非圓齒輪驅(qū)動(dòng)的拉拽式胡蘿卜收獲裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：

針對(duì)傳統(tǒng)勻速驅(qū)動(dòng)的拉拽式胡蘿卜收獲裝置存在胡蘿卜根莖分離效果差等問(wèn)題，基于拉拽桿改進(jìn)運(yùn)動(dòng)特性，提出非圓齒輪驅(qū)動(dòng)的拉拽式胡蘿卜收獲裝置。以拉拽桿改進(jìn)運(yùn)動(dòng)特性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用逆向分析法建立拉拽桿速度曲線與非圓齒輪節(jié)曲線的數(shù)學(xué)關(guān)系式，設(shè)計(jì)非圓齒輪驅(qū)動(dòng)的新型拉拽式胡蘿卜根莖分離機(jī)構(gòu)。運(yùn)用UG三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維建模與運(yùn)動(dòng)仿真，結(jié)果顯示拉拽桿仿真速度曲線與理論設(shè)計(jì)速度曲線吻合。研制非圓齒輪驅(qū)動(dòng)的拉拽式胡蘿卜根莖離裝置試驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行胡蘿卜根莖分離對(duì)照試驗(yàn)。結(jié)果表明，胡蘿卜根莖分離的成功率為97.1%，損傷率為4.9%。相比于傳統(tǒng)拉拽式胡蘿卜根莖分離裝置，非圓齒輪驅(qū)動(dòng)的拉拽式胡蘿卜根莖分離裝置有助于改善胡蘿卜根莖分離效果，可為拉拽式胡蘿卜收獲機(jī)優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：胡蘿卜；拉拽式；收獲裝置；逆向設(shè)計(jì)；根莖分離；運(yùn)動(dòng)特性

中圖分類號(hào)：S225.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2025） 03-0006-06

收稿日期：2023年10月9日 "修回日期：2024年2月29日*

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51805487）；浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院“專業(yè)學(xué)科一體化建設(shè)”科研項(xiàng)目（XKC202212009）

第一作者：曾功俊，男，1989年生，武漢人，博士研究生，講師；研究方向?yàn)榇r(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)。E-mail： 15902775059@163.com

通訊作者：陳建能，男，1972年生，福建泉州人，博士，教授；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)構(gòu)數(shù)值分析。E-mail： jiannengchen@zstu.edu.cn

Design and experiment of a drag-type carrot harvesting device driven by non-circular gears

Zeng Gongjun1，" 2， Chen Jianneng2，" 3， Xia Xudong2，" 3， He Yeneng1

（1. Zhejiang Industry Polytechnic College， Shaoxing， 312000， China; 2. Faculty of Mechanical Engineering，

Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou， 310018， China; 3. Zhejiang Province Key Laboratory of

Transplanting Equipment and Technology， Hangzhou， 310018， China）

Abstract：

To solve the problem of poor carrot root-stem separation in traditional constant-speed drag-type carrot harvesting devices， this paper proposes a drag-type carrot harvesting device driven by non-circular gears based on the improved motion characteristics of the drag rod. Taking the motion characteristics of the drag rod as the design goal， the mathematical relationship between the drag rod speed curve and the non-circular gear pitch curve is established by using the reverse analysis method. Based on this， a new drag-type carrot root-stem separation mechanism driven by non-circular gears is designed. UG 3D design software is used for 3D modeling and motion simulation， and the results show that the simulated speed curve of drag rod is consistent with the theoretically designed speed curve. A test bench for the non-circular gear-driven drag-type carrot root-stem separation device is developed， and the tests of carrot root-stem separation are conducted. The results show that the success rate of carrot root-stem separation is 97.1%， and the damage rate is 4.9%. Compared with the traditional drag-type carrot root-stem separation device， the non-circular gear-driven device improves the effect of carrot root-stem separation， providing a reference for optimizing the drag-type carrot harvesters.

Keywords：

carrots; drag-type; harvesting device; reverse design; root-stem separation; motion characteristic

0 引言

胡蘿卜營(yíng)養(yǎng)豐富，廣泛種植于世界各地，我國(guó)胡蘿卜種植面積與總產(chǎn)量一直穩(wěn)居世界前列［1］。胡蘿卜根莖分離是胡蘿卜收獲過(guò)程中最重要的工序，胡蘿卜根莖分離裝置具有提高胡蘿卜收獲效率、增產(chǎn)增收等優(yōu)勢(shì)，因此，加大胡蘿卜收獲裝置的研發(fā)投入是提高胡蘿卜生產(chǎn)規(guī)模和效益的重要途徑［2］。

拉拽式胡蘿卜收獲裝置通過(guò)胡蘿卜與拉桿之間的拉拽作用實(shí)現(xiàn)胡蘿卜與胡蘿卜纓子分離，進(jìn)而完成胡蘿卜收獲任務(wù)。該收獲裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、能適應(yīng)惡劣工作環(huán)境等優(yōu)勢(shì)。然而，在胡蘿卜收獲過(guò)程中，拉拽桿與胡蘿卜的拉拽作用容易擦傷胡蘿卜，且存在胡蘿卜根莖分離不徹底的現(xiàn)象，導(dǎo)致胡蘿卜損傷率高和收獲成功率低等問(wèn)題。為改善拉拽式胡蘿卜收獲裝置的工作性能，研究人員針對(duì)拉拽式胡蘿卜收獲裝置工作機(jī)理開(kāi)展研究，如Xia等［3］基于有限元顯式動(dòng)力學(xué)模擬胡蘿卜與拉桿之間的沖擊條件，結(jié)合拉伸試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)提出了胡蘿卜芯、肉、莖的數(shù)學(xué)模型，并采用自研的鐘擺裝置進(jìn)行沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證理論模型，為降低胡蘿卜損傷率提供理論參考。曾功俊等［4-6］運(yùn)用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)胡蘿卜纓子力學(xué)特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，拉拽桿的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)胡蘿卜根莖分離效果影響顯著，據(jù)此提出改進(jìn)型拉拽桿速度曲線。上述研究結(jié)果對(duì)改善胡蘿卜根莖分離效果有指導(dǎo)意義，但有關(guān)拉拽桿運(yùn)動(dòng)特性的研究均停留于理論分析，實(shí)踐應(yīng)用研究鮮有報(bào)道。

為進(jìn)一步降低胡蘿卜損傷率，提高胡蘿卜根莖分離成功率，根據(jù)拉拽式胡蘿卜收獲裝置工作機(jī)理，基于拉拽桿改進(jìn)運(yùn)動(dòng)特性，提出非圓齒輪驅(qū)動(dòng)的拉拽式胡蘿卜收獲裝置。通過(guò)建立三維模型和運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與正確性，基于此研制試驗(yàn)平臺(tái)，并以傳統(tǒng)拉拽式胡蘿卜根莖分離裝置為參照進(jìn)行胡蘿卜根莖分離試驗(yàn)，為改善拉拽式胡蘿卜收獲機(jī)性能提供新思路。

1 拉拽式胡蘿卜收獲裝置工作原理

1.1 整機(jī)工作原理

為便于機(jī)械化操作，胡蘿卜收獲過(guò)程主要分為胡蘿卜拔取、輸送和根莖分離等階段［7］。拉拽式胡蘿卜收獲裝置主要由輸送裝置和拉拽式胡蘿卜根莖分離裝置組成（圖1）。

如圖1所示，拉拽式胡蘿卜收獲裝置作業(yè)時(shí)，首先，由挖掘部件對(duì)深埋于土中的胡蘿卜進(jìn)行松土，然后，輸送帶夾持胡蘿卜纓子沿輸送帶方向往上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到特定位置時(shí)，拉拽裝置中兩組拉拽桿拉拽胡蘿卜往下運(yùn)動(dòng)，這樣在拉拽桿和輸送帶的共同作用下實(shí)現(xiàn)胡蘿卜根莖分離。

1.2 根莖分離裝置工作原理

根莖分離裝置（圖2）是拉拽式胡蘿卜收獲裝置的關(guān)鍵部件，主要由驅(qū)動(dòng)齒輪箱、主動(dòng)圓盤、拉拽桿、從動(dòng)圓盤以及支撐板組成。拉拽桿一端插入主動(dòng)圓盤的鉸接孔內(nèi)，另一端插入從動(dòng)圓盤的鉸接孔內(nèi)。工作時(shí)，動(dòng)力裝置通過(guò)驅(qū)動(dòng)齒輪箱驅(qū)動(dòng)主動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)插入主動(dòng)圓盤鉸接孔內(nèi)的拉拽桿在主動(dòng)圓盤所在平面內(nèi)做圓周平動(dòng)，拉拽桿另一端在結(jié)構(gòu)的約束下推動(dòng)從動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)拉拽桿在主動(dòng)圓盤所在平面內(nèi)做圓周平動(dòng)［8］。左右兩邊的拉拽桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)有重疊區(qū)域，該區(qū)域?yàn)楹}卜拉拽桿工作區(qū)。以拉拽桿所在平面建立x軸和y軸，垂直拉拽桿所在平面方向建立z軸。當(dāng)輸送帶夾持胡蘿卜纓子進(jìn)入拉拽桿工作區(qū)時(shí)，拉拽桿與胡蘿卜根部接觸并沿z軸方向產(chǎn)生作用力，在輸送帶的配合下完成拉拽胡蘿卜動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)胡蘿卜根莖分離。

傳統(tǒng)拉拽式胡蘿卜收獲機(jī)通常由圓柱齒輪勻速驅(qū)動(dòng)根莖分離裝置。工作時(shí)，在轉(zhuǎn)速為ω的主動(dòng)圓盤驅(qū)動(dòng)下，拉拽桿在主動(dòng)圓盤所在平面做圓周平動(dòng)，其縱向平移速度v如式（1）所示。

v=ωRsin（ωt）

（1）

式中： R——

拉拽桿的圓周平移運(yùn)動(dòng)半徑；

t——主動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。

根據(jù)拉拽桿與主動(dòng)圓盤的角度關(guān)系，可計(jì)算出拉拽桿沿z軸方向的速度vz，如式（2）所示。

vz=vcos（0.5π－α）

（2）

式中： α——主動(dòng)圓盤和拉拽桿的夾角。

工作時(shí)，胡蘿卜與拉拽桿一起運(yùn)動(dòng)，因此，在拉拽桿作用下，胡蘿卜沿z軸方向的運(yùn)動(dòng)速度與拉拽桿相同。由式（1）和式（2）可得式（3）。

vz=ωRsinα·sin（ωt）

（3）

2 拉拽桿運(yùn)動(dòng)特性分析

2.1 傳統(tǒng)拉拽桿速度曲線分析

拉拽式胡蘿卜根莖分離裝置通過(guò)拉拽桿與胡蘿卜共同作用來(lái)完成胡蘿卜根莖分離，拉拽桿作用方向（圖3（a）中z軸方向）速度的變化情況決定拉拽桿與胡蘿卜之間作用力的變化情況。傳統(tǒng)拉拽式胡蘿卜根莖分離裝置中的拉拽桿由主動(dòng)圓盤勻速驅(qū)動(dòng)，當(dāng)R=50mm、α=30°時(shí)，由式（3）可知，拉拽桿作用方向速度曲線為正弦曲線，如圖3（b）所示。實(shí)際工作中，當(dāng)主動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)角為50°～95°時(shí)，兩相對(duì)拉拽桿的位置重疊甚至相互交錯(cuò)，這個(gè)階段是拉拽桿與胡蘿卜相互作用的時(shí)段（即拉拽桿的工作時(shí)段）。由圖3（b）可知，正弦型拉拽桿作用方向速度曲線的特點(diǎn)為：在整個(gè)工作時(shí)段，拉拽桿速度從0.35m/s一直增加到最高速度0.5m/s，整個(gè)過(guò)程一直處于變加速狀態(tài)，速度增幅為0.15m/s，加速度逐漸減小。

2.2 改進(jìn)型拉拽桿速度曲線分析

由式（3）可知，主動(dòng)圓盤和拉拽桿的夾角、拉拽桿的圓周平移運(yùn)動(dòng)半徑以及圓盤轉(zhuǎn)速均對(duì)拉拽桿作用在胡蘿卜上的運(yùn)動(dòng)特性有影響。近年來(lái)，學(xué)者們聚焦于胡蘿卜收獲機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)胡蘿卜根莖分離效果的影響，忽略拉拽桿運(yùn)動(dòng)特性對(duì)胡蘿卜根莖分離效果的影響。為此，文獻(xiàn)［4］對(duì)胡蘿卜纓子進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)，結(jié)果表明：拉拽桿以較高速度瞬間作用在胡蘿卜上時(shí)，胡蘿卜根莖分離效果良好。結(jié)合前期的研究成果，并根據(jù)傳統(tǒng)正弦型拉拽桿速度曲線的特點(diǎn)，提出改進(jìn)型拉拽桿速度曲線［4］，如圖4所示，其特點(diǎn)為：整體形狀類似正弦曲線，第一階段拉拽桿速度快速均勻加速到最高點(diǎn)；第二階段進(jìn)入工作狀態(tài)，保持穩(wěn)定高速狀態(tài)，速度增幅為0m/s。工作階段，拉拽桿能以較高速度瞬間作用在胡蘿卜上，并持續(xù)輸出作用力，滿足拉拽桿以較高速度瞬間作用在胡蘿卜的條件，有利于改善胡蘿卜根莖分離效果。然而該結(jié)論僅停留在力學(xué)測(cè)試儀的分析上，并沒(méi)有在胡蘿卜根莖分離裝置上進(jìn)行深入研究和驗(yàn)證。

3 新型根莖分離裝置設(shè)計(jì)與仿真

為提高拉拽式胡蘿卜收獲裝置的收獲成功率、降低胡蘿卜損傷率，以期改善拉拽式胡蘿卜收獲裝置的工作效果，基于改進(jìn)型拉拽桿速度曲線，采用逆向設(shè)計(jì)的方法提出非圓齒輪驅(qū)動(dòng)的拉拽式胡蘿卜根莖分離裝置，該裝置主要由機(jī)架、輸送機(jī)構(gòu)和非圓齒輪箱驅(qū)動(dòng)的根莖分離機(jī)構(gòu)組成，如圖5所示。

3.1 非圓齒輪箱結(jié)構(gòu)

非圓齒輪對(duì)具有靈活可變的傳動(dòng)比，能滿足拉拽式胡蘿卜根莖分離裝置多樣化的運(yùn)動(dòng)特性需求，以非圓齒輪對(duì)為核心的非圓齒輪箱是實(shí)現(xiàn)拉拽桿改進(jìn)運(yùn)動(dòng)特性的關(guān)鍵部件。如圖6所示，非圓齒輪箱包括非圓齒輪對(duì)、減速齒輪對(duì)以及等速齒輪對(duì)。其中，主動(dòng)非圓齒輪過(guò)動(dòng)力軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，從動(dòng)非圓齒輪通過(guò)傳動(dòng)軸與主減速齒輪固連；從動(dòng)減速齒輪通過(guò)輸出軸Ⅰ與主等速齒輪固連［8］。動(dòng)力傳遞路線：動(dòng)力由主動(dòng)軸經(jīng)非圓齒輪對(duì)通過(guò)傳動(dòng)軸傳遞給減速齒輪對(duì)，再經(jīng)等速齒輪對(duì)由輸出軸Ⅰ和輸出軸Ⅱ傳遞給拉拽桿驅(qū)動(dòng)圓盤。

3.2 非圓齒輪對(duì)設(shè)計(jì)

3.2.1 非圓齒輪傳動(dòng)比計(jì)算

采用基于拉拽桿運(yùn)動(dòng)特的逆向設(shè)計(jì)法求解非圓齒輪節(jié)曲線：建立改進(jìn)型拉拽桿速度曲線與主動(dòng)非圓齒輪轉(zhuǎn)角之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，結(jié)合拽桿速度曲線與從動(dòng)非圓齒輪轉(zhuǎn)角之間的數(shù)學(xué)關(guān)系求出非圓齒輪傳動(dòng)比，根據(jù)非圓齒輪節(jié)曲線理論模型求出非圓齒輪的節(jié)曲線。

根據(jù)提出的改進(jìn)型拉拽桿速度曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立拉拽桿輸出速度與主動(dòng)非圓齒輪轉(zhuǎn)角之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如式（4）所示。

Vz=f（φ1）

（4）

式中： φ1——主動(dòng)非圓齒輪轉(zhuǎn)角；

Vz——改進(jìn)型拉拽桿速度。

拉拽桿輸出速度與從動(dòng)非圓齒輪轉(zhuǎn)角之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為式（5）。

Vz=φ2′Rsinφ2

（5）

式中： φ2——從動(dòng)非圓齒輪轉(zhuǎn)角。

由式（4）和式（5）以及非圓齒輪對(duì)傳動(dòng)特性，確定非圓齒輪傳動(dòng)比i與主動(dòng)非圓齒輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，如式（6）所示。

i=g（φ1）

（6）

3.2.2 求解非圓齒輪對(duì)

通過(guò)給定的齒輪對(duì)中心距與前面求出的非圓齒輪傳動(dòng)比，可計(jì)算得到非圓齒輪節(jié)曲線［9］。如圖7所示，a為非圓齒輪對(duì)的中心距，φ1為主動(dòng)非圓齒輪轉(zhuǎn)角，ω1為主動(dòng)非圓齒輪瞬時(shí)角速度，φ2為從動(dòng)非圓齒輪轉(zhuǎn)角，ω2為從動(dòng)非圓齒輪瞬時(shí)角速度，P點(diǎn)為非圓齒輪對(duì)的瞬心。根據(jù)瞬心的性質(zhì)，則有ω1×O1P=ω2×O2P，用r1、r2分別表示O1P、O2P，則非圓齒輪對(duì)的瞬時(shí)傳動(dòng)比計(jì)算如式（7）所示。

i=ω1ω2=r2r1=a－r1r1

（7）

由于非圓齒輪對(duì)的傳動(dòng)比i會(huì)隨主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)角變化而變化，其瞬心P的位置及r1、r2也會(huì)隨之變化，由式（7）可得極坐標(biāo)系下非圓齒輪節(jié)曲線方程，如式（8）所示。

r1（φ1）=a1+i

r2（φ2）=a－r1（φ1）=ai1+i

φ2=∫φ101idφ1

（8）

非圓齒輪節(jié)曲線不僅決定齒輪的傳動(dòng)規(guī)律，還影響齒廓生成以及其加工制造難度。因此，在設(shè)計(jì)非圓齒輪時(shí)，需要依據(jù)節(jié)曲線曲率半徑對(duì)節(jié)曲線的凹凸性進(jìn)行校驗(yàn)，節(jié)曲線曲率半徑如式（9）所示。

ρ=r2+drdφ232

r2+2drdφ2－rd2rdφ2

（9）

式中： r——齒輪節(jié)曲線半徑；

φ——節(jié)曲線半徑相對(duì)于初始線的夾角。

通過(guò)式（9）分別對(duì)求出的主、從動(dòng)非圓齒輪節(jié)曲線進(jìn)行齒輪凹凸性驗(yàn)證。如果ρ為正值，則齒輪節(jié)曲線為凸，可順利生成齒廓，無(wú)需對(duì)節(jié)曲線進(jìn)行優(yōu)化；否則，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理［1０］。

運(yùn)用MATLAB軟件，基于非圓齒輪節(jié)曲線方程和節(jié)曲線曲率半徑計(jì)算公式編寫(xiě)非圓齒輪節(jié)曲線設(shè)計(jì)程序，求出非圓齒輪節(jié)曲線。再通過(guò)非圓齒輪齒廓與齒輪節(jié)曲線之間的數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算非圓齒輪齒廓，非圓齒輪對(duì)求解結(jié)果如圖8所示。

3.3 根莖分離機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

根據(jù)非圓齒輪驅(qū)動(dòng)的拉拽式胡蘿卜根莖分離裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作空間要求，采用UG三維設(shè)計(jì)軟件建立胡蘿卜根莖分離機(jī)構(gòu)三維模型［11］。如圖9所示，首先，將零件的三維實(shí)體模型導(dǎo)入U(xiǎn)G裝配模塊進(jìn)行裝配，然后，在UG運(yùn)動(dòng)仿真模塊中給裝配體添加相應(yīng)的約束和驅(qū)動(dòng)進(jìn)行虛擬仿真，最后，將仿真結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行比較。對(duì)比結(jié)果如圖10所示，拉拽桿仿真速度曲線與前述理論設(shè)計(jì)的速度曲線吻合。

4 試驗(yàn)與結(jié)果

4.1 試驗(yàn)方法

研制非圓齒輪驅(qū)動(dòng)的拉拽式胡蘿卜收獲裝置試驗(yàn)臺(tái)，在浙江紹興袍江地區(qū)農(nóng)田試驗(yàn)地里培育浙江地區(qū)普遍種植的“新紅胡蘿卜”品種，選取成熟期的胡蘿卜作為試驗(yàn)樣品。以文獻(xiàn)［5］的機(jī)構(gòu)參數(shù)為試驗(yàn)參照對(duì)象，以胡蘿卜根莖分離的成功率（試驗(yàn)過(guò)程中胡蘿卜根莖順利分離的概率）和損傷率（試驗(yàn)過(guò)程中胡蘿卜受到損傷的概率）為胡蘿卜根莖分離效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)展胡蘿卜根莖分離對(duì)照試驗(yàn)［12］。為排除其他參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾，除拉拽桿速度曲線以外，其余參數(shù)均與參照文獻(xiàn)中的參數(shù)保持一致：拉拽桿作用方向運(yùn)動(dòng)速度最高為0.4m/s、拉拽桿與輸送帶夾角為40°。試驗(yàn)參照GB/T 8097—2008《收獲機(jī)械聯(lián)合收割機(jī)試驗(yàn)方法》，以胡蘿卜根莖分離成功率和胡蘿卜損傷率為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算如式（10）和式（11）所示，試驗(yàn)過(guò)程如圖11所示［13］。

η1=n1n×100%

（10）

η2=n2n×100%

（11）

式中： n1——損傷的胡蘿卜數(shù)量，根；

n2——

根莖順利分離的胡蘿卜數(shù)量，根；

n——胡蘿卜總數(shù)，根；

η1——胡蘿卜損傷率；

η2——胡蘿卜根莖分離成功率。

4.2 結(jié)果與分析

每組試驗(yàn)重復(fù)10次，每次10根胡蘿卜，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理，被選取的胡蘿卜外形規(guī)則且無(wú)損傷，尺寸大小接近。如表1所示，胡蘿卜根莖分離成功率為97.1%，損傷率為4.9%。

試驗(yàn)結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)拉拽式胡蘿卜根莖分離裝置，非圓齒輪驅(qū)動(dòng)的拉拽式胡蘿卜收獲裝置的根莖分離成功率提高3.1%，胡蘿卜損傷率降低2.8%。分析試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，拉拽桿與胡蘿卜相互作用時(shí)間縮短，減小拉拽桿與胡蘿卜撞擊和摩擦帶來(lái)的損傷；瞬時(shí)高速的拉拽作用加快胡蘿卜根莖迅速分離，改進(jìn)型拉拽桿運(yùn)動(dòng)特性有效改善胡蘿卜收獲裝置的工作性能。

5 結(jié)論

以改進(jìn)型拉拽桿速度曲線為目標(biāo)，采用基于改進(jìn)運(yùn)動(dòng)特性的逆向分析法，設(shè)計(jì)非圓齒輪驅(qū)動(dòng)的新型拉拽式胡蘿卜根莖分離裝置。對(duì)該裝置進(jìn)行三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真分析，結(jié)果表明：拉拽桿仿真速度曲線與理論設(shè)計(jì)的速度曲線吻合，滿足理論設(shè)計(jì)要求。

1） 根據(jù)機(jī)構(gòu)分析所得參數(shù)研制試驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行胡蘿卜根莖分離試驗(yàn)，結(jié)果表明：非圓齒輪驅(qū)動(dòng)的拉拽式胡蘿卜收獲裝置的胡蘿卜根莖分離成功率為97.1%，損傷率為4.9%，滿足胡蘿卜收獲裝置農(nóng)藝要求。

2） 對(duì)比傳統(tǒng)拉拽式胡蘿卜收獲裝置，胡蘿卜根莖分離效果指標(biāo)均有改善，驗(yàn)證改進(jìn)型拉拽桿速度曲線的合理性，可為改進(jìn)拉拽式胡蘿卜收獲機(jī)提供參考。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 彭鈺航， 王廣紅， 孫飛雪， 等. 胡蘿卜熱泵干燥工藝優(yōu)化［J］. 食品與機(jī)械， 2022， 38（1）： 211-216.

Peng Yuhang， Wang Guanghong， Sun Feixue， et al. Optimization of carrot heat pump drying process by response surface methodology ［J］. Food amp; Machinery， 2022， 38（1）： 211-216.

［2］ Jozef K， Norbert L. The influence of working parameters of a carrot harvester on carrot root damage ［J］. Maintenance and Reliability， 2011， 39（1）： 35-41.

［3］ Xia X， Xu Z， Yu C， et al. Finite element analysis and experiment of the bruise behavior of carrot under impact loading ［J］. Agriculture， 2021， 11（6）： 471.

［4］ 曾功俊. 胡蘿卜纓子的力學(xué)特性及拉拽式收獲部件研究［D］. 杭州： 浙江理工大學(xué)， 2017.

Zeng Gongjun. Study on mechanical characteristics and pulling parts harvest of carrots tassel ［D］. Hangzhou： Zhejiang Sci-Tech University， 2017.

［5］ 曾功俊， 陳建能， 夏旭東， 等. 胡蘿卜纓果拉拽式分離裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2018， 49（10）： 73-79.

Zeng Gongjun， Chen Jianneng， Xia Xudong， et al. Design and experiment on pull type of tassel fruit separation for carrot ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2018， 49（10）： 73-79.

［6］ 曾功俊， 陳建能， 夏旭東， 等. 基于響應(yīng)面法的拉拽式胡蘿卜根莖分離試驗(yàn)研究［J］. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2023， 44（9）： 1-8.

Zeng Gongjun， Chen Jianneng， Xia Xudong， et al. Experimental study on pull type carrot root-stem separation based on Response surface method ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2023， 44（9）： 1-8.

［7］ 王家勝， 尚書(shū)旗. 自走式雙行胡蘿卜聯(lián)合收獲機(jī)的研制及試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2012， 28（12）： 38-43.

Wang Jiasheng， Shang Shuqi. Development and experiment of double-row self-propelled carrots combine ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2012， 28（12）： 38-43.

［8］ 宋慧鵬， 孫麗穎， 曾功俊， 等. 一種多級(jí)非圓齒輪箱驅(qū)動(dòng)的拉拽式胡蘿卜纓果分離機(jī)構(gòu)［P］. 中國(guó)專利： CN202020920470.0， 2021-02-02.

［9］ 劉永平， 員貝貝， 魏永峭， 等. 基于包絡(luò)特征的非圓齒輪數(shù)字化設(shè)計(jì)與齒形優(yōu)化研究［J］. 機(jī)械傳動(dòng)， 2022， 46（8）： 55-60.

Liu Yongping， Yuan Beibei， Wei Yongqiao， et al. Research on digital design and tooth shape optimization of non-circular gears based on envelope features ［J］. Journal of Mechanical Transmission， 2022， 46（8）： 55-60.

［10］ 卞景揚(yáng)， 莫帥， 韓涵， 等. 非對(duì)稱齒輪設(shè)計(jì)方法與動(dòng)態(tài)嚙合特性研究［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)， 2019（S1）： 59-64.

Bian Jingyang， Mo Shuai， Han Han， et al. Design method of asymmetrical gears and research on dynamic meshing characteristics ［J］. Journal of Mechanical Design， 2019（S1）： 59-64.

［11］ 彭緒友， 廖宇蘭， 李東賀， 等. 基于ADAMS的五桿式單行木薯種植機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)， 2022， 39（4）： 52-57.

Peng Xuyou， Liao Yulan， Li Donghe， et al. Design and experiment of five-bar single-row cassava planter based on ADAMS ［J］. Journal of Mechanical Design， 2022， 39（4）： 52-57.

［12］ 鄭昱， 孟凡偉， 楊占立， 等. 基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和響應(yīng)面方法的九索并聯(lián)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2017（17）： 106-116.

Zheng Yu， Meng Fanwei， Yang Zhanli， et al. Optimization design of a parallel mechanism driven by nine cables based on experimental design methods and response surface methods ［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2017（17）： 106-116.

［13］ 姚帥， 薛臻， 繆磊， 等. 拔取式白蘿卜聯(lián)合收獲機(jī)研制與試驗(yàn)［J］. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2023， 44（8）： 27-33.

Yao Shuai， Xue Zhen， Miao Lei， et al. Design and experiment of pulling white radish combine harvester ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2023， 44（8）： 27-33.