青菜头是我国特色农产品,重庆市青菜头种植面积为130余万亩,约占全国种植面积的一半。由青菜头制作而成的“涪陵榨菜”与法国酸黄瓜、酸甜甘蓝并称世界三大名腌菜,也是中国对外出口的三大名菜之一。青菜头的收获具有极强的季节性,集中在每年的12月下旬至第二年的2月中旬。目前,丘陵山区青菜头收获完全依赖于人工,其收获劳动强度大、效率低,成本高。青菜头收获难题已成为制约榨菜产业发展的最大障碍,基于近年来重庆市青菜头产业链结构发展的迫切需求,本文研制了一款适合我国丘陵山区作业的青菜头切割装置,主要研究内容如下:(1)通过调查分析青菜头的种植农艺和收获要求,结合丘陵山区地形特点,提出一次性作业完成青菜头缩短茎切割及倒铺的作业方式,以解决青菜头机械化收获难的问题。(2)选取重庆地区青菜头主要种植品种“涪杂2号”为研究对象,测量青菜头缩短茎直径、缩短茎离地高度、茎瘤直径、茎瘤纵径、茎瘤质量、地表以下根长等基础几何参数,为切割装置的设计提供参数依据。通过试验测定青菜头缩短茎的最大抗压强度、弹性模量、屈服应力、动摩擦系数、静摩擦系数等基础力学参数,为切割装置的数值模拟提供数据支撑。(3)根据已测青菜头相关几何参数,结合青菜头的收获要求,设计了一款与微耕机匹配作业,具有自动对行、单行电动切割及倒铺功能的青菜头切割装置。并对切割装置相关零部件进行了选型、设计及计算。对关键零件圆锯片进行了运动学分析,建立了锯切行程、锯切时间、锯切生产率的数学模型。在此基础上对圆锯片刀刃轨迹进行了分析并建立了关于圆锯片水平切割不漏割的数学模型。(4)使用三维激光扫描技术对青菜头外形进行三维重构,运用Geomagic studio软件对点云图像进行处理,得到青菜头的三维模型。运用力学试验等手段对青菜头的本构模型进行了分析,以此为基础在ANSYS/LS-DYNA中建立了圆锯片切割青菜头的数值分析模型;使用该模型对圆锯片切割青菜头进行了数值模拟研究,并使用自制的电流电压采集系统对数值模拟结果进行试验验证。结果表明:在进锯速度0.35m/s,锯切转速800r/min条件下,数值模拟平均功率为52.480W,试验切割平均功率为56.870W,其相对误差为8.37%,在误差允许范围内。验证了使用有限单元法对青菜头切割进行数值模拟是可行的,为圆锯片运动参数优化奠定了基础。(5)选取对切割青菜头功率影响显著的锯切转速和进锯速度作为试验因子,分别进行了单因子试验,通过分析锯切力的变化初步选定了锯切转速和进锯速度的范围。以锯切转速和进锯速度为试验因子,根据初选速度范围确定水平值,设计二元二次回归正交组合试验。运用有限单元法对回归正交组合试验进行数值模拟研究,建立了平均切割功率与锯切转速和进锯速度的回归方程。使用MATLAB全局优化算法(Global Search)对回归方程全局寻优,结果表明:在锯切转速78.652rad/s(751.07r/min)、进锯速度0.2423m/s时,圆锯片切割青菜头最小平均功率为50.6243W。(6)在自制切割试验台上,利用高速摄像技术记录优化所得圆锯片运动参数切割青菜头的全过程,检验其是否满足青菜头切割要求。试验结果表明:以优化参数切割青菜头时整个过程切割平稳,青菜头姿态良好,切口平整,茎瘤无破损,满足切割要求。使用电流电压采集系统测量得到优化参数下切割青菜头的平均功率为53.07W,与优化结果的相对误差为4.83%,在误差允许范围内,说明优化结果具有较高的准确性。与初始设计相比,优化后的平均切割功率降低了11.55%,优化效果比较明显,达到了青菜头切割装置的设计要求,即平均功率≦60W。同时利用高速摄像分析了在锯切转速500r/min,进锯速度0.5m/s条件下青菜头被切割破坏的全过程,分析得出锯切转速过低引起青菜头产生的惯性力不足以抵抗弯曲变形,使其还没切完就已经弯折。青菜头在弯矩的作用下有劈裂趋势,锯切转速越低,发生劈裂的可能性越大。(7)在以上基础上完成青菜头切割装置的样机制作,以3TGQ-4型微耕机作为动力机械进行田间试验。结果表明青菜头切割装置匹配3TGQ-4型微耕机的田间作业性能基本满足设计要求及青菜头收获要求,能够在300mm行距的狭窄环境中进行作业,青菜头能顺利通过对行机构进入护刀板间的切割通道被圆锯片切割。观察发现青菜头茎瘤均无较大程度的破损,青菜头切口表面平整,达到了茎瘤破损率低于15%的收获要求。