圓盤切割式蓖麻采摘裝置設(shè)計與試驗(yàn)

孔凡婷，王德福，石 磊，吳 騰，陳長林，孫勇飛，謝 慶

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014）

0 引 言

蓖麻是重要的農(nóng)業(yè)與工業(yè)原料[1]。蓖麻油是自然界中發(fā)現(xiàn)的唯一可替代石油產(chǎn)品的可再生植物油脂[2]，廣泛應(yīng)用于航空、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，國際市場對蓖麻需求急劇上升。中國作為蓖麻主要生產(chǎn)國及消費(fèi)國之一，蓖麻蒴果年均總產(chǎn)量低于20 萬t，而年需求量在40 萬t 以上[3]。蓖麻生產(chǎn)尤其是收獲環(huán)節(jié)的機(jī)械化程度較低，限制了蓖麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

目前，國內(nèi)市場還未有成熟的蓖麻收獲裝備，蓖麻收獲工作基本由人工完成[4]，當(dāng)前蓖麻產(chǎn)業(yè)迫切需求收獲損失小、工作效率高的蓖麻收獲機(jī)。國外公司研制了幾款蓖麻收獲機(jī)械，主要有德國CLAAS 公司[5]研制的一種全喂入式蓖麻收獲機(jī)，該機(jī)機(jī)械化程度高，但漏采率和破損率高；美國DEERE 公司[6]設(shè)計的振搖式蓖麻收獲機(jī)，含水率高時采凈率低。國內(nèi)李長河等[7]設(shè)計的梳齒式蓖麻采摘裝置，利用相鄰兩齒的夾持作用在采摘器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動下使蓖麻與莖稈分離完成采摘，適應(yīng)結(jié)穗高度較低的矮稈蓖麻的采摘較難；吳志峰等[8]研制的蓖麻收獲機(jī)，通過切刀切斷蓖麻莖稈后將植株卷入脫粒滾筒完成蓖麻收獲，但采凈率僅為67.1%，收獲效果有待提高；李焰宏等[9]研制的自走式蓖麻收獲機(jī)，是以玉米收獲機(jī)為基礎(chǔ)改進(jìn)的，蓖麻果實(shí)破損現(xiàn)象嚴(yán)重；吳騰等[10-11]研制的4BZ-4自走式蓖麻收獲機(jī)，采用輥刷方式將蓖麻蒴果從莖稈上梳刷下完成蓖麻蒴果收獲，主要適用于高稈蓖麻收獲。目前，蓖麻收獲裝備仍存在采摘損失率較高、對低矮植株收獲適應(yīng)性差的問題。

為此，本文針對國內(nèi)種植的低矮蓖麻，基于莖稈物理特性及收獲工藝特點(diǎn)[12-16]，通過對關(guān)鍵部件的受力及作業(yè)原理分析，設(shè)計了圓盤切割式蓖麻采摘裝置。并以割茬高度差和采摘損失率為評價指標(biāo)，以不同刀盤結(jié)構(gòu)類型、刀盤轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度為試驗(yàn)因素，開展三因素三水平的正交試驗(yàn)，確定該采摘裝置工作參數(shù)及刀盤結(jié)構(gòu)形式，并通過田間試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以期為切割式蓖麻采摘裝置研究與優(yōu)化提供參考。

1 蓖麻植株物理特性參數(shù)

1.1 植株特性參數(shù)

本文試驗(yàn)用蓖麻品種為以色列凱豐5 號，于2020 年4 月中旬由氣吸式播種機(jī)播種。2020 年10 月中旬針對成熟較好的蓖麻植株進(jìn)行物理特性參數(shù)測量，采用五點(diǎn)法進(jìn)行田間取樣，每個取樣點(diǎn)選取30 株蓖麻植株，參數(shù)結(jié)果取平均值，植株及田間種植情況主要參數(shù)如表1所示。

表1 蓖麻種植及植株特性參數(shù)Table 1 Planting and plant characteristic parameters of castor

1.2 力學(xué)特性參數(shù)

蓖麻切割過程中，為避免采摘裝置對莖稈過度推擠造成其屈曲，而導(dǎo)致刀盤無法鉗住莖稈進(jìn)行切割，本文對蓖麻莖稈的力學(xué)特性進(jìn)行分析，測定蓖麻莖稈的彎曲力學(xué)特性參數(shù)，為本設(shè)計提供理論支持。蓖麻莖稈彎曲力學(xué)特性試驗(yàn)在南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備采用WDW-10 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)力示值精度在±1%內(nèi)，最大試驗(yàn)力為10 kN，由微機(jī)控制自動完成加載、卸載及數(shù)據(jù)采集與分析。其他儀器包括測試夾具、游標(biāo)卡尺等。

莖稈彎曲試驗(yàn)樣品平均長度993.7 mm，主莖平均直徑為21.4 mm。將蓖麻莖稈根據(jù)果實(shí)分布分為上、中、下三個部分。試驗(yàn)截取蓖麻下部莖稈300 mm 段，以所截取莖稈的中間長度為160 mm 莖稈作為試樣，如圖1a 所示，試驗(yàn)采取三點(diǎn)彎曲法進(jìn)行。試驗(yàn)時，將試樣水平放置在試驗(yàn)機(jī)自帶的壓頭及支座之間，支座跨距為80 mm（如圖1b），試驗(yàn)過程中確保試驗(yàn)機(jī)壓頭位于試樣的中點(diǎn)，加載速度為10 mm/min。以上測量重復(fù)50 次取均值，測得莖稈的抗彎力范圍在104.5～162.8 N。切割過程中莖稈相當(dāng)于一個受集中力的懸臂梁，需根據(jù)莖稈抗彎強(qiáng)度進(jìn)行切割過程彎曲力計算，參考文獻(xiàn)[17]計算莖稈的抗彎強(qiáng)度為8.69～13.54 MPa。

2 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

切割式蓖麻收獲機(jī)整機(jī)主要包括圓盤切割式蓖麻采摘裝置、輸送裝置、脫粒清選裝置、糧箱、動力系統(tǒng)、底盤等，其結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)如表2 所示。

表2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)Table 2 Machine structure and performance parameters

圓盤切割式蓖麻采摘裝置主要由機(jī)架、蒴果回收機(jī)構(gòu)、雙圓盤切割機(jī)構(gòu)和傳動系統(tǒng)等組成，如圖2 所示。

蓖麻收獲作業(yè)時，在液壓馬達(dá)帶動下動力傳輸至撥齒鏈，撥齒鏈從動鏈輪與雙圓盤切割機(jī)構(gòu)的圓盤刀盤同軸，隨兩撥齒鏈傳動實(shí)現(xiàn)雙圓盤刀對向旋轉(zhuǎn)，從而對蓖麻植株進(jìn)行切割。然后切割下的蓖麻植株由撥齒鏈向后撥送至割臺輸送攪龍，機(jī)具震動或擊打落下的蓖麻蒴果掉落至蒴果回收機(jī)構(gòu)，回收機(jī)構(gòu)的輸送帶將其運(yùn)輸至割臺輸送攪龍，絕大部分掉落的蒴果會在枝桿的刮帶下進(jìn)入輸送通道；輸送攪龍間隙可調(diào)，且在送入輸送通道時橫攪龍結(jié)構(gòu)為指桿式推送，其擠壓情況較少，蓖麻蒴果在指桿的快速打擊下極少造成果仁破損。植株通過攪龍輸送喂入至配套裝備的清選裝置，從而完成蓖麻采摘。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 雙圓盤切割機(jī)構(gòu)

切割機(jī)構(gòu)按切割方式主要分為往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式[18-20]，基于蓖麻莖稈高、硬的物理特性，選擇旋轉(zhuǎn)式以減少切割阻力，降低因震動造成的損失率[21]。按圓盤配置方式分為單圓盤和雙圓盤兩種[22]，單圓盤切割機(jī)構(gòu)喂入能力較差，一般只用在夾持輸送喂入的收獲機(jī)上，因此采摘裝置采用雙圓盤式切割機(jī)構(gòu)[23]。

作為蓖麻雙圓盤切割式采摘裝置的重要組成部分之一，雙圓盤切割機(jī)構(gòu)主要由液壓馬達(dá)、傳動鏈輪與齒輪、撥齒鏈、圓盤刀及刀軸等組成。其中，圓盤刀結(jié)構(gòu)及運(yùn)動參數(shù)顯著影響蓖麻收獲效果[24-25]，本文重點(diǎn)對刀盤半徑、刀盤重疊量、刀盤結(jié)構(gòu)及刀盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行計算。

3.1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

蓖麻莖稈切割過程分為切割接觸階段和切割階段。在切割接觸階段，圓盤刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)對莖稈接觸受力有較大影響，莖稈受到刀盤作用于莖稈的摩擦力Ff和刀盤推力FN兩個力，該階段莖稈受力如圖3 所示。

為保證圓盤刀對蓖麻莖稈有效夾持切割，需滿足刀盤夾持力大于對莖稈的推擠力。以單側(cè)力進(jìn)行分析（兩刀盤對莖稈接觸力施力對稱），建立莖稈切割接觸力學(xué)模型如式（1）所示。

聯(lián)立式（1）～（3）解得5.84 mm

3.1.2 運(yùn)動參數(shù)設(shè)計

圓盤刀接觸莖稈后夾持莖稈進(jìn)行切割，同時產(chǎn)生前進(jìn)方向推力。在前進(jìn)方向推力Fx作用下蓖麻莖稈在xz平面內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角θxz，如圖4 所示，計算公式[26]如下：

式中EI 為蓖麻莖稈抗彎強(qiáng)度，GPa。

在接觸過程中前進(jìn)方向推力超過莖稈的抗彎力極限時，莖稈產(chǎn)生傾斜影響切割效果。由式（9）可知，蓖麻莖稈前進(jìn)方向推力與前進(jìn)速度正相關(guān)，與刀盤轉(zhuǎn)速負(fù)相關(guān)，前進(jìn)速度與刀盤轉(zhuǎn)速為影響切割作業(yè)參數(shù)的關(guān)鍵運(yùn)動參數(shù)。

為避免漏割，割刀切割高度L取150 mm，根據(jù)力學(xué)特性試驗(yàn)測得蓖麻切割處莖稈的抗彎模量，確定收割機(jī)最低作業(yè)速度（前進(jìn)速度）為0.8 m/s。收割機(jī)最高作業(yè)速度為1.58 m/s。因此，兼顧收割機(jī)質(zhì)量及效率，確定試驗(yàn)作業(yè)速度范圍為0.8～1.4 m/s。雙圓盤切割屬于低速有支撐切割，參考文獻(xiàn)[27]設(shè)計圓盤刀最低轉(zhuǎn)速為400 r/min；結(jié)合液壓馬達(dá)動力系統(tǒng)條件，設(shè)計圓盤刀最高轉(zhuǎn)速為802 r/min。因此，試驗(yàn)刀盤轉(zhuǎn)速范圍為400～800 r/min。

3.1.3 圓盤刀結(jié)構(gòu)設(shè)計

圓盤刀結(jié)構(gòu)對切割阻力有重要影響，由高略契金力學(xué)試驗(yàn)常數(shù)定理可知，切割阻力與切割作業(yè)的刃口形狀和刃口作業(yè)時的有效弧長有關(guān)。為增加有效弧長長度、減少切割阻力，本文設(shè)計了一款波浪形圓盤刀。本研究選擇常用的光刃形圓盤刀、鋸齒形圓盤刀及本文設(shè)計的波浪形圓盤刀進(jìn)行蓖麻收獲性能對比試驗(yàn)。3 種圓盤刀半徑均為90 mm、基體厚度3 mm、刃口角為16.7°，均采用高速鋼制造；其中，鋸齒形圓盤刀齒數(shù)為40、前角為55°、后角為20°，刀盤結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

如圖5a 所示，光刃形圓盤刀在切割過程中受到的反作用力為切割壓力，以滑切為主的切割過程平穩(wěn)，切割阻力較小。如圖5b 所示，鋸齒形圓盤刀在切割過程中受到的反作用力主要為切割拉力，鋸齒能鉤住蓖麻莖稈不斷鋸切，鉗住莖稈的能力強(qiáng)，但切割時鋸齒的切割沖擊造成切割阻力較大。如圖5c 所示，波浪形圓盤刀有效刃口長度更長，割刀與莖稈接觸面積小，摩擦阻力較??；切割過程中存在滑切與砍切作用，可有效降低切割阻力。由上述分析可知，刀盤結(jié)構(gòu)對切割效果影響較大，因此對光刃形、鋸齒形及波浪形3 種結(jié)構(gòu)刀盤進(jìn)行對比試驗(yàn)。

因光刃形圓盤刀及鋸齒形圓刀在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域使用較多，不對其進(jìn)行參數(shù)設(shè)計；而波浪形刀盤使用較少，基于蓖麻莖稈物理特性，需對波浪形圓盤刀刃口結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。為確定波浪形圓盤刀結(jié)構(gòu)參數(shù)，對其滑切角進(jìn)行計算，根據(jù)極坐標(biāo)系中兩點(diǎn)距離計算公式可知（如圖5c），波浪形圓盤刀外端m點(diǎn)極坐標(biāo)方程為

因切割阻力最大點(diǎn)為刀盤接觸莖稈后，根據(jù)幾何關(guān)系計算得該點(diǎn)極角θ=41.63°。圓弧半徑越小其滑切角越小，但圓弧半徑過小加工成本高且摩擦阻力增加。滑切角為20°～55°時對于降低切割功耗是有利的[28]，綜合實(shí)際情況，滑切角為41.52°時，根據(jù)式（16）確定圓弧半徑為10 mm，圓弧圓心極坐標(biāo)為（80 mm，47°），刀盤圓周布置14 段圓弧刃口曲線。

3.2 撥齒鏈

撥齒鏈的作用是將切割下來的蓖麻植株準(zhǔn)確、可靠地夾持輸送到后續(xù)作業(yè)單元，蓖麻莖稈枝杈較多且稠密、雜亂，為保證莖稈連續(xù)流暢的移動，減少因植株輸送不暢造成的采摘損失，則對撥齒結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計算及設(shè)計。

切割后莖稈頭部在采摘臺的推動下大部分向前端傾倒（以分禾器為前端、攪龍方向?yàn)楹蠖?，下同），極少量莖稈向后傾倒。因此，本文以向前端傾倒為例進(jìn)行力學(xué)分析，根據(jù)靜力學(xué)約束定理可知，前撥齒對蓖麻莖稈作用力F1方向?yàn)樽饔命c(diǎn)A沿接觸處的公法線，并指向被約束的莖稈；由三力平衡定理可知，B點(diǎn)為蓖麻與后一撥齒作用點(diǎn)，其約束力F2必過F1與G的交點(diǎn)C，如圖6 所示。

如圖6 所示，由幾何關(guān)系可得：

圓盤刀切斷蓖麻莖稈后，因蓖麻植株重心位置及主莖尺寸的差異性，撥齒不可能平行夾持，莖稈傾倒后形成搭夾形式。夾持間距過大時，因重心不平衡蓖麻莖稈傾倒角度過大，傾倒產(chǎn)生的擊打力使采摘損失增大；而間距過小則不能有效夾持莖稈。蓖麻植株重心到切割點(diǎn)距離統(tǒng)計平均為404.6 mm，根據(jù)式（18）、式（20），綜合考慮蓖麻莖稈直徑及安裝空間位置，設(shè)計夾持高度l2為80 mm，撥齒間距s為38.1 mm，撥齒高度h為37 mm。根據(jù)撥齒參數(shù)，選擇現(xiàn)有的12A 玉米撥齒鏈，其撥齒線速度與圓盤刀線速度相近。

3.3 蒴果回收機(jī)構(gòu)

蓖麻蒴果成熟后果柄與蒴果連接力較小，在切割過程中，機(jī)具振動或切割作業(yè)時極易引起蒴果掉落。因此，本文在切割裝置旁布置收集機(jī)構(gòu)進(jìn)行蒴果回收，綜合承載能力、輸送速度及整體高度等，選擇輸送帶進(jìn)行蒴果收集。

在圓盤刀進(jìn)行切割作業(yè)時，可進(jìn)行下一株蓖麻對行，輸送距離長度設(shè)計為1 000 mm。假設(shè)輸送距離內(nèi)兩側(cè)的蓖麻蒴果全部掉落在輸送帶，則蒴果在輸送帶上完全鋪開面積S為

式中m為單棵蓖麻莖稈的蒴果數(shù)量；cr為蒴果直徑，mm。

測定單棵蓖麻蒴果數(shù)量平均為160 顆，以蒴果直徑為18 mm[16]進(jìn)行計算，則輸送帶寬度應(yīng)大于165 mm。考慮植株可能傾搭在輸送帶上，為保證蒴果輸送穩(wěn)定，設(shè)計輸送帶工作寬度為250 mm。輸送帶兩側(cè)裝有導(dǎo)板及封毛，保證蒴果可回落至輸送帶。

正常工作情況下輸送帶為水平狀態(tài)，但由于田間條件不同，收獲時采摘裝置不能與地面時刻保持平行，即輸送帶與地面會形成一定的夾角。當(dāng)輸送帶與地面形成一定的俯角時，輸送帶速度過小則無法實(shí)現(xiàn)蒴果的有效收集。在一定的傾角下，對蒴果進(jìn)行運(yùn)動分析，如圖7 所示。

式中vt為輸送帶速度，m/s；γ為機(jī)器與地面形成的夾角，(°)。

為避免出現(xiàn)蒴果輸送問題，應(yīng)考慮蒴果與傳送帶的摩擦角，參考文獻(xiàn)[29]蓖麻蒴果與輸送帶、蒴果間靜摩擦系數(shù)為0.6，輸送帶傾斜角度可大于30°而蒴果不發(fā)生滑動。實(shí)際情況下γ一般小于15°，其摩擦角遠(yuǎn)大于機(jī)具傾斜角度，依據(jù)機(jī)具與地面夾角進(jìn)行輸送帶速度計算。根據(jù)機(jī)具與地面夾角及收割機(jī)作業(yè)速度范圍，設(shè)計輸送帶速度范圍為0.9～1.6 m/s。

3.4 傳動系統(tǒng)

雙圓盤切割式蓖麻采摘裝置傳動系統(tǒng)主要由液壓驅(qū)動馬達(dá)、齒輪、鏈輪、軸等組成，其作用是把發(fā)動機(jī)輸入的動力通過液壓馬達(dá)和機(jī)械傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變向和變速，將運(yùn)動和動力傳遞到工作部件，完成蓖麻采摘收集過程。

傳動原理如圖8 所示。本文中雙圓盤切割式蓖麻采摘裝置左右各配置一組串聯(lián)的液壓馬達(dá)，以一側(cè)馬達(dá)動力傳輸為例進(jìn)行說明：在液壓馬達(dá)的驅(qū)動下，通過鏈傳動系統(tǒng)將動力傳輸至蒴果輸送帶，完成掉落蒴果的回收工作。同軸的錐齒輪轉(zhuǎn)向?qū)M向轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為縱向轉(zhuǎn)動，將動力傳輸至撥齒鏈，使撥齒對向旋轉(zhuǎn)，保證將切割下來的蓖麻莖稈撥送至割臺輸送攪龍；與此同時，撥齒鏈的鏈傳動系統(tǒng)將動力傳遞給同軸的雙圓盤刀，圓盤刀在對向旋轉(zhuǎn)的動力作用下完成蓖麻莖稈的切割作業(yè)。

傳動過程中，雙圓盤切割機(jī)構(gòu)與撥齒鏈同轉(zhuǎn)速，撥齒鏈、圓盤刀及輸送帶轉(zhuǎn)速均由液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速決定。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為檢驗(yàn)雙圓盤切割裝置的實(shí)際作業(yè)性能，2020 年10月在內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市土默特左旗耳林岱村進(jìn)行切割式蓖麻采摘臺采摘作業(yè)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)田塊土壤類型為栗鈣土，土壤含水率15%～20%；蓖麻平均種植行距為700 mm、株距為550 mm；蓖麻品種為以色列凱豐5號，有少量倒伏，蒴果含水率為8.2%～9.3%，莖稈含水率為12.5%～20.8%，植株平均高度為993.7 mm，主莖平均直徑為21.4 mm。試驗(yàn)選用星光4LZ-5.0Z 型全喂入聯(lián)合收割機(jī)（標(biāo)定功率78 kW），采摘裝置掛接在喂入橫攪龍機(jī)架上，如圖9 所示。其他輔助工具有電子秤（中國上海立晨儀器技術(shù)有限公司產(chǎn)，型號：YP300001D，量程0～30 kg，精度0.1 g）；游標(biāo)卡尺、皮尺（0～150 m）和秒表等設(shè)備。

4.2 試驗(yàn)方法

4.2.1 試驗(yàn)因素

圓盤刀轉(zhuǎn)速和收割機(jī)行走速度是影響合速度變化的主要因素，本文在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇刀盤結(jié)構(gòu)類型、前進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速3 個因素作為影響因素。

根據(jù)前文分析，選擇光刃形、鋸齒形和波浪形圓盤刀作為圓盤刀類型的3 個水平；3 種試驗(yàn)用圓盤刀直徑、基體厚度、刃口角、材質(zhì)均相同。在刀盤轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)設(shè)置400、600、800 r/min 3 個水平。在收割機(jī)作業(yè)速度范圍內(nèi)，依據(jù)收割機(jī)檔位設(shè)置該機(jī)行走速度為0.8、1.1、1.4 m/s 3 個水平。試驗(yàn)因素和水平如表3 所示。

表3 試驗(yàn)因素和水平Table 3 Test factors and levels

4.2.2 評價指標(biāo)

目前還沒有針對蓖麻收獲裝備的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，本文參照國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 5262-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械測定試驗(yàn)條件 測定方法的一般規(guī)定》[30]和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8097-2008《收獲機(jī)械 聯(lián)合收割機(jī) 試驗(yàn)方法》[31]。

割茬高度差測定：在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，沿收割機(jī)作業(yè)方向隨機(jī)選取20 株蓖麻莖稈，割茬高度差按式（23）進(jìn)行測量，共測量5 組，結(jié)果取平均值。

式中hd為割茬高度差，mm；hh割茬最高離地距離，mm；lh割茬最低離地距離，mm。

采摘損失率測定：為排除收割機(jī)清選、提升等裝置產(chǎn)生的損失對試驗(yàn)結(jié)果的影響，在試驗(yàn)田塊隨機(jī)停止作業(yè)，選取圓盤切割式蓖麻采摘裝置到清選裝置間長度為2 m、寬度為機(jī)具作業(yè)幅寬作為測試區(qū)。試驗(yàn)前測量自然損失率nr（即未進(jìn)行試驗(yàn)前，田間已掉落蓖麻蒴果質(zhì)量與收獲總質(zhì)量的百分比），%。

共測試5 組，結(jié)果取平均值。

式中rh為采摘損失率，%；rt1為測試區(qū)總損失率，%；m1為測試區(qū)總損失質(zhì)量，g；m2為測試區(qū)內(nèi)蓖麻蒴果總質(zhì)量，g。

5 結(jié)果與分析

5.1 極差與方差分析

試驗(yàn)采用L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計，正交試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示，田間試驗(yàn)割茬高度差為0.85～5.13 mm，采摘損失率為3.15%～5.48%。

表4 試驗(yàn)方案和結(jié)果Table 4 Test plan and results

極差分析結(jié)果如表5 所示，各因素對割茬高度影響主次順序?yàn)榈侗P結(jié)構(gòu)類型、刀盤轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度，優(yōu)水平為A3B3C1，即刀盤結(jié)構(gòu)類型為波浪形，刀盤轉(zhuǎn)速為800 r/min，前進(jìn)速度為0.8 m/s。各因素對采摘損失率影響主次順序?yàn)榈侗P結(jié)構(gòu)類型、前進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速，優(yōu)水平為A3B2C2，即刀盤結(jié)構(gòu)類型為波浪形，刀盤轉(zhuǎn)速為600 r/min，收割機(jī)前進(jìn)速度為1.1 m/s。試驗(yàn)最優(yōu)參數(shù)組合需依據(jù)極差分析確定各因素對評價指標(biāo)影響顯著性進(jìn)行選取。

表5 極差分析Table 5 Range analysis

為判斷各試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的顯著性影響，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表6 所示。

表6 方差分析Table 6 Variance analysis

由表6 可知，刀盤結(jié)構(gòu)類型對割茬高度差影響顯著，刀盤轉(zhuǎn)速、收割機(jī)前進(jìn)速度對割茬高度差影響不顯著。主要由于光刃形及波浪形圓盤刀齒間過渡平穩(wěn)，切割過程更加平緩，割茬高度一致性好；鋸齒形圓盤刀鋸齒能鉤住蓖麻莖稈不斷鋸切，鉗住莖稈的能力強(qiáng)，但切割時鋸齒的拉應(yīng)力會造成蓖麻莖稈劈裂產(chǎn)生一定的高度差。刀盤轉(zhuǎn)速和收割機(jī)行走速度會影響莖稈經(jīng)切割區(qū)時被圓盤刀齒切割次數(shù)，但對切割作用力影響較小，對割茬高度差影響小。

由方差分析結(jié)果可知，刀盤轉(zhuǎn)速對采摘損失率影響顯著，刀盤結(jié)構(gòu)類型、收割機(jī)前進(jìn)速度對采摘損失率影響極顯著。這是因?yàn)榈侗P轉(zhuǎn)速提高，降低莖稈未被切割而被拉斷的概率，減少切割震動引起的采摘損失；但刀盤轉(zhuǎn)速過高時，刀盤滑切角較大，過大的滑切角切割時易產(chǎn)生滑移[32]，此時刀刃不能鉗住莖稈，蓖麻易被推擠出去而產(chǎn)生莖稈彎曲，造成采摘損失率增加。光刃形與波浪形圓盤刀在切割過程中受到的反作用力均主要為切割壓力，切割過程平穩(wěn)無振動；其中波浪形曲線刃口更利于鉗住蓖麻莖稈，可有效降低切割損失；而鋸齒型圓盤刀在切割過程中其沖擊產(chǎn)生的慣性有利于將莖稈順利切開、切斷，但可能造成蓖麻收獲損失率增加。收割機(jī)前進(jìn)速度較大時，蓖麻枝桿與裝置碰撞時間短，蒴果掉落少、采摘損失率低；但前進(jìn)速度過快時，掉落的蒴果與機(jī)具撞擊反彈力較大，蓖麻蒴果飛濺，回收裝置不能有效回收造成采摘損失增加。

5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)綜合平衡法，因?yàn)楦饕蛩貙Σ烧獡p失率影響顯著，且損失率會對經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生影響。在保證割茬高度差的前提下，選取X3Y2Z2組合參數(shù)，即刀盤結(jié)構(gòu)類型為波浪形，刀盤轉(zhuǎn)速為600 r/min，前進(jìn)速度為1.1 m/s。田間驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。

表7 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Table 7 Test verification results

驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)?shù)侗P結(jié)構(gòu)類型為波浪形，刀盤轉(zhuǎn)速為600 r/min，前進(jìn)速度為1.1 m/s 時，波浪形圓盤切割式蓖麻采摘裝置作業(yè)平均割茬高度差為0.85 mm、平均采摘損失率為3.13%，割茬高度、切口性狀的一致性、損失率達(dá)到技術(shù)要求。綜上可知，本研究設(shè)計的雙圓盤切割式蓖麻采摘裝置具有損失率低、效率高、農(nóng)藝適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，各部件功能與作業(yè)效果可達(dá)到設(shè)計預(yù)期，能夠滿足蓖麻收獲的田間作業(yè)要求。

6 結(jié) 論

1）結(jié)合蓖麻植株的生理特性，在雙圓盤切割機(jī)構(gòu)、撥齒鏈、回收機(jī)構(gòu)分析基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種圓盤切割式蓖麻采摘裝置。

2）以刀盤結(jié)構(gòu)類型、前進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速3 個影響因素，割茬高度差、采摘損失率為評價指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，對割茬高度的優(yōu)水平參數(shù)：刀盤結(jié)構(gòu)類型為波浪形，刀盤轉(zhuǎn)速為800 r/min，前進(jìn)速度為0.8 m/s；刀盤結(jié)構(gòu)類型對割茬高度差影響顯著，刀盤轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度的影響不顯著。采摘損失率的優(yōu)水平參數(shù)：刀盤結(jié)構(gòu)類型為波浪形，刀盤轉(zhuǎn)速為600 r/min，前進(jìn)速度為1.1 m/s；刀盤轉(zhuǎn)速對采摘損失率影響顯著，刀盤結(jié)構(gòu)類型、前進(jìn)速度的影響極顯著。

3）保證割茬高度差的前提下，以采摘損失率為主要指標(biāo)，利用綜合平衡法確定最優(yōu)參數(shù)組合：刀盤結(jié)構(gòu)類型為波浪形，刀盤轉(zhuǎn)速為600 r/min，前進(jìn)速度為1.1 m/s。并進(jìn)行了田間試驗(yàn)驗(yàn)證：平均割茬高度差為0.85 mm，平均采摘損失率為3.13%。試驗(yàn)結(jié)果可為全喂入蓖麻收獲機(jī)及相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支持。