梳齒式甜菜清纓切頂機研制

王方艷，張 欽，張振宇，黃新平

（青島農業(yè)大學機電工程學院，青島 266109）

0 引 言

甜菜是重要的制糖原料，具有較高的經濟效益。隨著勞動力價格的提高及甜菜需求量的增長，收獲作業(yè)已成為制約甜菜產業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[1-4]。目前，國內甜菜多采用分段式收獲，即先清纓切頂、后挖掘收獲、再清選收集[5]。其中，清纓切頂作業(yè)是收獲過程的第一環(huán)節(jié)，影響后續(xù)作業(yè)效果。當前，甜菜清纓切頂作業(yè)存在人工勞動強度大、工作效率低，機械化切頂質量差及適應性差等問題[6-8]。研發(fā)適宜的甜菜切頂裝備，實現(xiàn)低損清纓及準確切削對推動甜菜產業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義[9-11]。

國外對甜菜收獲裝備技術的研究起步早，并于20世紀60年代實現(xiàn)了甜菜生產全程機械化作業(yè)[4]。國內王合等[12]研制出4Q-2型甜菜打葉切頂機，可一次性完成清纓除頂作業(yè)，提高了作業(yè)效率。王方艷等[13]探索了橡膠條及甩刀的受力，研制了4TSQ-2型甜菜切頂機，但受甜菜生長高度及株距影響大。李建東等[14]采用滾輪的仿形切頂方式，研制了TQ2型甜菜切頂機，但存在通過性差、效率低、損傷率大的問題。針對上述問題，本文設計了一種甜菜切頂機，對清纓刀與清纓條進行優(yōu)化，以降低清纓過程中的甜菜損傷率；對梳齒部件及仿形機構進行優(yōu)化，以改善切頂裝置的適應性，提高甜菜的切頂合格率；通過正交旋轉試驗，分析關鍵參數(shù)對作業(yè)指標的影響規(guī)律，并尋求最優(yōu)參數(shù)組合，以解決甜菜損傷率高、切頂質量差的問題。

1 總體結構與工作原理

梳齒式甜菜清纓切頂機主要由牽引架、液壓油缸、變速箱、清纓刀輥、清纓條輥、地輪總成、切頂裝置、機架總成等組成，如圖1所示。其中，清纓刀輥、清纓條輥組成纓葉清理裝置；連桿及連架桿構成平行四桿仿形機構，保障切刀隨地起伏；梳齒部件、切刀和四桿仿形機構組成切頂裝置，適應不同甜菜青頭形狀及作業(yè)條件，保障切頂厚度及切削質量。

整機技術參數(shù)如表1所示，切頂機工作時，通過液壓提升機構調整切頂機的離地高度，保障清纓條接觸甜菜青頭且不擊打地表。借助拖拉機后輸出軸帶動清纓輥及清纓輥旋轉（轉速比1∶1）。清纓刀和清纓條在輥軸帶動下高速回轉，其運動軌跡受纓葉數(shù)量和狀態(tài)的影響；工作狀態(tài)、切割力（或擊打力）都具有隨機性，對清纓刀和清纓條的線速度要求較高。清纓輥上的清纓刀高速回轉，對甜菜纓葉的粉碎屬于無支撐切割，將甜菜青頭上部的纓葉粉碎、拋散，避免纓葉及雜草的纏繞；清纓輥上的清纓條分別從甜菜青頭兩側除去殘葉，依靠擊打力和摩擦力去除纓葉，并降低殘余纓葉對后續(xù)切頂位置的干擾。懸掛于機具末端的梳齒式切頂裝置性能由仿形機構、切頂機構決定。由于甜菜地上高度不一致，仿形機構牽動切頂機構起伏運動。平行四邊形的桿長條件保障梳齒部件與切刀運動特性相同、相對位置穩(wěn)定[15-16]。扭簧控制梳齒部件對甜菜青頭的接觸力，確保梳齒部件實時與甜菜青頭接觸。仿形滑板間距大于甜菜青頭直徑，可減少青頭形狀對切頂位置的影響，保障切刀相對甜菜青頭的位置穩(wěn)定。通過調節(jié)切頂?shù)兜母叨燃芭せ膳ぞ氐日{整仿形機構的運動穩(wěn)定性及靈活性，保障切刀位置及切厚，實現(xiàn)切頂厚度一致[17-20]。

表1 梳齒式甜菜清纓切頂機主要技術參數(shù)Table 1 Main technical parameters of comb type leaves clearing and top cutting machine for beets

2 纓葉清理裝置

甜菜品種多樣，生長狀態(tài)存在差異，為此本文采用3組輥軸分部位清理，以提高甜菜纓葉清理合格率和降低甜菜青頭的擊打損傷率[20-21]。為了提高工作效率及清纓效果，第1組清纓刀輥打碎甜菜葉片，并在離心力作用下將纓葉拋灑至地面；第2組和第3組清纓條輥工作轉向相反，將甜菜頂部殘余纓葉全面清理。清纓刀輥與清纓條輥結構如圖2所示。工作中，清纓刀和清纓條持續(xù)接觸甜菜纓葉，考慮清纓輥、清纓輥的動平衡及工作阻力，清纓刀采用180°對稱排布，清纓條采用90°均勻排布。

2.1 關鍵參數(shù)確定

2.1.1 清纓刀和清纓條

清纓刀結構決定機具的工作效果和清纓質量。考慮到纓葉柔軟且粉碎過程為無支撐作業(yè)，采用L型清纓刀結構，選用65Mn鋼，0.5 mm中頻淬火處理，經測試表面硬度為49～62 HRC，內部硬度為29～39 HRC，具有自磨刃的效果，清纓刀工作面末端采用圓弧結構，如圖3所示。在清纓刀長度一定時，圓弧半徑較小易造成應力集中，影響清纓刀強度及殺秧性能，圓弧半徑過大則會降低清纓刀的拋帶秧性能[21-23]。經試驗比較，最終確定清纓刀工作曲面圓弧半徑R為48.5 mm。結合甜菜青頭離地高度為10～90 mm、壟高100～150 mm的農藝條件[24]，確定清纓刀有效工作長度L為172 mm，寬度La為48 mm，厚度B為4 mm，斜切刃的刃角α為25°。

清纓條的主要結構參數(shù)為上寬Ca、下寬Cb和長度Lc，厚度Bc決定甜菜青頭上殘余纓葉的清理效果，如圖4所示。清纓條采用上窄下寬的梯形外形和底部開衩結構，以增大其與甜菜的接觸面積，提升纓葉清理效果及通過性，降低作業(yè)風阻。清纓條長度大于清纓刀，既可防止清纓刀損傷甜菜，又可保證殘余纓葉的清除效果。清纓條硬度過大易造成甜菜損傷；硬度過小則清纓效果下降。綜合甜菜損傷及清理效果[25]。通過田間預試驗，選擇邵氏硬度為75的橡膠材質加工清纓條，厚度Bc為5 mm、下寬Cb為55 mm、上寬Ca為42 mm、長度Lc為212 mm、中縫寬度Bd為3 mm。

2.1.2 輥軸結構與清纓刀和清纓條排列

輥軸為清理裝置的關鍵部件，影響清纓刀和清纓條的線速度，是纓葉切割、清理效果的關鍵因素。輥軸半徑越大，清纓刀和清纓條的回轉半徑越大，纓葉清理效果越好，但會減小纓葉通過空間，使得清纓刀和清纓條纏繞纓葉。為達到理想的纓葉粉碎及清理效果，經田間試驗測定，清纓刀和清纓條端點的線速應大于8 m/s。結合甜菜纓葉的自然狀態(tài)高度為130～360 mm，根據(jù)甜菜纓葉的生長分布范圍半徑為210～260 mm，甜菜偏離種植行距為0～40 mm，確定清纓刀輥和清纓條輥的有效工作寬度LD大于290 mm[24]。

清理裝置清除工作區(qū)域的纓葉，避免纓葉擁堵和纏繞。根據(jù)無遺漏地清理每個甜菜塊根的原則，清纓刀和清纓條的寬度、數(shù)量、轉速和前進速度滿足以下條件：

式中H為每個輥軸上清纓刀和清纓條數(shù)量；C為清纓刀和清纓條寬度，m；vm為機器前進速度，m/s；；n為輥軸轉速，r/min。

清纓刀和清纓條的排列密度影響纓葉粉碎及清理效果，決定機具工作功耗及動載荷。排列密度大，纓葉粉碎及清理效果好，但會造成能耗增加；排列密度小，作業(yè)功耗降低，但會造成纓葉遺漏與纏繞、機具作業(yè)振動

劇烈。合理的清纓刀和清纓條排列密度有助于改善作業(yè)效果，避免纓葉纏繞擁堵等。清纓條輥和清纓刀的排列密度與清纓刀和清纓條數(shù)量和清纓皮和清纓刀輥的有效工作寬度應滿足：

式中E為清纓條和清纓刀的排列密度，片/m，D1為清纓皮條和清纓刀輥的有效工作寬度，mm。

正常工作時拖拉機的前進速度為0.83～1.67 m/s，輥軸轉速大于450 r/min，清纓刀和清纓條寬度為45～50 mm。由式（1）確定清纓刀和清纓條的數(shù)量H＞14。參考旋耕機等旋耕刀的排列密度[26]，由式（2）可確定清纓刀和清纓條的排列密度E為15片/m，清纓刀輥和清纓條輥的有效工作寬度D1為330 mm。

2.2 清纓刀和清纓條的受力分析

清纓刀和清纓條與軸箍采用銷軸鉸接，隨輥軸高速回轉，工作時清纓刀和清纓條不斷接觸甜菜纓葉及青頭受到工作阻力，與徑線方向形成偏轉角θ。清纓條橡膠材質邵氏硬度為75，硬度較大，在離心力的作用下可忽略彈性變形，清纓刀和清纓條受力情況相同，可簡化為一個整體清纓部件進行分析，以輥軸回轉中心O為原點，清纓部件受力及坐標系如圖5所示。工作中，清纓部件主要受離心力Fce、重力G、工作阻力FT、銷軸孔壁給予的摩擦力Ff1及正壓力Ft1，L2、h1、h2、r為各力相對于銷軸中心O1的作用力臂。因清纓部件相對于銷軸穩(wěn)定靜止，所受合力矩為0，可得：

即

式中m為清纓部件質量，kg；g為重力加速度，m/s2；f1為銷軸與清纓部件的滑動摩擦系數(shù)；r為軸半徑，m。

由幾何關系分析可知：

式中L為清纓部件長度，m；L1為O1O2的距離，m；R3為OO1的距離，m；θ1為O1O2與O1O3的夾角，(°)；聯(lián)立式（2）、式（5）得：

在輥軸的高速回轉過程中，清纓部件受到的摩擦阻力矩大于重力力矩，即f1Ft1r＞mgh2。清纓部件相對軸銷位置穩(wěn)定，保證越過銷軸擺動激勵條件，消除穩(wěn)態(tài)振動響應[27]。忽略清纓部件與銷軸摩擦力矩，則θ1=0，f1Ft1r=0。式（6）簡化為

工作時，清纓部件的偏轉角θ越大，清纓部件對纓葉粉碎及青頭清理效果越差。由公式（9）可知，增加清纓部件質量m、提高輥軸角速度ω、增大輥軸半徑R3、縮短清纓部件長度，都可以減小偏轉角θ，提高清纓機構的作業(yè)質量。清理機構結構及尺寸確定后，提高輥軸旋轉的角速度ω，θ減小，但輥軸的離心慣性力增大，甜菜損傷率，整機功耗增大，不利于機具穩(wěn)定作業(yè)。

2.3 輥軸工作轉速確定

由清理機構的工作過程及受力分析可知，清纓刀完成纓葉的粉碎及拋送，清纓條實現(xiàn)甜菜青頭殘余纓葉的清理。輥軸轉速決定清纓刀的纓葉切割效果，影響清纓條對甜菜青頭擊打力及摩擦力，是清理機構的關鍵參數(shù)。輥軸轉速過小，纓葉清理效果差，不利于后續(xù)切頂作業(yè)；輥軸轉速過大，則易造成甜菜青頭破損。

2.3.1 清纓刀輥拋纓轉速

清纓刀擊打纓葉后沿水平方向將纓葉拋送至清纓刀輥的工作范圍外，拋送位置高于清纓刀輥工作高度且具有一定的線速度v1，設清纓刀線速度轉化為纓葉拋送初速度的損失系數(shù)為η，則清纓刀擊清纓葉的最低線速度vc應滿足：

式中v0為纓葉拋送的初始速度，m/s；

在拋送過程中，受纓葉相互碰撞、空氣阻力影響，纓葉拋送高度降低系數(shù)為η1?？紤]清纓刀慣性力對纓葉的拋送作用，由能量守恒有：

式中v1為拋送位置最高處的纓葉速度，m/s；h為拋送位置的高度，mm。

由式（8）、式（9）確定拋送纓葉所需刀輥最低轉速n1為

經預試驗確定拋送高度h1=0.35 m，纓葉到達拋送位置的速度為10 m/s，損失系數(shù)η=0.55，降低系數(shù)η1=0.3，代入式（10），確定纓葉拋送最低轉速n1=490.3 r/min。

2.3.2 清纓條輥轉速

清纓條長度大于清纓刀長度，工作時與甜菜青頭頻繁接觸，易造成甜菜青頭損傷。根據(jù)作業(yè)過程清纓條的絕對速度由輥軸轉速n2和前進速度vm合成，則清纓條任意擊打位置點P(x，y)的運動軌跡為余擺線，如圖6所示。

清理甜菜纓葉所需的清纓條輥轉速n2應滿足：

式中v2為末端工作最低線速度，m/s。

經預試驗測得清纓條切割甜菜纓葉的最低線速度為8 m/s。依據(jù)甜菜田間生長狀態(tài)確立除纓深度hy=130 mm，清纓條回轉半徑R為0.312 m。受甜菜收獲田間工況影響，拖拉機工作前進速度為0.83～1.67 m/s，代入式（11），得n2≥476.1 r/min。

綜合考慮，工作轉速應同時大于纓葉拋送最低轉速n1與清纓條輥轉速n2，即大于490.3 r/min。增大清纓刀輥轉速和清纓條的輥軸轉速，有利于碎纓及拋纓，但會增加機具的功耗與甜菜損傷，且輥軸轉速大于1 000 r/min時功耗大與甜菜損傷明顯?？紤]清理機構運動的穩(wěn)定性及功耗，確定輥軸的轉速范圍為500～1 000 r/min。

3 梳齒式切頂裝置

梳齒式切頂裝置主要由切刀、仿形滑板、調節(jié)螺桿、扭簧、連接桿、仿形機構、調壓螺母、升降套管等組成，結構如圖7所示。切頂裝置通過螺栓安裝于機架，借助升降套管調節(jié)高度，依據(jù)甜菜的種植行距調節(jié)安裝位置，增強甜菜清纓切頂機的工作適應性。切頂裝置通過調壓系統(tǒng)的初始扭簧扭矩，保障甜菜與仿形滑板接觸穩(wěn)定且不推倒甜菜。為實現(xiàn)甜菜青頭切面平整、阻力小，選用上磨刃切刀，切刀寬度大于青頭直徑，取50 mm。

3.1 切頂裝置的力學分析

切頂裝置由仿形機構和切頂機構組成。仿形機構為平行四邊形結構，使得梳齒部件與切刀同步運動、切頂厚度相同。工作中，梳齒部件不斷接觸地上高度不同的甜菜青頭輪廓，帶動仿形機構繞固定鉸接點的擺動。在機構重力及扭簧扭矩的共同作用下，仿形機構隨甜菜青頭輪廓不斷起伏運動，保障梳齒部件實時與甜菜青頭接觸，確保切刀相對甜菜的位置穩(wěn)定。為使切頂裝置作業(yè)平穩(wěn)、切頂厚度一致，由多個仿形滑板構成梳齒部件，利于青頭及殘余纓葉的通過，保障切刀與甜菜青頭的相位位置穩(wěn)定。切頂裝置的受力如圖8所示，鉸接點A的力矩平衡條件為

梳齒部件所受作用力F為：

由式（13）可知，地面與甜菜青頭對梳齒部件的作用力F主要與切頂機構重力Gf、平行四桿桿長LS、扭簧力S、仿形桿的擺角α2有關。其中，平行四桿桿長LS與扭簧力S產生的扭簧扭矩，影響切頂裝置的運動穩(wěn)定性。當仿形裝置的結構確定后，僅有扭簧力S與擺角α2隨梳齒部件接觸不同甜菜高度而改變，減少仿形桿擺角α2的變化范圍，可減少F的變化范圍，保證仿形裝置工作穩(wěn)定。

3.2 仿形機構參數(shù)確定

切頂裝置工作時，仿形滑板底部與地表位置接觸，扭簧力為預設初值，仿形桿初位角為α0。當梳齒部件進入低洼地面，扭簧受拉力，扭簧對仿形機構的拉力S與其重力Gf平衡，仿形桿位角變化量為Δα2，當梳齒部件接觸甜菜青頭，扭簧受壓力，仿形桿位角變化量為Δα1，如圖9所示，當梳齒部件與甜菜青頭脫離，在機構重力Gf及扭簧力S的作用下，仿形桿及時歸位，提高仿形精度。

根據(jù)切頂技術要求的仿形范圍與甜菜青頭頂點的離地高度為10～90 mm，確定仿形量為90 mm。當仿形桿在上、下極限位置時，總仿形量可表示為

由式（13）與式（14）可知，仿形量一定時，仿形桿越長，仿形桿的擺角變化幅度就越小，地面對仿形機構的作用力F的變化范圍越小，切頂裝置工作越穩(wěn)定。經預試驗確定α0=6.5°，Δα1=13°，Δα2=6.5°，仿形桿長度Ls為320 mm，此時總仿形量h為120 mm，可保障裝置正常工作。

3.3 梳齒部件參數(shù)確定

為保證梳齒部件順利滑過甜菜青頭，且不推斜或推出甜菜，對梳齒部件進行受力分析，如圖10所示。視作梳齒部件實時在α1傾角斜面上運動，甜菜受水平力PH需滿足：

式中Q為梳齒部件豎直方向所受的合力，kg；m為纓葉切頂機構運動部分轉移到梳齒部件上的質量，kg；S為扭簧力（正號表示扭簧拉力；負號表示扭簧壓力），N；Ff為纓葉切割裝置可動連接部分的摩擦力，N；φ為梳齒部件對甜菜青頭的摩擦角，(°)；amax為梳齒部件與甜菜青頭接觸時的最大加速度，m/s2。

通常，甜菜與土壤的結合力的許用值[PH]為98～196 N[28]，由土壤類型、濕度及甜菜塊根的地上高度有關。由式（15）可知，梳齒部件與甜菜接觸瞬間，甜菜受水平力PH受扭簧力的影響較大，且傾角α1越大，甜菜越容易被推動或推出。經過初步試驗，扭簧扭矩為-6.27～24.67 N·m時，切頂效果較好，切頂過程中無推到甜菜現(xiàn)象。通常為避免切頂過程中推倒甜菜，根據(jù)甜菜的生長狀態(tài)，確定傾角為16.5°～19.0°。為了降低纓葉及青頭外形對切頂位置的干擾，確定齒板間距40 mm，作業(yè)幅寬160 mm。

4 參數(shù)優(yōu)化試驗

4.1 試驗方法

試驗于2019 年10月2－11日在齊齊哈爾市依安縣甜菜種植示范基地進行。田間壤土含水率為24.2%，硬度為1 175 kPa，土壤容重為1.03 g/cm3；甜菜種植壟距為650 mm，平均株距為259 mm，甜菜纓葉平均高度為282 mm，甜菜青頭頂端離地高度為10～90 mm。選擇47.8 kW拖拉機牽引甜菜切頂機進行工作，并觀察甜菜纓葉及塊根狀態(tài)，依據(jù)《甜菜收獲機作業(yè)質量》（NY/T 1412—2018）[29-30]，測定甜菜的切頂指標。統(tǒng)計甜菜塊根總數(shù)G、纓葉除凈甜菜數(shù)量G1、甜菜損傷數(shù)量G2，計算纓葉除凈率y1，甜菜損傷率y2。選2行甜菜為試驗工作寬幅，30 m為一個作業(yè)小區(qū)，重復3次，結果取平均值，纓葉除凈率y1和甜菜損傷率y2計算如下：

以纓葉除凈率y1和甜菜損傷率y2作為評價指標，以前進速度、清纓輥轉速、扭簧扭矩為試驗因素，進行樣機田間試驗。根據(jù)理論分析和預試驗，確定清纓輥轉速范圍為500～1 000 r/min，扭簧扭矩范圍為-6.27～24.67 N·m。參考農用拖拉機收獲作業(yè)速度，確定機具前進速度范圍為0.8～1.6 m/s。試驗因素水平設置見表2。

表2 試驗因素水平Table 2 Experimental factors and levels

由于切頂機機械結構和傳動系統(tǒng)的限制，對試驗參數(shù)值進行取整，編碼值為-1.682的x1圓整為0.85 m/s；編碼值為1.682的x1圓整為1.65 m/s；編碼值為-1.682的x2圓整為500 r/min；將編碼值為1.682的x2因素圓整為900 r/min；編碼值為-1.682的x2圓整為6.3 N·m；編碼值為1.682的x2圓整為24.7 N·m。

4.2 結果與分析

根據(jù)Central Composite 試驗原理進行三因素三水平二次回歸正交旋轉組合試驗設計，試驗方案包括23個試驗點，其中14個分析因子，9個零點估計誤差。試驗方案和結果見表3。

4.3 回歸模型的建立與顯著性試驗

根據(jù)表3中給出的試驗方案進行試驗，將試驗后的數(shù)據(jù)結果輸入Design-Expert數(shù)據(jù)分析軟件進行多元回歸擬合，建立切頂合格率y1與損傷率y2對前進速度x1，清纓輥轉速x2，扭簧扭矩x3的回歸方程的顯著性檢驗如表 4所示。

在此基礎上，根據(jù)表3分析回歸方程y1與y2中參數(shù)的顯著性，切頂合格率模型中極顯著，x3顯著。損傷率模型中極顯著，顯著。剔除不顯著參數(shù)后回歸方程為

由表4可知，切頂合格率y1與損傷率y2與的響應面模型的P值均小于0.001，可說明y1與y2的回歸模型極為顯著。切頂合格率y1擬合方程決定系數(shù)R2=0.9621，切頂合格率y1擬合方程決定系數(shù)R2=0.9612，說明回歸模型對樣本點的擬合程度高，與試驗樣本數(shù)據(jù)差值小，可擬合96%以上的評價指標。因此，可用此模型對y1與y2進行分析和優(yōu)化參數(shù)。由各回歸項回歸系數(shù)分析可知，對切頂合格率y1各因素的影響重要性順序從大到小為前進速度、清纓輥轉速、扭簧扭矩；對損傷率y2各因素的影響重要性順序從大到小為清纓輥轉速、扭簧扭矩、前進速度。

表3 試驗方案及試驗結果Table 3 Experimental design and result

運用Design-Expert軟件生成響應曲面圖分析各主要因素對切頂合格率y1與損傷率y2的影響。

圖11 a為扭簧扭矩中心水平時，清纓輥轉速和前進速度的響應曲面圖。當扭簧扭矩為9.2 N·m時，切頂合格率y1隨著前進速度的增加呈現(xiàn)先增大再減少的趨勢且變化不明顯，隨著清纓輥轉速的增加呈現(xiàn)顯著的先增大后減小的趨勢。圖11b為清纓輥轉速為中心水平時，清纓輥轉速和前進速度的響應曲面圖。當清纓輥轉速為750 r/min時，切頂合格率y1隨著前進速度的增加先增大再減少的趨勢且變化不顯著，隨著仿形機構扭簧扭矩的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。圖11c為前進速度為中心水平時，清纓輥轉速和扭簧扭矩的響應曲面圖。

當前進速度為1.25 m/s時，切頂合格率y1隨著清纓輥轉速的增加呈現(xiàn)顯著的先增大后減小的趨勢，隨著仿形機構扭簧扭矩的增加同樣呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。從各因素對響應值y1影響的響應圖中（圖11）可以得知，響應面變化規(guī)律與回歸方程方差分析結果（表4）一致，總體影響趨勢為隨前進速度x1、清纓輥轉速x2和扭簧扭矩x3的增大，切頂合格率y1呈現(xiàn)先增加再減少的趨勢，其主要原因為：當清纓輥轉速增加時，殘葉清除徹底，切頂合格率y1增加。當清纓輥轉速過高時，對甜菜根塊造成損傷，導致切頂合格率y1下降。當扭簧扭矩增加時，切頂裝置抬升對甜菜的水平推力減少，切頂合格率y1增加。當扭簧扭矩過大時仿形機構離地較高，易造成漏切，導致切頂合格率y1下降。

表4 回歸方程方差分析Table 4 Analysis of variance of regression equation

圖12 a為扭簧扭矩中心水平時，清纓輥轉速和前進速度的響應曲面圖。當扭簧扭矩為40 N·m時，損傷率y2隨著前進速度的增加緩慢降低，隨著清纓輥轉速的增加呈現(xiàn)明顯增大趨勢。圖12b為清纓輥轉速為中心水平時，清纓輥轉速和前進速度的響應曲面圖。當清纓輥轉速為750 r/min時，損傷率y2隨著前進速度的增加緩慢降低，隨著仿形機構扭簧扭矩的增加而升高. 圖12c為前進速度為中心水平時，清纓輥轉速和扭簧扭矩的響應曲面圖。當前進速度為1.25 m/s時，損傷率y2隨著清纓輥轉速的增加呈現(xiàn)明顯增大的趨勢，隨著仿形機構扭簧扭矩的增加呈現(xiàn)降低趨勢。從圖12各因素對響應值y2影響的響應圖中可以得知，響應面變化規(guī)律與表 3回歸方程方差的分析結果一致，總體影響趨勢為隨清纓輥轉速的增大，損傷率y2呈現(xiàn)增加的趨勢，其主要原因為：當清纓輥轉速增加時，清纓輥清纓條易對甜菜根塊造成損傷，導致?lián)p傷率y2升高。當扭簧扭矩增加時，損傷率y2呈現(xiàn)下降的趨勢。其主要原因為：當扭簧扭矩過大時仿形機構離地較高，仿形機構不易對甜菜造成損傷，此時容易出現(xiàn)漏切情況，使切頂合格率y1下降。當前進速度增加時，損傷率y2也呈下降的趨勢，其主要原因為，高前進速度時，清纓條對甜菜青頭打擊次數(shù)降低，可以有效降低損傷率y2。

4.4 參數(shù)優(yōu)化

綜上分析切頂合格率y1與損傷率y2與各試驗參數(shù)的影響關系復雜，應用 Design Expert軟件對建立的2個指標的全因子二次回歸模型優(yōu)化分析，約束條件為

切頂合格率與損傷率同為切頂機關鍵參數(shù)，因此其權重分配比為1∶1。通過 Design Expert 軟件得出最佳參數(shù)組合為：前進速度1.30 m/s、清纓輥轉速732 r/min，扭簧扭矩為9.45 N·m。此時，切頂合格率y1為94.89%，損傷率y2為2.54%。

4.5 試驗驗證

為了驗證模型預測的準確性，于2019 年10月16日在黑龍江省齊齊哈爾市依安縣進行 5 次重復試驗，甜菜試驗情況如圖13所示。試驗參數(shù)值為機具前進速度1.30 m/s、清纓輥轉速732 r/min，扭簧扭矩為9.45 N·m。結果見表 5。

表5 優(yōu)化條件下各評價指標實測值Table 5 Experimental value of evaluation indices at optimal condition

田間試驗結果表明，響應值y1與y2的試驗結果值與理論優(yōu)化值基本相符，且相對誤差均小于2%，所以，可以判定參數(shù)優(yōu)化模型可靠，可以指導生產實踐。在清纓切頂作業(yè)時，采用該優(yōu)化參數(shù)組合，前進速度1.30 m/s、清纓輥轉速730 r/min，扭簧扭矩為9.45 N·m，此時切頂合格率為96.16%，損傷率為2.57%。優(yōu)化試驗結果可以有效指導實際作業(yè)。

5 結 論

1）針對現(xiàn)有甜菜清纓切頂機清纓效果差、切頂效果不佳、損傷率高等難題，該文進行了清纓裝置與梳齒式切頂裝置的的運動特性與力學分析，并確定其關鍵參數(shù)范圍，研制出一種新型的梳齒式甜菜清纓切頂機。該機清纓刀采用清纓刀輥與清纓條輥配合作業(yè)，提升清纓效果；采用平行四桿仿形機構、梳齒件和切刀配合工作實現(xiàn)高效切頂，提升了甜菜切頂合格率，降低了甜菜的損傷率。

2）通過理論分析確定了切頂機前進速度、清纓輥轉速、扭簧扭矩為切頂機工作關鍵參數(shù)，采用Central Composite試驗方法研究了各因素對切頂合格率、損傷率的影響趨勢及優(yōu)化模型。各因素對切頂合格率的影響顯著性順序從大到小為前進速度、清纓輥轉速、扭簧扭矩；對損傷率的影響顯著性順序從大到小為清纓輥轉速、扭簧扭矩、前進速度。

3）通過Design Expert 軟件對試驗結果進行優(yōu)化，得到甜菜清纓切頂機的最佳參數(shù)組合。當前進速度1.30 m/s、清纓輥轉速732 r/min、扭簧扭矩為9.45 N·m時，切頂合格率為94.89%、甜菜損傷率為2.54%。通過田間試驗切頂合格率為96.16%，損傷率為2.57%。，與理論優(yōu)化結果相對誤差均小于2%，驗證了回歸模型與優(yōu)化參數(shù)的準確性。