摘要：引用格式：王潇涵, 冉云亮, 葛朝, 郭婷, 刘艺豪, 陈度, 王书茂. 旋转包络梳脱式烟叶采收机构设计与试验[J]. 智慧农业(中英文), 2025, 7(3): 210-223.
引用格式：王潇涵, 冉云亮, 葛朝, 郭婷, 刘艺豪, 陈度, 王书茂. 旋转包络梳脱式烟叶采收机构设计与试验[J]. 智慧农业(中英文), 2025, 7(3): 210-223.
DOI： 10.12133/j.smartag.SA202501020
Citation:WANG Xiaohan, RAN Yunliang, GE Chao, GUO Ting, LIU Yihao, CHEN Du, WANG Shumao. Design and Test of Rotary Envelope Combing-Type Tobacco Leaf Harvesting Mechanism[J]. Smart Agriculture, 2025, 7(3): 210-223.
旋转包络梳脱式烟叶采收机构设计与试验
王潇涵1， 冉云亮2， 葛朝2， 郭婷4， 刘艺豪1， 陈度3*， 王书茂1
（1.中国农业大学 工学院，北京 100083，中国； 2.河南农先锋科技股份有限公司，河南郑州 450002，中国； 3.现代农业装备优化设计北京市重点实验室，北京 100083，中国； 4.湖南省烟草公司郴州市公司，湖南郴州，423000，中国）
摘要：
［目的/意义］针对烟叶机械化采收过程中叶片损伤大、漏采率高等问题，设计了一种旋转包络梳脱式烟叶采收机构，该机构利用旋转包络机构实现植株和烟叶的套取，进而利用连杆结构的惯性作用力实现分层脱叶，从而实现成熟烟叶的连续、分层采收。
［方法］首先根据烟株的形态特征与烟叶生长物理特性，设计了上下轮盘式烟杆包络机构，进而采用自上而下惯性击打的方式梳脱分离烟叶，与传统的旋转拍打式采收机构相比，该机构采用包络烟杆击打烟叶根部的采收方式，避免了与烟叶叶片的直接碰撞，从而降低采收损伤。然后，对击打梳脱分离过程进行力学分析，并通过改进粒子群算法对传动机构参数进行了优化与验证，随后，对采收机构脱分离烟叶的过程进行了有限元仿真分析以优化轮盘结构参数并通过动力学仿真分析确定了采收机构的作业参数范围，最后，对不同转速下的采收效果进行田间试验。
［结果和讨论］经有限元仿真分析确定了轮盘结构参数中主要影响采收效果的参数为采摘杆直径，确定采摘杆直径为15 mm，包络圆直径为70 mm，材料为铝合金。经动力学仿真分析确定了采收机构梳脱速度应不大于3.0 m/s，对应转速应在120~210 r/min范围内。最终田间试验结果表明，采收机构的漏采率小于10%，破损率小于7%，能够有效减少烟叶漏采率和破损率。
［结论］研究结果可为自动化烟叶采收机械的设计与集成提供支撑。
关键词：烟叶收获；梳脱采收；收获损失；机构设计；旋转包络机构
文章图片
图 1 烟草植株形态尺寸参数测量
Fig.1 Measurement of tobacco plant size
图2 烟草植株与植株三维模型
Fig. 2 Tobacco plant and the 3D model
图 3 烟叶叶脉的力学特性试验
Fig.3 Mechanical property test of tobacco leaf veins
图 4 烟叶分离试验
Fig. 4 Tobacco separation experiment
注：1.车体；2.收集筐；3.输送机构；4.采收机构；5.导流机构；6.烟草植株；7.背板；8.电机安装板；9.伺服电机；10.曲柄；11.上轮盘；12.横杆轴；13.下轮盘；14.霍尔开关；15.横杆；16.摇杆。
图5 烟叶采收机整体结构和旋转包络式采收机构
Fig. 5 Automatic tobacco picking machine and picking mechanism
图 6 旋转梳脱包络式采收机构采收烟叶过程
Fig. 6 picking process of rotary comb enveloping picking mechanism
图7 旋转梳脱包络式采收机构采收力学模型
Fig. 7 Mechanical model of rotary comb enveloping picking mechanism
注： l1为曲柄长度，mm； l2为横杆上曲柄连接点与摇杆连接点距离，mm； l3为横杆上摇杆连接点与横杆末端距离，mm； l4为摇杆长度，mm； l5为电机与摇杆安装点的间距；α为曲柄与水平面夹角；θ1为AD与水平面夹角；θ2为横杆与水平面夹角。点A处为电机，曲柄安装在电机上，点B处为横杆与曲柄连接点，点C为横杆与摇杆连接点，点D为摇杆在背板上的安装点，点E横杆末端采收轮盘的安装点。
图8 旋转梳脱包络式采收机构简图
Fig. 8 Schematic diagram of the rotary comb enveloping picking mechanism
图9 旋转梳脱包络式采收机构末端运动轨迹
Fig. 9 The end motion trajectory of the rotary comb enveloping picking mechanism
图10 粒子群算法优化采收轨迹过程中适应度变化曲线
Fig. 10 Particle swarm optimization algorithm optimizes the fitness change curve during the picking trajectory process
图11 粒子群算法优化前后采收轮盘运动轨迹
Fig. 11 The movement trajectory of the picking wheel before and after particle awarm optimization
图12 采收轮盘中的采收杆包络圆直径D与采收杆直径d
Fig.12 Picking rod envelope diameter D and picking rod diameter d in the pickingwheel
图13 Abaqus中轮盘与烟叶的仿真模型网格划分
Fig. 13 Grid division of simulation model for wheel and tobacco in Abaqus
图14 不同梳脱速度下轮盘梳脱过程的仿真结果
Fig.14 Simulation results of wheel disc combing process at different combing speeds
图15 Adams中采收机构的动力学仿真模型
Fig. 15 Dynamic simulation model of picking mechanism in Adams
图16 采收轮盘包络烟杆效果
Fig. 16 Picking wheel wrapping smoke rod effect
图 17 在动力学梳脱仿真中不同转速下末端执行器瞬时速度
Fig. 17 Instantaneous velocity of end effector at different speeds in dynamic combing simulation
图18 田间烟叶采收作业试验现场
Fig. 18 Field tobacco picking experiment site
图19 采收机构田间试验中破损烟叶
Fig. 19 Damaged tobacco leaves in field trials of picking institutions
图 20 采收机构田间试验中损失烟叶
Fig. 20 Loss of tobacco leaves in field trials of picking institutions
通信作者介绍
陈 度 教授级高级工程师
陈度，工学博士，教授级高级工程师，现任中国农业大学工学院党委副书记，兼任中国农业机械学会青年工作委员会副主任委员、基础技术分会委员、人工智能分会委员、美国农业与生物系统工程师学会会员、机械与农业工程国家级虚拟仿真实验教学中心副主任。研究方向主要包括农机装备智能化、制造过程质量监控等技术领域，近年来主持或参加的项目15项，发表论文43篇，其中SCI/EI收录25篇，申请发明专利18件、授权9件，出版著作2本，培养研究生6人，获中国机械工业科学技术奖1项、北京市高等教育教学成果奖1项、中国农业大学教育教学成果奖3项。
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来源：智慧农业资讯一点号
