芹菜收割力學特性及專用切割裝置設計研究

馬熙東

摘?要：在我國芹菜有悠久的歷史，是日常生活中是非常常見的蔬菜之一。但由于收獲作業的非常復雜，芹菜收獲的機械化程度還很低。本文通過對芹菜收割力學特性進行研究，進而設計了專用刀具，提高了芹菜收割的便捷性和有效性。

關鍵詞：芹菜;切割刀;夾持機構;剪切力;壓應力

一、緒論

在我國芹菜有悠久的歷史，是日常生活中是非常常見的蔬菜之一。目前，我國芹菜收割過程中的機械化程度不高，以手工收割為主。這就造成在收獲期，農民的工作量巨大，且手工收割的質量常會影響芹菜的品質，造成其經濟價值的損失。目前，對于芹菜收割機械的研究國內屬于起步階段，[1]收割機械主要以風送型和撿拾型兩種為主，[2]其中：風送型的收獲機通常適合于小植株類芹菜，而撿拾型收獲機在釘齒撿拾過程中會對蔬菜造成機械損傷，影響芹菜收割品質。因此需要設計一種新型的收割機構，滿足芹菜快速收割的需求。同時，不同芯徑芹菜的剪切力特性各不相同，在設計專用切割刀具時需要基于剪切特性的分析進行強度和機構校核，提高收割裝備的使用性和便捷性。

二、實驗裝置及設計方法

本文計劃針對不同芯徑的芹菜根部，利用MS-Pro質構儀對芹菜根部在收獲切割時所受到的剪切力進行分析，并通過細致分析數據，得到芹菜根部斷裂時的最大剪切力和剪切力隨切割位移變化的關系，為接下來設計切刀提供數據支持。

（一）試驗材料及設備

新鮮帯根芹菜若干，TMS-Pro質構儀。

（二）試驗過程和步驟

（1）取5棵新鮮帶根的芹菜，在TMS-Pro質構儀上選擇剪切力測試程序，并完成相關試驗設計。

（2）用TMS-Pro質構儀分別對5棵芹菜根部進行剪切力測試試驗。實驗數據分別保存至EXCEL中。

（3）對試驗得到的數據進行整理分析。

三、芹菜收割力學特性分析

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質構儀測試其應力特性，得到結果如下：

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

（2）芹菜莖部被破壞的臨界點在芹菜莖部被壓形變量為25%～27%范圍內。

（3）根據試驗結果，對比在芹菜莖部在收到壓力以后的壓應力變化曲線分析可得當芹菜莖部受到壓應力大于200N時芹菜莖部出現嚴重損傷，莖部出現被壓碎情況，當芹菜莖部受到壓應力大于160N小于200N時會出現不同程度的損傷。當芹菜莖部受到的壓應力小于160N時，芹菜莖部無損傷。所以在接下來的結構設計中芹菜莖部的壓應力應該控制在160N以下，才能保證芹菜品質不受損壞。

四、芹菜專用切割裝置設計

由上文芹菜壓應力試驗可知，芹菜莖部25-40cm位置所能承受的最大壓應力為160N，單株芹菜重0.8-1Kg。因此，本文設計了對稱的平帶夾持機構、帶式輸送機構。同時，考慮芹菜自身特性，夾持機構尺寸較小，結構簡單，所以可以用軸直接充當平帶帶輪。

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，查閱機械設計手冊確定帶輪的直徑為80mm，寬度為150mm。為防止在轉動過程中平帶沿軸方向滑脫，所以在平帶帶輪邊緣設計凸度，根據平帶帶輪的直徑查機械設計手冊得平帶帶輪的中凸度為0.8mm，由于凸度過大時有可能會對芹菜造成不必要的損傷，綜合考慮設計輪緣邊上有高4mm的凸緣，防止平帶在工作過程中滑脫。并設計適當距離的過度距離，配合軸承套的安裝。軸的材料選用45號鋼，調質處理，力學性能為抗拉強度640Mpa，彎曲疲勞極限275Mpa，剪切疲勞極限155Mpa，許用彎曲應力60Mpa。

平帶是芹菜傳送過程中重要工具，本文平帶寬度設計為150mm，長度為1500mm。同時選用軸承GB/T276-94（深溝球），軸承型號為6206，軸承與軸之間過渡配合，采用基孔制配合。

參考文獻：

[1]梁堅，施俊俠.綠葉蔬菜收割機械研究現狀[J].安徽農學通報，2018，21（20）.

[2]王俊，蔬菜機械化收獲技術及發展[J].農業機械學報，2017，（2），82-84.

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[4]高國華，王天寶，周增產，等.設施蔬菜收獲切割影響因素優化試驗[J].農業工程學報，2017，19（31），54-45.

[5]羅海峰，湯楚宙，鄒冬生.龍須草莖稈往復式切割試驗研究[J].農業工程學報，2018，28（2），28-35.