摘要：针对油菜植株高大、分枝交叉缠绕及角果易裂荚的生物学特性，传统收割机立式切割器因倾角固定，存在分禾不彻底、炸荚损失率高、适配性差等技术瓶颈。本文提出一种倾角可调立式切割器优化方案：设计丝杆螺母式倾角调节机构，实现切割器 0^°～15^° 范围内连续可调（调节步长 0.5^°; ）；通过有限元仿真分析不同倾角下切割器的应力分布与切割阻力变化，明确最优倾角调节范围；结合田间试验系统验证优化后切割器的作业性能。结果表明，优化后的切割器在 10°倾角下作业性能最优：分禾成功率提升至 96.8% ，炸荚损失率降低至 2.3% ，较传统固定倾角切割器分别改善 12.5 个百分点和 4.1 个百分点；切割阻力降至 188N，作业效率提升至 0.38hm²/h ，较传统机型分别降低 20% 提升 18.75% 。该切割器可适配不同长势的油菜植株，作业稳定性显著提升，为降低油菜机械化收获损失、提升收获效率提供了重要技术支撑。

关键词：收割机；立式切割器；倾角可调；结构优化；损失率

引言

油菜作为我国重要的油料作物，其种植面积和产量均居世界前列，在保障国家食用油供给安全中具有重要的战略地位。然而，油菜植株与传统的稻麦相比具有显著的特异性：株高可达 .5～.0m，单株分枝数 8～5 个，且成熟期不一致；籽粒粒径仅 .5～.5mm，角果成熟后机械收获时极易发生裂荚。这些特性导致油菜机械化收获过程中面临诸多难题，其中田间植株分枝交叉缠绕是制约收获质量的关键瓶颈，易引发炸荚损失、输送拥堵等问题，严重影响收获效率与经济收益 。

为解决油菜分枝交叉缠绕问题，现有油菜联合收割机普遍在割台左侧安装立式切割器，通过竖直方向的强制切割实现分禾，避免收获过程中强行拉 采用固定倾角设计，存在以下突出问题：①适配性差，不同种植密度、不同长势（ 割器倾角需求存在差异，固定倾角无法满足多样化作业场景；②分禾不彻底，交叉 易导致后续输送过程中植株拥堵，进一步加剧炸荚损失；③切割阻力波动大，固定倾角下切割方向与分枝生长方向不匹配，导致切割力峰值过高，不仅增加能耗，还可能造成切割器刀片变形、断裂等故障。

针对上述问题，本文以传统固定倾角立式切割器为研究对象，结合油菜分枝物理特性，优化设计倾角可调式立式切割器，通过田间试验验证其作业性能，为油菜收割机割台部件的改进提供理论依据与技术方案。

2 倾角可调立式切割器的结构设计

2. 总体结构设计

优化后的收割机割台侧面倾角可调立式切割器采用模块化设计，主要由切割组件、倾角调节机构、传动机构和导向分禾组件四部分组成，总体结构如 所示。各组件功能分工明确、协同工作：切割组件负责完成油菜分枝的精准切割；倾角调节机构实现切割组件倾角的连续可调；传动机构为切割组件提供稳定、均匀的动力；导向分禾组件引导油菜植株有序进入切割区域，提升分禾效果。

注：1-切割组件；2-倾角调节机构；3-传动机构；4-割台连接固件；5-导向分禾组件

本设计的核心创新点在于倾角调节机构，采用丝杆螺母传动方式，通过调节丝杆的伸缩量改变切割组件与竖直方向的倾角。该调节机构主要由调节手柄、丝杆、螺母座、转动铰链和支撑支架组成：支撑支架与割台通过高强度螺栓固定连接，螺母座与支撑支架采用焊接方式刚性连接， 与丝杆 端通过平键固定，丝杆另一端与切割组件通过转动铰链柔性连接。转动调节手柄时，丝杆沿螺母座轴 直线运动，带动切割组件绕转动铰链旋转，实现倾角连续可调。该结构具有调节精度高（步长 0.5^∘） ）、刚性好、操作便捷的特点，可满足 0^∘～5^∘ 范围内的倾角调节需求，适配不同长势的油菜植株。

2.2 关键部件设计

2.2. 切割组件优化

切割组件采用双刀片交错旋转结构，刀片材质选用 65Mn 弹簧钢，经淬火+回火处理后硬度可达 HRC55～60，兼具良好的耐磨性、抗冲击性和韧性，可适应复杂的田间作业环境。结合油菜分枝的力学特性（抗拉强度5～25MPa），通过多组切割试验确定最优刃口角度为30°，相较于传统45°刃口角度，切割阻力降低 28.3% ，有效减少能耗与刀片磨损；优化刀片排列方式为螺旋交错排列，相邻刀片间距设定为80mm，确保切割过程中无漏割区域，显著提升分禾彻底性。

2.2.2 传动机构设计

传动机构采用链传动方式，由收割机主传动轴通过链轮带动切割组件传动轴旋转，传动比设定为：.2，确保切割组件转速稳定。为适应倾角调节需求，在传动链中增设自动张紧装置（由张紧轮、弹簧和调节座组成），可根据链条张力自动调节张紧程度，确保切割组件在不 同倾角下均能获得稳定的动力传输，避免链条松弛或断裂。通过转速调节试验确定切割组件最优转速为 200r/min，该转速下切割效率最高，且炸荚损失率最低。

2.2.3 导向分禾组件设计

导向分禾组件安装于切割组件前端，采用弧形导向板结构，导向板材质为606 铝合金，经阳极氧化处理后表面光滑度达 Ra0.8μm ，可减少与油菜植株的摩擦阻力。导向板的弧度根据切割器最大倾角5° 设计，曲率半径为 350mm，确保在 0^∘～5^∘ 倾角调节范围内，均能有效引导油菜植株进入切割区域，避免植株偏移导致的切割不彻底。

3 田间试验验证

3. 试验材料与设备

试验地点：江苏省盐城市大丰区四岔河上海农场晚庄地区油菜种植基地（东经 20°50′～20°55′，北纬°8′～33°23′），试验田土壤类型为改良后的盐碱土地，肥力中等偏上，灌排条件良好。

试验作物：冬油菜品种 “沣油 737^∘ ，株高 .5～.7m，单株分枝数 0～2 个，角果数 430～480 个/株，成熟期一致度 85% ，籽粒含水率 2%-4% 。

试验设备：搭载优化后倾角可调立式切割器的约翰迪尔C230 联合收割机、传统固定倾角立式切割器收割机、电子天平（精度 0.g，型号JA2003N）、钢卷尺（精度 mm）、计数器、扭矩传感器（量程 0～500N·m，精度 ±0.5% FS）、数据采集仪等。

3.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设置 个对照组和3 个试验组，每组3 个重复小区，每个小区面积0.05hm²（长 50m×宽 0m），小区间距2m，种植密度均为30 万株/hm²。

对照组：传统固定倾角立式切割器（倾角 5^∘） ）；

试验组 ：优化后倾角可调立式切割器（倾角 5^∘） ；

试验组 2：优化后倾角可调立式切割器（倾角 0^∘; ）；

试验组 3：优化后倾角可调立式切割器（倾角 5^∘） ）。

试验过程中，所有收割机作业速度均设定为4km/h，统一由熟练操作员驾驶。记录各小区的分禾成功率、炸荚损失率、切割阻力和作业效率，测试指标定义与测量方法如下：

分禾成功率：采用人工计数法，统计小区内完全切断的交叉分枝数与总交叉分枝数，按公式计算；炸荚损失率：采用人工收集法，收获前在小区内随机设置 3 个 m×m 样方，铺设塑料布收集自然脱落籽粒；收获后收集样方内炸荚散落籽粒，通过电子天平称重，按公式（2）计算；

切割阻力：通过安装在切割器传动轴上的扭矩传感器实时采集扭矩数据，结合切割半径换算得到切割阻力；

作业效率：记录各小区的作业时间，按公式（3）计算。

分禾成功率=（完全切断的交叉分枝数/总交叉分枝数） ×00%

炸荚损失率=（炸荚散落籽粒质量/小区总籽粒质量）×00%（2）

作业效率（ （hm2/h）= （作业时间/作业面积） ×00% （3）

3.3 试验结果与分析

3.3. 分禾成功率与炸荚损失率分析

不同试验组的分禾成功率和炸荚损失率如表 所示。由表 可知，对照组（传统固定倾角5°）的分禾成功率为 84.3% ，炸荚损失率为6.4%；试验组（优化后 5^∘） ）的分禾成功率为 89.6% ，炸荚损失率为 4.2% ，较对照组分别提升 5.3 和降低2.2 个百分点；试验组2（优化后0°）的分禾成功率最高，达 96.8% ，炸荚损失率最低，为 2.3% ，较对照组分别提升2.5 和降低 4. 个百分点；试验组3（优化后5°）的分禾成功率为92.%，炸荚损失率为 3.5% ，较对照组分别提升7.8 和降低 2.9 个百分点。试验结果表明，0°为最优切割倾角，优化后的切割器通过倾角调节能显著提升分禾成功率，降低炸荚损失率。

表 不同试验组分禾成功率与炸荚损失率

3.3.2 切割阻力与作业效率分析

不同试验组的切割阻力和作业效率如表 2 所示。由表2 可知，对照组的平均切割阻力为 235N，作业效率为0.32hm²/h ；试验组 的平均切割阻力为20N，作业效率为 0.35hm²/h ；试验组 2 的平均切割阻力最小，为88N，作业效率最高，为 0.38hm²/h ；试验组3 的平均切割阻力为25N，作业效率为 0.36hm²/h 。优化后的切割器通过结构优化和倾角调节，有效降低了切割阻力，减少了能耗，同时提升了作业效率，尤其是在 0^∘ 倾角下，作业效率较对照组提升 8.75% ，节能效果显著。

表2 不同试验组切割阻力与作业效率

3.3.3 稳定性分析

对试验组2（ 0^∘ 倾角）进行8h 连续作业稳定性试验，结果显示：切割器未出现刀片变形、调节机构松动、链条断裂等故障；切割阻力波动范围为82～95N，波动幅度小于 5%= ；分禾成功率稳定在 96.0%97.5% ，炸荚损失率稳定在 2.%2.5% ，各项性能指标均保持稳定。说明优化后的切割器结构设计合理，刚性与可靠性满足长时间连续作业需求。

4 总结与展望

4. 结论

本文针对传统油菜收割机立式切割器倾角固定、适配性差、炸荚损失率高的问题，优化设计了一种倾角可调立式切割器，主要结论如下：

创新设计丝杆螺母式倾角调节机构，实现切割器 0^∘⋅ ～5°范围内连续可调（调节步长 0.5^∘） ），调节精度高、操作便捷，可适配不同种植密度与长势的油菜植株；

（2）优化切割组件关键参数：选用65Mn 弹簧钢刀片，采用 30°刃口角度与螺旋交错排列方式，显著提升切割性能，降低切割阻力；

（3）田间试验验证表明，优化后的切割器在0°倾角下作业性能最优：分禾成功率 96.8% 、炸荚损失率 2.3% 、切割阻力88N、作业效率0.38hm²/h，较传统固定倾角切割器分别提升 2.5 个百分点、降低4. 个百分点、降低20% 、提升 8.75% ，且连续作业稳定性优异。

4.2 展望

后续研究可进一步拓展切割器的适配范围，针对不同株高、不同品种的油菜开展专项试验，优化倾角调节参数；探索智能化调节技术，结合传感器实时采集植株长势信息，实现切割倾角的自动匹配，进一步提升油菜机械化收获的智能化水平。

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