4TSQ-2型甜菜切頂機設計及試驗

王方艷，王東偉

4TSQ-2型甜菜切頂機設計及試驗

王方艷，王東偉※

（青島農業大學機電工程學院，青島 266109）

針對甜菜分段收獲技術需求，結合國內外甜菜收獲技術及裝備，該文提出了一種甜菜秧纓粉碎與頂部定切厚方式，并設計了切頂機。該切頂機主要由碎纓清理裝置和仿形切頂裝置組成，可一次完成甜菜纓葉的粉碎及青頭的切削。理論分析了該機的關鍵部件結構參數及傳動配置關系，確定了輥軸上2排甩刀或4排橡膠條的排列方式、25片/m的甩刀排列密度和26片/m的橡膠條排列密度，以及甩刀、橡膠條的結構參數。通過對仿形切頂裝置進行運動學和力學分析，明確了連架桿、仿形板及切刀決定仿形效果及切頂質量，并確定了位置仿形機構和定厚切頂機構的關鍵結構參數。田間試驗結果表明，該機的切頂合格率為93.6%，多切率為2.1%，滿足甜菜切頂收獲的指標要求。

農業機械；甜菜；設計；試驗；切頂機

0 引 言

甜菜是中國重要的糖原料，對新疆、內蒙、黑龍江等甜菜主產區的經濟發展具有重要的推動作用[1-2]。甜菜收獲勞動強度大，機械化程度還有待于提高。尤其，隨著勞動力資源的短缺，甜菜收獲成本逐年增加，逐漸影響到種植戶的經濟效益。甜菜的碎纓切頂作業是收獲環節中的一個重要內容。纓葉粉碎及青頭切除的質量，決定著甜菜的收獲效果和甜菜的產糖率。如何針對中國甜菜種植現狀及動力配置的國情，研制性能穩定、易于推廣的甜菜切頂機被逐漸提上日程。

針對甜菜碎纓切頂技術及裝備的研究，始于20世紀50年代，經歷了由分段收獲到聯合收獲的研究過程，主要為用于直播甜菜的多行分段定厚切頂機及高速聯合變厚切頂設備[3-6]。分段甜菜切頂機多采用多個高速回轉輥軸帶動甩刀（或橡膠條）碎纓，隨地仿形切刀定厚切青頂。該類機械輥軸碎纓及切頂效果好、損傷率低，主要適于中低速的拖拉機牽引作業，如美國艾美特公司研制的多行甜菜切頂機。日本的滾輪切頂機結構小巧，采用主動滾輪碎纓，配合切刀機構定厚切削，主要適于低速分段收獲。聯合甜菜收獲機多采用單回轉輥軸帶動甩刀高速碎纓，利用隨地浮動的變厚切頂裝置實時調整切頂厚度，實現高效低損收獲，如德國格立莫機械制造有限公司生產的甜菜聯合收獲[7]。這些國外切頂機性能穩定，實現了機-電-液的技術融合，但因功耗大、價格相對較高，在中國推廣應用效果不夠理想。

中國自主研發的甜菜切頂機以分段式切頂方式為主，適于聯合收獲的碎纓切頂技術及裝備還不成熟[8-13]。現有的碎纓切頂機主要分為2種工作組合方式：一種為甩刀組+仿形切頂機構，結構簡單、方便，適合直播、中產的甜菜收獲作業，且纓葉殘留過多會降低甜菜的切頂效果，如漢美4TGQ-2甜菜割葉切頂機；另一種為滾動圓盤仿形器+平刀切頂機構，結構復雜、機具繁重，適合纓葉及雜草不密集、低速作業的甜菜收獲，且密集的纓葉及雜草會降低切頂的質量[14-28]，如中機美諾科技股份有限公司研制的TQ2型甜菜切頂機。在自走式聯合收獲裝備推廣前，采用定切厚切頂方式的甜菜切頂機的性價比較高，適合當前中國農戶的甜菜種植規模、生產力及購買力，將是當下甜菜切頂收獲的主要機型[29-31]。因此，結合甜菜的種植狀況，提出一種甜菜秧纓粉碎與頂部定切厚收獲方式，先采用回轉輥軸帶動甩刀粉碎甜菜纓葉，然后借用2根對轉的回轉輥軸帶動橡膠條清理甜菜青頭上殘余的纓葉。研制的甜菜切頂機可適應不同生長狀態的甜菜，且保證甜菜纓葉的清除效果，提高甜菜切頂厚度的穩定及整體切頂質量。研究成果有利于推進甜菜全程機械化生產的進程，具有一定的現實意義。

1 整機結構及傳動系統

1.1 結構及原理

甜菜切頂機由牽引架、傳動系統、碎纓機構、清纓機構、位置仿形機構、定厚切頂機構、行走機構、油缸等組成，可一次完成甜菜挖掘收獲前的纓葉清除及青頭切除作業。其中，碎纓機構和清纓機構組成碎纓清理裝置，位置仿形機構和定厚切頂機構組成仿形切頂裝置。4TSQ-2型甜菜碎纓切頂機可根據工作需要調整碎纓機構和仿形切頂機構的高度，完成甜菜纓葉的粉碎還田，有利于保持土壤肥力。結構如圖1所示。

1.牽引架 2.液壓油缸 3.傳動系統 4.碎纓機構 5.清纓機構a 6.清纓機構b 7. 位置仿形機構 8.調壓機構 9.定厚切頂機構 10.行走機構

工作時，4TSQ-2型甜菜切頂機借助液壓油缸調整甜菜切頂機的工作位置，并在拖拉機的牽引下前行；拖拉機動力輸出軸由傳動系統帶動碎纓機構高速回轉，將一定高度的纓葉打掉，并借助2個清纓機構的對向轉動，將甜菜青頭上殘留的纓葉除去，保證后續切頂工序的順暢。采用這種分層清理纓葉的工作方式，即除掉了甜菜的纓葉，又可以降低甜菜的損傷。在位置仿形機構的輔助下，切頂機構伴隨甜菜頂的地上高度變化起伏運動，實時保障切刀與甜菜青頭的相對位置，完成定厚切頂作業。

1.2 傳動系統

該機的傳動系統為機械傳動，由變速箱、輸入軸和帶輪等組成，具體傳動線路如圖2所示。該系統機構簡單，通過變速箱將動力變速及轉向，分別帶動碎纓機構和清纓機構轉動，并要求甩刀和橡膠條轉向及速度配置合理。預試驗表明，因甜菜青頭近似為球面，單個清理輥或2個清理輥的同向轉動，僅能清理甜菜青頭半球面上的纓葉，不能有效清除甜菜青頭上的全部幼葉或殘余雜物，以滿足甜菜收購條件。所以，本文設計的2個清纓輥的旋轉方向相反。拖拉機動力輸出軸轉速為540 r/min，通過齒輪箱將動力分別傳遞給左右皮帶輪，且清纓輥軸a與清纓輥軸b的旋轉方向相反，轉速相同。預備試驗表明，橡膠條與同一棵甜菜塊根的接觸頻次應小于30次/min，以保證甜菜纓葉的去除效果及甜菜塊根的低損傷。初定各個輥軸的轉速。清纓輥軸與碎纓輥軸傳動比為10∶11。輸入軸與清纓輥軸的傳動比為11∶14。

1.輸入軸 2.變速箱 3.碎纓輥軸 4.清纓輥軸a 5.清纓輥軸b

2 碎纓清理裝置

碎纓清理裝置由碎纓機構和清纓機構組成，分別完成甜菜纓葉的粉碎和殘余葉柄的清理，保證甜菜青頭部分的潔凈，降低殘余纓葉對后續切頂位置及切頂厚度的干擾。該裝置主要由甩刀、銷軸、輥軸、箍、橡膠條、隔套等組成，如圖3所示。圖3a為碎纓機構示意圖，其中：甩刀為鋼刀，其作用是將距離甜菜青頭一定高度的纓葉粉碎、拋散；甩刀通過隔套間隔均勻分布在銷軸上，可繞銷軸自由轉動；銷軸通過螺栓固定在輥軸兩側的箍上，箍固定在輥軸上并隨輥軸一起轉動。圖3b為清纓機構示意圖，其中：橡膠條有一定的柔韌性，其作用是清理甜菜青頭部位的殘余葉柄、纓葉及雜質；橡膠條與銷軸的連接方式、銷軸在箍上的固定方式、箍與輥軸的連接方式，均與碎纓機構相關部件之間的連接方式相似。

1.甩刀 2.銷軸 3.輥軸 4.箍 5.橡膠條 6. 隔套

1.Rotary knife 2. Pin shaft 3. Roller shaft 4. Hoop 5. Rubber strip 6. Spacer

注：1為銷軸在輥軸分布角度，（°）；為作業幅寬，mm；為輥軸的直徑，mm

Note:1is angle of pin shaft in roller shaft, (°);is working width, mm;is diameter of the roller shaft, mm

圖3 碎纓清理裝置

Fig.3 Device for smashing and cleaning leaf

2.1 排列方式

工作中，碎纓清理裝置對甜菜纓葉的粉碎屬于無支撐切割，碎纓機構和清纓機構均為旋轉運動部件，依靠擊打去除甜菜的纓葉，對甩刀和橡膠條端點的線速度要求較高。甩刀和橡膠條端點的運動軌跡，為其繞軸心的圓周運動與機具的前進速度的合成，運動軌跡為余擺線。在工作時，甩刀和橡膠條在離心力的作用下回轉，運動形式和軌跡受到纓葉數量和狀態的影響，工作狀態、切割力及振動都具有隨機性。合理的排列關系，不僅可以提高纓葉的粉碎質量，還可以保證機具運動的平穩性和工作性能。

在高速穩定作業條件下，甩刀（或橡膠條）與輥軸鉸接穩定，一般按照等距離排列。在作業幅寬、輥軸轉速、前進速度m一定的條件下，甩刀（或橡膠條）的數目過多，消耗能量大，并造成一定的作物損傷；數量過少，則達不到纓葉粉碎和清理的效果。則，甩刀（或橡膠條）的排列密度定義為

式中為甩刀或橡膠條的數量；為機具的作業寬幅，m。

當輥軸上安裝了排甩刀或橡膠條時，前后相鄰甩刀（或橡膠條）的工作間距為進距，則進距應滿足

式中m為機具前進速度，m/s；為輥軸圓周甩刀或橡膠條的排數；為輥軸的轉速，r/min；為工作進距，m。

一般，進距要小于甩刀（或橡膠條）的擊打區的大小，以避免纓葉的遺漏，影響粉碎及去除纓葉的效果。提高輥軸的轉速、降低機具前進速度、增加輥軸圓周上甩刀（或橡膠條）的排數，都可以減小碎纓機構及清理機構的進距，從而提高纓葉的粉碎效果。但降低機具的前進速度，生產率會降低；提高輥軸的轉速、功率及轉動慣量的增大，機具穩定性相對降低；增加甩刀（或橡膠條）的分布排數，使得甩刀（或橡膠條）的空隙少，容易發生草的纏繞擁堵。同時，甩刀（或橡膠條）的分布排數較少，軸的轉速過高，則打擊力過大，機具功耗、振動大，甜菜青頭易損傷、輥軸壽命降低，不宜采用。

結合甜菜纓葉的自然狀態高度為400～500 mm，甜菜青頭的離地面高度為30～80 mm，甜菜纓葉的生長分布范圍半徑為200～250 mm，確定輥軸的直徑為210 mm。甜菜青頂高約為30 mm，直徑約100 mm，甜菜青頭輪廓近似為半球體，則橡膠條的工作區域可近似為底長100 mm，高為30 mm的等腰三角形。考慮刀（或橡膠條）的位置關系，避免相互的運動干涉及纓葉的漏打，確定2排甩刀和4排橡膠條的排列方式。2排甩刀均勻布置于碎纓輥軸的圓周上，甩刀與25 mm的隔套間隔安裝于銷軸；4排橡膠條分別均勻布置于清纓輥軸a（或清纓輥軸b）的圓周上，采用橡膠條和隔套的間隔布置，確保纓葉清理效果穩定、防漏、避堵，具體如圖3所示。預試驗確定刀的排列密度為25片/m，橡膠條的排列密度為26片/m。

2.2 受力分析

在高速作業下，輥軸帶動甩刀（或橡膠條）以角速度回轉，與纓葉（或甜菜）產生較大的周期性瞬間碰撞力，將青頭上的葉柄、雜質清除。在離心力的作用下，甩刀（或橡膠條）做高速旋轉運動，且處于輥軸的徑向位置，但受纓葉（或甜菜）接觸的阻力，甩刀（或橡膠條）位置會產生偏離角，并做周期性受載及變形。工作中，甩刀（或橡膠條）主要受重力、離心慣性力、工作阻力、銷軸給予的摩擦阻力。在高速穩定工作狀態，銷軸相對甩刀（或橡膠條）穩定靜止，甩刀對銷軸的合力矩為零。設輥軸的中心為，銷軸中心為，模型桿的質心為，工作阻力作用點為點，忽略甩刀（或橡膠條）的結構尺寸、其與銷軸間的摩擦阻力，則甩刀（或橡膠條）的力矩滿足式（3），簡化模型如圖4所示。

式中1為離心力，N；2為工作阻力，N；1為模型桿長，mm；2為質心到銷軸的距離，mm；為模型桿的質量，kg；為重力加速度，m/s2；為之間的夾角，（°）；2為離心力1的力臂，mm。

注：1為質心到輥軸的距離，mm；2為離心力1的力臂，mm；3為銷軸到輥軸的距離，mm；1為模型桿長，mm；2為質心到銷軸的距離，mm；1為離心力，N；2為工作阻力，N；為模型桿的重力，N；為輥軸的中心；點為工作阻力作用點；為銷軸中心；為模型桿的質心。

Note:1is the distance from centroidto roller center,mm;2is the arm of the centrifugal force1, mm;3is the distance from pin shaftto roller, mm;1is the length of the model rod, mm;2is the distance from centroidto pin shaft,mm;1is the centrifugal force, N;2is the working resistance, N;is the gravity of the model rod, N;is the center of the roller;is the work resistance action point;is the center of the pin shaft;is the centroid of model rod.

Fig.4 Loaded schematic

圖4 受力簡圖

式中1為模型桿質心到輥軸的距離，mm。

式中3為銷軸中心到輥軸中心的距離mm

聯立式（3）、（4）和（5），得式（6）

在甩刀（或橡膠條）的工作中偏離角越小，碎纓及除葉柄效果越好，可以有效提高工作質量。在工作阻力一定的條件下，增加甩刀（或橡膠條）的質量、角速度輥軸與銷軸的距離都可以減小偏離角；當甩刀（或橡膠條）結構尺寸一定時，將甩刀（或橡膠條）的質心向遠離回轉點的位置移動有助于減小偏離角。但質量越大，整機的工作負載增大；角速度越大，甩刀（或橡膠條）的離心慣性力越大，易發生振動和零部件失效。因此，需要根據工作實際要求，確定合理結構尺寸及回轉速度。

2.3 甩刀參數

注：L3為甩刀長度，mm；ε1為刃角，（°）；φ為彎角，（°）；β1為滑切角，（°）；B1為甩刀寬度，mm。

2.4 橡膠條參數

在輥軸高速回轉的帶動下，橡膠條依靠離心力高速轉動，借助其對甜菜青頭部位殘余纓葉的柔性抽打和摩擦，將青頭殘葉、雜物清理干凈。利用柔性橡膠條的抽打，從2個方向除去甜菜的青頭上的纓葉殘留。當抽打及摩擦力大于葉柄等與甜菜青頭的聯結力時，橡膠條的抽打次數越少越好。當抽打次數增加時，機具的功率增加，對甜菜的損傷也會增加。清理機構的工作性能主要取決于橡膠條給予甜菜的抽打次數、橡膠條的合理形狀及葉柄與青頂的聯結力。

橡膠條主要完成甩刀打纓后的后續葉柄清理，主要參數為寬度2、厚度、長度4等，結構如圖6所示通常甩刀留葉柄高度為50～80 mm，且甜菜青頭高度約為30 mm。結合輥軸尺寸、甜菜纓葉生長高度、甜菜青頭高度，初步確定橡膠條的寬度2為40 mm、厚度為5 mm、長度4為260 mm，選擇橡膠條的角速度2為72.2 rad/s，以滿足零部件的強度要求、纓葉清理效果，降低甜菜青頭的擊打損傷。

注：L4為橡膠條長度，mm；B2為橡膠條寬度，mm；b為橡膠條厚度，mm。

3 仿形切頂裝置

仿形切頂裝置由位置仿形機構和定厚切頂機構組成，實時保證切刀與甜菜青頭位置的穩定，實現定厚切頂作業。其結構如圖7所示。該裝置由機座、連桿、調節桿、仿形板、切刀、刀座、彈簧等組成。其中，機座、連桿、調節桿、彈簧組成位置仿形器，根據甜菜青頭的離地高度確定切刀的垂直位置。當連桿上的仿形板接觸較高的甜菜時，連桿與連架桿繞著銷軸轉動，且彈簧拉長、位置仿形器及切刀抬升；當仿形板與甜菜青頭脫離時，在機構重力及拉簧的作用下，位置仿形器及切刀及時下落，以此確保仿形板實時與甜菜青頭接觸，保證切刀的垂直位置。仿形板、切刀及刀座等組成定厚切頂器，且切刀與仿形板位置可通過調整螺栓調整。根據甜菜青頭的生長狀況及切頂要求，調整切刀相對仿形板的位置，以調整甜菜青頂的切厚。工作時，仿形切頂裝置安裝在樣機的尾部機架上，位置仿形機構隨著甜菜青頭的地上高度差起伏運動。在重力及拉簧的共同作用下，仿形板保持與甜菜青頭接觸，設定好仿形板與切刀之間的相對位置，實現切頂厚度一致。切頂的過程中，要求仿形板與甜菜無明顯碰撞，切頂厚度不受甜菜生長高度及株距的影響，且切面平整。

1.連架桿 2.機座 3.調節桿 4.彈簧 5.連桿 6.刀座 7.仿形板 8.切刀

3.1 運動特征

工作中，仿形切頂裝置不斷與甜菜接觸，要求仿形板不能推倒甜菜，且切刀可順暢完成定厚、平整切頂作業。當機具前進速度m恒定，仿形器連桿在任意位置，仿形板從剛接觸甜菜到接觸下一個甜菜為一個運動行程。因平行四邊形機構的尺寸關系，連桿保持與機座的平行位置關系，仿形板只做平動。設甜菜頂是半徑為的球體，青頭的半徑為b，連架桿與水平面的夾角為。當仿形板剛接觸甜菜時，連桿位置為初始位置，其與機座之間的距離為0。經時間后，仿形板接觸下一個甜菜，機座與連桿初始位置的距離為，如圖8所示，則可確定。

式中6為仿形器的連架桿長，mm；5為甜菜的株距，mm。

當仿形板與甜菜青頭接觸，而上一個甜菜剛被切頂結束時，仿形板的結構處于臨界狀態。此時，仿形板的折角2滿足公式

3.2 受力分析

仿形切頂裝置的工作性能主要取決于仿形機構、切頂機構的類型及形狀。綜合考慮成本、維護等因素，設計符合甜菜切頂質量要求的裝置。由仿形切頂裝置的工作原理可知，連桿及連架桿需要滿足仿形切頂裝置的工作空間要求，即能夠自由轉動，且結構緊湊；仿形板與甜菜直接接觸與碰撞，其結構需適應不同的甜菜高度及株距條件。仿形板鉸接在位置仿形機構中，從接觸甜菜到越過甜菜頂的過程，其與甜菜的接觸角度不變。因此，當仿形板接觸甜菜的瞬間視為甜菜平衡最易破環的時刻，此時甜菜受到的加速度變化率最大。設仿形板從接觸甜菜到滑移過甜菜頂為一個運動行程。忽略甜菜頂的受載變形，設碰撞瞬間處于平衡，機構及甜菜受力如圖9所示。

1.連架桿 2.甜菜 3.仿形板 4.切刀

1.Side rod 2.Sugar beet 3.Following board 4.Cutter

注：m為機具前進速度，m/s；為時間，s；5為甜菜株距，mm；6為連架桿長，mm；3為仿形板的寬度，mm；2為仿形板的折角，（°）；為相鄰甜菜高度差，mm；1、2為甜菜離地高度，mm；3為仿形板離地高度，mm；g為切頂厚度，mm；為甜菜頂的球面半徑，mm；b為甜菜頂的切面半徑，mm；為連架桿與水平面的夾角，（°）；2為切刀的安裝角，（°）；為仿形板與切刀的距離，mm；0為機座與連桿的距離，mm；2為仿形板的折角，（°）。

Note:mis the forward speed of the machine, m/s;is time, s;5is plant spacing of sugar beet, mm;6is the length of the side rod, mm;3is the width of the following board, mm;2is the angle of the following board , (°);is the height difference between adjacent beets, mm;1、2is the height of the sugar beet from the ground, mm;;3is the height of the following board from the ground, mm;gis the cutting thickness , mm;is the spherical radius of the sugar beet top, mm;bis the cutting surface radius of the sugar beet top, mm;is the angle between the side rod and the horizontal plane, (°);2is the installation angle of the cutter, (°);is the distance between following board and cutter, mm;0is the distance between frame and connecting rod, mm;2is the folding angle of following board, (°).

圖8 運動及位置關系

Fig.8 Motion and positional relationship

仿形切頂裝置的受力滿足

（13）

將=tan帶入整理得，

甜菜的受力滿足

由n=可得

注：為彈簧拉力，N；n為連桿慣性力的法向分力，N；t為連桿慣性力的切向分力，N；l為連桿的重力，kg；為仿形板施加在甜菜上的合力，N；n為仿形板施加在甜菜上的壓力，N；b為仿形板施加在甜菜上的摩擦力，N；x為的水平分力，N；y為的垂直分力，N；為仿形板受到支撐力，N；為仿形板受到合力，N；為彈簧拉力與水平面的夾角，（°）；為連架桿與水平面的夾角，（°）；為甜菜與仿形板的摩擦角，（°）；2為仿形板的折角，（°）。

Note:is the spring force , N;nis the normal component of the inertial force of the connecting rod , N;tis the tangential component of the inertia force of the connecting rod, N;lis the weight of the connecting rod , kg;is the combined force of the following board on the sugar beet, N;nis the pressure of the following board on the sugar beet, N;bis the friction of the profiled plate on the beet, N;xis the horizontal component of, N;yis the vertical component of, N;is the supporting force of thefollowing board;is the resultant force of the following board,;is the angle between the spring tension and the horizontal plane, (°);is the angle between the side rod and the horizontal plane, (°);is the friction angle between the sugar beet and the following board, (°);2is the folding angle of following board ,(°).

圖9 仿形切頂裝置的受力分析

Fig.9 Force analysis of following and cutting device

3.3 關鍵參數

由仿形切頂裝置的工作特性可知，位置仿形機構的連架桿尺寸影響機構的結構空間，與拉簧共同決定仿形板從甜菜頂到接觸下一個甜菜的時間和運動狀態。當6較短時，仿形板的速度及角速度變化較大；而增大6則使得仿形器結構空間增大，運動靈敏性減弱。仿形板與切刀結構較為重要，影響甜菜的碰撞力及切割質量，具體結構如圖8所示。通常，仿形板的轉角2、高度3影響著仿形效果。當2和3較小時，僅適用于株距較大或甜菜高度差異不大的情況，增加2使得仿形板對甜菜的沖擊力和加速度增大，3值由甜菜地上高度2及仿形板的折角2決定。一般，3=2+（30～50 mm），可避免仿形板端面對甜菜青頭的碰撞及散亂的葉柄對仿形效果的干擾。折角2由式（9）、（10）確定，即可滿足切頂作業的空間要求，又可滿足甜菜受載較小，不易被推翻的要求。當γ=α+φ時，甜菜的受載最小，可通過調整仿形切頂機構的安裝高度等確定。

切頂刀是切削質量的基礎，在保證切刀強度的基礎上，確定切頂刀的參數，降低切削阻力及能耗。切刀采用上磨刃刀的滑切工作方式，可有效降低切削阻力，結構如圖10所示。其中，2為安裝角，2為刃磨角，為后角，4為切刀的寬度。采用小的安裝角2可以減低切割阻力，但需要增加切刀的長度和厚度來保證一定切削范圍和切刀的剛度，通常2為40°～60°。刃磨角2和后角決定著切刀刃口的強度和切削性能。采用小的刃磨角2，切刀切削性能好，但刃口強度低易卷刀刃，通常選用大刃磨角2，采用多次磨刃保障切削性能。采用大的后角可提高切刀的削切作用，降低切削阻力，但其值過大會使刀產生上漂和下滑，影響切削的穩定性。切刀的寬度4由甜菜青頭的直徑確定，一般，以保證考慮切面的平整度。

注：β2 為安裝角度，（°）；ε2為刃磨角，（°）；δ為后角，（°）；B4為切刀的寬度，mm；

4 田間試驗

4.1 試驗條件

2018年10月，在哈爾濱齊齊哈爾依安縣進行甜菜打纓切頂收獲試驗。依據《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》（GB/T5262—2008）[30]測定機具作業條件。甜菜試驗田無倒伏，纓葉自然高度為480 mm，種植行距為650 mm，株距為210 mm，壟高150 mm。

4.2 試驗方法

采用47.8 kW拖拉機牽引機具試驗，利用游標卡尺和直尺等測定切頂的厚度，記錄試驗工作狀況及甜菜切頂試驗數據。依據《甜菜收獲機作業質量》（NY/T 1412—2018），測定甜菜的切頂指標[31]。第一片葉痕上（5±2） mm處（根頭垂直高度小于15 mm），定義為合格切削位置。當甜菜根頭被切削后的斷面位置低于合格切削位置，則定義為多切。

在作業區內隨機抽取作業小區，每個小區20 m，一個工作寬幅，測定甜菜塊根總數、甜菜頂多切數量及切頂合格數量，并求得切頂合格率和多切率。

式中為切頂合格率，%；d為多切率，%；k為切頂合格塊根數；d為切頂多切塊根數；為塊根總數。

4.3 試驗結果

試驗結果如表1所示。通過試驗，甜菜切頂機能夠很好的完成甜菜的切頂任務。甜菜的切頂合格率為93.6%，多切率為2.1%，滿足甜菜切頂收獲的指標要求，但也存在不足之處。工作狀態及效果如圖11所示。

表1 試驗結果

1）該機為定切厚切頂作業，對因受病害而導致青頂高度差異較大的甜菜無法做到切頂效果及質量兼顧；對小株距、低矮的甜菜存在少量漏切情況。

2）碎纓清理裝置的轉速為定速比，無法實現能耗的有效配比，適應不同力學特性的甜菜纓葉粉碎。當碎纓清理裝置的轉速為300～1 000 r/min時，都可以達到纓葉粉碎要求。

3）該機采用3根輥軸的碎纓清理方式，整機結構較長、運輸不便、轉彎半徑較大。當作業速度大于1.3 m/s（超過拖拉機正常田間作業速度）時，該機切頂的效果降低，不能應用于高速作業環境。

圖11 工作狀況及效果

5 結 論

1）甜菜切頂機主要由碎纓清理裝置和仿形切頂裝置組成。通過工作原理分析，確定了碎纓+清理+切頂的工作流程，明確了該機的關鍵部件機的結構條件及傳動配置關系。

2）通過對碎纓清理裝置的理論分析，確定了甩刀及橡膠條的排列及分布密度。結合甩刀（或橡膠條）受力分析，明確了甩刀及橡膠條的結構尺寸。

3）通過仿形切頂裝置的運動學分析及力學分析，確定了位置仿形機構和定厚切頂機構的關鍵結構參數，確保了對甜菜青頭的實時仿形切頂。

4）該機的切頂合格率為93.6%，多切率為2.1%，達到并超過了甜菜切頂收獲的指標要求，但機具的通用性和適應性還需提高，動力系統、仿形機構還需優化。

[1]計福來，張會娟，胡志超，等. 甜菜種植與機械化收獲概況[J]. 農機化研究，2009，31(4)：234－236，240. Ji Fulai, Zhang Huijuan, Hu Zhichao, et al. Status about beet plantingandits harvesting mechanization[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2009, 31(4): 234－236, 240. (in Chinese with English abstract)

[2]盧秉福，張祖立. 甜菜生產機械化的研究進展及發展趨勢[J]. 農機化研究，2007(1)：59－62. Lu Bingfu, Zhang Zuli. Research evolution and development tendency on mechanization of sugar beet production[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2007(1): 59－62. (in Chinese with English abstract)

[3]王申瑩，胡志超，張會娟，等. 國內外甜菜生產與機械化收獲分析[J]. 中國農機化學報，2013，34(3)：20－25. Wang Shenying, Hu Zhichao, Zhang Huijuan, et al. Sugar beet production and mechanization harvest analysis in domestic and overseas[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2013, 34(3): 20－25. (in Chinese with English abstract)

[4]范素香，侯書林，趙勻. 國內外甜菜生產全程機械化概況[J]. 農機化研究，2011，33(3)：12－15. Fan Suxiang, Hou Shulin, Zhao Yun, Overview of full mechanization of sugar beet production in domestic and overseas[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011, 33(3): 12－15. (in Chinese with English abstract)

[5]韓長杰，尹文慶，楊宛章，等. 甜菜機械化收獲方式分析與探討[J]. 中國農機化，2012(1)：71－74. Han Changjie, Yin Wenqing, YangWanzhang, et al. Analysis and discussion of sugar beet mechanization harvesting method[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2012(1) 71－74. (in Chinese with English abstract)

[6]王方艷，張東興. 圓盤式甜菜挖掘裝置性能參數的優化[J]. 農業工程學報，2015，31(11)：17－23. Wang Fangyan, Zhang Dongxing. Parameter optimization of sugar beet digging device with disc type[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2015, 31(11): 17－23. (in Chinese with English abstract)

[7]吳清分. Grimme公司Maxtron 620新型自走式甜菜挖掘收獲機[J]. 農業工程，2015，5(6)：124－127. Wu Qingfen. Maxtron 620 new self-propelled beet digging harvester of grimme company[J]. Agricultural Engineering, 2015, 5(6): 14－127. (in Chinese with English abstract)

[8]茍愛梅. 甜菜切頂機的結構設計[J]. 新疆職業大學學報. 2012(2)：75－77，80. Gou aimei. Structure design on the beet roof cutting machine[J]. Journal of XinJiang Vocational University. 2012(2): 75－77, 80. (in Chinese with English abstract)

[9]王方艷. 甜菜殺秧機：CN201510295946. X[P]，2015-06-02.

[10]常財剛，陸雁，劉西寧. 自走式甜菜切葉切頂收葉機. CN201510049380. 2[P]，2015-08-19.

[11]彭寶良，胡志超，顧峰瑋，等. 具有自清理功能的甜菜收獲機仿形切頂機構：CN103039174A[P]，2013-04-17.

[12]顧峰瑋，胡志超，吳惠昌，等. 4LT-A型錯行作業挖掘甜菜聯合收獲機研制與試驗[J]. 農業工程學報，2014，30(23)：1－9. Gu Fengwei, Hu Zhichao, Wu Huichang, et al. Development and experiment of 4LT-A staggered-dig sugar beet combine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2014, 30(23): 1－9. (in Chinese with English abstract)

[13]王方艷. 圓盤挖掘式甜菜聯合收獲機關鍵部件設計及試驗研究[D]. 北京：中國農業大學，2014. Wang Fangyan. Design and Experiment of Key Mechanisms for Sugar Beet Combine with Disc-dig Type[D]. Beijing: China Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[14]王方艷，張東興. 圓盤挖掘式甜菜聯合收獲機設計與試驗[J]. 農業工程學報，2013，29(13)：7－14. Wang Fangyan, Zhang Dongxing, Design and experiment of disc-dig sugar beet combine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2013, 29(13): 7－14. (in Chinese with English abstract)

[15]李少川，胡周勛，王琳琳, 等. 滑切去頂式甜菜打纓機的設計與試驗[J]. 農機化研究，2020，42(3)：108－112，117. Li Shaochuan, Hu Zhouxun, Wang Linlin, et al. Design and test of slip－cut beet seedling cutting machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2020, 42(3): 108－112, 117. (in Chinese with English abstract)

[16]何磊，劉向新，李斌，等. 甜菜切頂機的設計與試驗研究[J]. 甘肅農業大學學報，2016, 51(2): 149－154, 160. He Lei, Liu Xiangxin, Li Bin. Design and experimental study of beet top-cutting machine[J]. Journal of Gansu Agricultural University, 2016, 51(2): 149－154, 160. (in Chinese with English abstract)

[17]李建東，張科星，李雷霞，等. TQ2型甜菜切頂機的研制[J]. 農機化研究，2014，36(3)：90－92，101. Li Jiandong, Zhang Kexing, Li Leixia, et al. Research evolution and development tendency on sugar harvester in domestic and overseas[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2014, 36(3): 90－92, 101. (in Chinese with English abstract)

[18]張國鳳，徐文龍，范素香. 切割厚度可調甜菜切頂機構的分析與參數優化[J]. 農業工程學報，2013，29(18)：26－33. Zhang Guofeng, Xu Wenlong, Fan Suxiang. Analysis and parameter optimization of adjustable beet top cutting mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2013, 29(18): 26－33. (in Chinese with English abstract)

[19]王琛，王進華，陳佰杰，等. 甜菜打纓切頂機的研究[J]. 農機化研究，2013，35(3)：157－159，163. Wang Chen, Wang Jinhua, Chen Baijie, et al. Development of sugar beet break tassel's defoliator[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013, 35(3): 157－159, 163. (in Chinese with English abstract)

[20]李陽. 甜菜仿形切削裝置的設計研究[D]. 石河子：石河子大學，2015. Li Yang. Design and Study of System of Auto-picking and Separating Seedling for Plug-transplanter[D]. Shihezi: Shihezi University. 2015. (in Chinese with English abstract)

[21]徐文龍. 切割厚度可調甜菜切頂機構的機理分析與優化設計[D]. 杭州：浙江理工大學，2013. Xu Wenlong. Mechanism Analysis and Optimization for the Adjustable Cutting Thickness of Beet Cut Top Mechanism[D]. Hangzhou: Zhejiang Sci-Tech University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[22]聶提別克·巴依汗, 辛巖. 塔城地區甜菜機械化收獲技術應用現狀分析[J]. 新疆農機化，2014(2)：32－34.

[23]孫志宏，王富華，王崇，等. 基于分段式甜菜收獲機的研究[J]. 農業機械，2013(22)：153－155.

[24]韓長杰，楊宛章，郭輝，等. 甜菜機械化收獲方式分析與探討[J]. 新疆農機化，2011(6)：5－7.

[25]熊文江，周成，吳顯斌. 4TL-2型甜菜收獲機技術性能簡介[J]. 現代化農業，2014(2)：58－59.

[26]王合. 4Q-2型甜菜切頂去葉機的設計[J]. 農業科技與裝備，2012(4)：33－34，37. Wang He. Design of 4Q-2 Type Machine for eliminating sugar beet tops and leaves[J]. Agricultural Science & Technology and Equipment, 2012(4): 33－34, 37. (in Chinese with English abstract)

[27]張海琨，盧宏宇，王宏章. 甜菜切頂裝置的研究與試驗[J]. 農村牧區機械化. 2008 (2)：29－30.

[28]劉百順，王春光，郭文斌. 甜菜機械特性的研究[J]. 農機化研究，2007(6)：102－104，110. Liu Baishun, Wang Chunguang, Guo Wenbin. Study on mechanical properties of sugar beets[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2007(6): 102－104, 110. (in Chinese with English abstract)

[29]王方艷，張東興. 甜菜力學特性的試驗研究[J]. 農機化研究，2015，37(9)：206－210. Wang Fangyan, Zhang Dongxing. The experimental research on mechanical properties of sugar beet[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(9): 206－210. (in Chinese with English abstract)

[30]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. 農業機械試驗條件測定方法的一般規定：GB/T5262—2008[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

[31]中華人民共和國農業部. 甜菜收獲機作業質量：NY/T 1412—2018[S]. 北京：中國標準出版社，2018.

[32]李陽，陳玉龍，胡斌，等. 甜菜頂部物理機械特性的測定研究[J]. 農機化研究，2015，37(1)：201－204. Li Yang, Chen Yulong, Hu Bin, et al. Study on determination of physical and mechanical properties of sugar beet top[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(1): 201－204. (in Chinese with English abstract)

Design and test of 4TSQ-2 sugar beet top cutter

Wang Fangyan, Wang Dongwei※

(,,266109,)

Based on the requirements of harvesting methods and harvesting for sugar beet at home and abroad, a method of smashing leaf and top cutting thickness was proposed, and a kind of fixed thickness top cutter was designed. The machine can complete the smashing leaf, cleaning leaf and cutting top of sugar beet at one time, which is composed of traction frame, hydraulic cylinder, transmission system, smashing leaf mechanism, cleaning leaf mechanism, position following mechanism, pressure adjustment mechanism, equal thickness cutting mechanism, walking mechanism, and so on. Among them, the smashing leaf mechanism, cleaning leaf mechanism, position following mechanism and equal thickness cutting mechanism are the key components. Through theoretical analysis, the transmission configuration relationships were obtained, and the structural parameters of the key components were determined. The smashing leaf mechanism is composed of 2 rows of rotary knife, and installation density of knife was 25 pieces/m. The cleaning leaf mechanism is composed of 4 rows of rubber strips, and installation density of rubber strips was 26 pieces/m. And the misalignment arrangement of the spacer and the rotary knife or the spacer and the rubber strip was designed for smashing or cleaning leaf. The structural parameters of the S-shaped rotary knife and the rectangle rubber strip were determined to meet the strength requirements of the parts, the cleaning effect and the lower damage of the beet. The blade angle1was 26°, the slip angle1was 15°, the bend anglewas 120°, the rotary knife width1was 40 mm, the length3was 170 mm; the rubber strip width2was 40 mm, the thicknesswas 5 mm, the length4was 260 mm. Through the kinematics and mechanical analysis of the following cutters, important working parts of the side rod, following board and the cutter were designed, which affect the quality of the cutting beet top. And the important structural parameters of the position following mechanism were determined, which affect the work quality of the cutting device. Combined with the working process of the sugar beet cutter, the installation position and structural parameters of the cutter were determined. The structural parameters included: the connecting rod6of 320 mm, the following board height3of 125 mm, the following board bending angle2of 35°, the following board installation angle2of 55°, and the cutting angle2of 25°, cutting rake angleof the knife of 0°, and the cutter width4of 50 mm. The field test results show that the top-cutting pass rateis 93.6%, and the multi-cutting rate is 2.1%, which meets the index requirements of beet top harvesting. This research can provide basis for the development of sugar beet harvester.

agricultural machinery; sugar beet; design; experiment; top cutter

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.009

S225.2+9

A

1002-6819(2020)-02-0070-09

王方艷，王東偉. 4TSQ-2型甜菜切頂機設計及試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(2)：70－78. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.009 http://www.tcsae.org

Wang Fangyan, Wang Dongwei. Design and test of 4TSQ-2 sugar beet top cutter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 70－78. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.009 http://www.tcsae.org

2019-07-27

2020-01-14

國家重點研發計劃項目（2016YFD0701200）；國家自然基金（51505246，51775290）

王方艷，博士，副教授，主要從事農業裝備設計及理論研究。Email：wfy_66@163.com

王東偉，博士，教授，主要從事農業裝備設計及理論研究。Email：W88030661@163.com

中國農業工程學會會員：王方艷（E041500001M）。