；φ為凸輪的轉(zhuǎn)角，（°）；L1為OC的長(zhǎng)度，mm；L2為CD的長(zhǎng)度，mm；S為割刀的位移，mm；R1為凸輪的半徑，mm；R2?? 為基圓的半徑，mm。

割刀的位移為

S=R1-R2-ecosφ（2）

對(duì)式（2）求導(dǎo)，得到割刀速度

v=eωsinφ（3）

其中：v為割刀的速度，mm/s；ω為凸輪的角速度，（°）/s。

對(duì)式（3）求導(dǎo)，得到割刀加速度

a=eω2cosφ（4）

其中：a為割刀的加速度，mm/s2。

2.2 切割機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

應(yīng)用動(dòng)態(tài)靜力分析法對(duì)芹菜切割機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，建立機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型。切割機(jī)構(gòu)受力分析如圖6所示。

以割刀為研究對(duì)象，動(dòng)力學(xué)平衡方程為

Ff1-FN2-4FN3cosθ+4Ff3sinθ+ Ff4-m1a=0，

Ff2+4FN3sinθ-4Ff3cosθ-FN4=0，

F2N3+F2f3=F23（5）

其中：Ff1為地面對(duì)割刀的阻力，N；FN2為凸輪對(duì)割刀的支持力，N；FN3為芹菜對(duì)割刀的壓力，N；Ff3為芹菜對(duì)割刀的摩擦力，N；Ff4為車(chē)架對(duì)割刀的摩擦力，N；θ為割刀的切割角，（°）；m1為凸輪的質(zhì)量，kg；Ff2為凸輪對(duì)割刀的阻力，N；FN4為車(chē)架對(duì)割刀的支持力，N；F3為芹菜對(duì)割刀的反力，N。

以凸輪為研究對(duì)象，動(dòng)力學(xué)平衡方程為

∑Fx=FN2-FX1=0，

∑Fy=Ff2-FY1=0，

∑MO1=M-Ff2（e-cosφ）=0（6）

其中：FX1為凸輪在O1點(diǎn)受到X方向的力，N；FY1為凸輪在O1點(diǎn)受到Y(jié)方向的力，N；M為凸輪在O1點(diǎn)受到的力矩，N·m。

各摩擦力為

Ff1=μ1G1，

Ff2=μ2FN2，

Ff3=μ3FN3，

Ff4=μ4FN4（7）

其中：G1為割刀的重力，N；μ1、μ2、μ3、μ4分別為割刀和地面的滑動(dòng)摩擦因素、割刀和凸輪的滑動(dòng)摩擦因素、割刀和芹菜的滑動(dòng)摩擦因素、割刀和車(chē)架的滑動(dòng)摩擦因素。

根據(jù)文獻(xiàn)［15-17］可知，割刀和土壤的滑動(dòng)摩擦因素為0.30～0.65，鋼與軟鋼的滑動(dòng)摩擦因素為0.10～0.20；動(dòng)刀片對(duì)蔬菜莖稈的摩擦角為23°～35°，為防止莖稈沿割刀滑移，切割角要小于等于動(dòng)刀片對(duì)蔬菜莖稈的摩擦角。為保證芹菜能被成功切斷切割力要大于29.40 N。切割機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的有關(guān)參數(shù)值見(jiàn)表2。

根據(jù)式（5）—（7）和表2數(shù)據(jù)可以求得

FX1=FN2=140.83+1.25R1ω2cosφ，

FY1=28.166+0.25R1ω2cosφ，

M=（28.166+0.25R1ω2cosφ）（R1-ecosφ）（8）

3 切割機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)切割機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析建立切割機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并應(yīng)用Matlab 2019b中遺傳算法工具箱和GUI開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)切割機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與分析［18-20］。

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型及約束條件

凸輪受力波動(dòng)越小，機(jī)構(gòu)運(yùn)行就越平穩(wěn)、使用壽命就越長(zhǎng)。因此，將凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)一周其轉(zhuǎn)動(dòng)中心受力的方差值Fe最小作為目標(biāo)函數(shù)，即

minFe=1n∑ni=1（FRi-FR）2（9）

其中：FRi（φ）=F2Xi（φ）+F2Yi（φ），為任意位置凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心受力，N;FR=1n∑ni=1FRi，為凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)一周其轉(zhuǎn)動(dòng)中心受力的平均值，N。

根據(jù)切割機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，取偏心圓凸輪的半徑R1和偏心距e為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量；為便于凸輪制造加工，兩個(gè)參數(shù)取值均為整數(shù)。

根據(jù)切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，確定以下約束條件：

a）割刀行程大于芹菜根部的最大直徑。由于芹菜根部存在根須，芹菜根部最大直徑約為17 mm，且割刀行程不超過(guò)芹菜根部直徑的1.50倍，故可得

17.00≤2e≤25.50（10）

b）凸輪通過(guò)鍵與凸輪軸連接，凸輪基圓直徑應(yīng)大于或等于凸輪軸直徑的1.60～2.00倍，即：

R2=R1-e，

0.8d≤R2≤d（11）

其中：d為凸輪軸半徑，本文取為8 mm。則有

6.40≤R1-e≤8.00（12）

3.2 優(yōu)化結(jié)果與分析

本文應(yīng)用Matlab 2019b的遺傳算法工具箱對(duì)機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以上文運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析為基礎(chǔ)建立凸輪半徑R1、偏心距e和目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系方程，使用Matlab 2019b軟件編寫(xiě)目標(biāo)函數(shù)關(guān)系方程。將建立的目標(biāo)函數(shù)m文件導(dǎo)入Matlab 2019b應(yīng)用程序的優(yōu)化界面，根據(jù)式（10）和式（12）添加約束條件后運(yùn)行遺傳算法，得到參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。再將最優(yōu)解參數(shù)輸入優(yōu)化軟件交互界面的參數(shù)輸入?yún)^(qū)，得到切割機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性［21-25］。

遺傳算法迭代了74次后得到最優(yōu)解：R1=19 mm，e=12 mm。將最優(yōu)解參數(shù)輸入優(yōu)化軟件交互界面的參數(shù)輸入?yún)^(qū)，得到切割機(jī)構(gòu)割刀的位移、速度和加速度變化曲線圖，以及凸輪受力變化曲線，分別如圖7和圖8所示。

從圖7（a）可知，割刀的最大位移為24.00 mm，符合設(shè)計(jì)要求。從割刀的速度曲線可知，割刀的最大速度為0.23 m/s左右。從割刀的加速度曲線可知，割刀的最大加速度以及最小加速度在凸輪機(jī)構(gòu)的極限位置，最大加速度約為4.80 m/s2。由于加速度曲線連續(xù)，機(jī)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生沖擊。

從圖8（a）可知，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心X方向受力最大值約為149.10 N，最小值約為132.50 N；從圖8（b）可知，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心Y方向受力最大值約為29.90 N，最小值約為26.50 N。從圖8（c）可知，凸輪軸所受力矩最大值約為0.83 N·m，最小值約為0.24 N·m。

4 切割機(jī)構(gòu)仿真分析

根據(jù)優(yōu)化切割機(jī)構(gòu)優(yōu)化后的參數(shù)完成機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用Solidworks 2018建立了切割機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型，并導(dǎo)入Adams中，添加各個(gè)零件間的相應(yīng)約束和作用力，建立切割機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析，機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)仿真界面如圖9所示。

通過(guò)Adams軟件進(jìn)行切割機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到割刀的位移、速度、加速度變化曲線，如圖10所示；凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心X方向和Y方向的受力變化曲線和力矩變化曲線如圖11所示。

由切割機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果可知：割刀最大位移、速度和加速度值分別約為24.00 mm、0.23 m/s和4.80 m/s2；凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心X方向和Y方向的最大受力分別約為149.10 N和29.90 N，凸輪軸所受力矩最大值約為0.83 N·m。

通過(guò)比較理論計(jì)算和仿真分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩種方法所得到的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)曲線的幅值大小、曲線形狀都基本一致，這表明切割機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型及優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果是正確的。

5 樣機(jī)切割性能試驗(yàn)

制造加工出芹菜收獲機(jī)零件并裝配樣機(jī)，樣機(jī)照片如圖12所示。開(kāi)展樣機(jī)芹菜切割性能試驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室土壟試驗(yàn)?zāi)M田間作業(yè)，土壟長(zhǎng)、寬、高分別為500、300、60 mm，試驗(yàn)本芹50株，高度約為400 mm，行距為100 mm，株距為90 mm，種植深度約為50 mm，試驗(yàn)土壟與芹菜照片如圖13所示。

在切割性能測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，先啟動(dòng)電源，調(diào)整割刀位置至土下10 mm，再推著收獲機(jī)樣機(jī)以0.32 m/s左右的速度前進(jìn)。切割完成之后，通過(guò)觀察芹菜根部切割情況分析切割性能。

試驗(yàn)結(jié)果表明，芹菜切割成功率為82%。篩選出兩種切割效果具有代表性的芹菜，切割效果相對(duì)較好的芹菜照片如圖14（a）所示，芹菜根莖結(jié)合處被成功切斷且其莖稈無(wú)切散現(xiàn)象。切割效果較差的芹菜照片如圖14（b）所示，芹菜的莖稈被切散或者芹菜根部未被切斷。由試驗(yàn)結(jié)果可知，切割機(jī)構(gòu)能夠較好地切斷芹菜。但由于芹菜是種在試驗(yàn)土壟而非田間，根系附著力不夠，造成芹菜根部未切斷；另外，芹菜種植深度不夠標(biāo)準(zhǔn)，存在莖稈進(jìn)入土下的情況，切割時(shí)切到莖稈而非根部，造成芹菜莖稈分散。

6 結(jié) 論

本文為實(shí)現(xiàn)南方芹菜機(jī)械化收獲作業(yè)，基于南方芹菜的機(jī)械物理特性和種植農(nóng)藝的研究，提出了一種手扶式芹菜收獲機(jī)的直動(dòng)平底推桿凸輪式雙動(dòng)刀往復(fù)切割機(jī)構(gòu)。通過(guò)開(kāi)展切割機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模與分析、參數(shù)優(yōu)化、虛擬仿真和樣機(jī)試驗(yàn)等研究工作，得到的主要結(jié)論：影響切割機(jī)構(gòu)割刀的位移和凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心受力的主要機(jī)構(gòu)參數(shù)是偏心圓凸輪的半徑和偏心距；通過(guò)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)確定偏心圓凸輪的半徑為19 mm、偏心距為12 mm，割刀位移能夠滿足芹菜收獲作業(yè)要求，且凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心受力的方差最小，機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性好。通過(guò)切割機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)仿真，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)理論模型和設(shè)計(jì)的正確性。當(dāng)芹菜收獲機(jī)樣機(jī)以0.32 m/s速度前進(jìn)時(shí)，芹菜切割成功率為82%，這表明所提出的切割機(jī)構(gòu)具有應(yīng)用于芹菜收獲機(jī)的可行性。本文可為芹菜收獲機(jī)切割機(jī)構(gòu)的研發(fā)提供理論和試驗(yàn)依據(jù)，從而推動(dòng)芹菜收獲機(jī)械的研發(fā)工作，提升芹菜機(jī)械化收獲水平。

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（責(zé)任編輯：康 鋒）

收稿日期： 2023-03-23? 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-06-07網(wǎng)絡(luò)出版日期

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32171899）

作者簡(jiǎn)介： 杜成成（1998— ），男，浙江東陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究。

通信作者： 葉秉良，E-mail：zist_ybl@zstu.edu.cn