青菜頭縮短莖滑切刀研制

向 旺 ，孫玉華 ,3，劉凡一 ,3，李明生 ,3，謝守勇 ,3※，柯 超 ，黃 窈

（1. 西南大學工程技術學院，重慶 400715；2. 西南農業智能裝備創新中心，重慶 400715；3. 丘陵山區農業裝備重慶市重點實驗室，重慶 400715）

0 引言

青菜頭屬被子植物門，雙子葉植物綱科，學名莖瘤芥，主要種植在重慶、浙江和四川地區。其中，重慶地區青菜頭種植面積約占全國種植面積一半，2022 年總產值超150 億元[1]。但是目前重慶地區青菜頭的采摘仍然依靠人工，收獲季節經常出現用工難、用工貴等問題；由于收獲時間緊，人工勞動強度大，采摘效率低，造成農戶種植青菜頭積極性下降，制約了青菜頭種植業的發展。因此，青菜頭的機械化收獲必須加快研究進程[2]。

由于種植不規范，導致成熟期的青菜頭葉片易倒伏，縮短莖彎曲嚴重，使得機械化收獲難度大。近年來，國內研究人員對青菜頭的機械化收獲開展了大量的研究并取得了一定的成果。張濤等[3]基于青菜頭生物特性與丘陵山區作業環境設計了一款具有柔性夾持功能的青菜頭收獲機，可降低青菜頭的損傷率；龔鏡一等[4]基于青菜頭物理特性，設計了集扶葉、夾持拔取、輸送及切葉等功能為一體的榨菜收獲機，在此基礎上，黎奎良等[5]設計了具有自動對行匹配微耕機作業的青菜頭切根裝置；馮偉等[6]設計了螺旋喂入式的青菜頭收獲機，并通過正交試驗獲取了螺旋喂入裝置的最佳作業參數；金月等[7]設計了能同時完成四行作業的手扶式青菜頭收獲機，該機器集成了自動導正、扶葉夾持、獨立仿形、精準切割、輸送運輸等功能；葉俊杰[8]設計了一款適用于丘陵山區的手扶式青菜頭收獲機；吳渭堯[9-10]針對余姚地區設計了可乘坐式的青菜收獲機，但機型較為龐大，在丘陵地區適用性較低。為更好地獲取青菜頭的物理特性，郝林杰等[11]開展了一系列試驗，旨在為開發性能較好的青菜頭收獲機奠定基礎。

青菜頭屬于中國特色農產品，國外鮮有種植也沒有專用的收獲機具，但類似收獲機械可為青菜頭收獲機具的研制提供思路。DIDAMONY 等[12]研發了卷心菜收獲機，利用所設計滑切刀盤可精確完成卷心菜的切根且損傷率極低；KIM 等[13]研制了自走式大白菜收獲機，設計的牽引機構能夠將大白菜輕松拔出；YASMEEN 等[14]設計了兩行胡蘿卜收獲機，利用其挖掘機構和采摘機構可大幅提高胡蘿卜的收獲效率。

綜上所述，丘陵地區青菜頭的機械化收獲還處于起步階段，相關人員雖已研發多種青菜頭收獲機，但現有青菜頭收獲機存在農機與農藝融合程度不足、成熟期青菜頭瘤狀莖貼近地面，切根過程易造成損傷；縮短莖抗剪切強度高，切割難度大；青菜頭葉片肥大導致運輸通道易堵塞等問題。本文根據丘陵山區青菜頭農藝種植要求，研制了一種青菜頭縮短莖滑切刀，擬解決現有青菜頭收獲機切根難等問題，主要研究內容如下：在分析滑切式青菜頭收獲機及其切根夾葉機構工作原理的基礎上基于EDEM 構建土壤-刀具互作阻力模型并進行土槽試驗，開展滑切刀切削阻力Box-Behnken 試驗并對作業參數進行優化。

1 整機及切根夾葉機構工作原理

1.1 青菜頭種植農藝

截至目前，青菜頭的種植方式還沒有統一標準，西南地區青菜頭種植行距30～40 cm，株距25～40 cm，浙江地區青菜頭種植行距25 cm，株距17 cm，均采用廂面種植，單壟2 行或4 行。本研究整機設計以重慶渝北大盛鎮試驗種植基地的青菜頭種植農藝為設計標準，種植行距m為33 cm，株距n為33 cm，起壟高度h為30 cm，壟溝寬度l為30 cm，壟寬f為160 cm，青菜頭土壤窩洞曲率半徑r(和青菜頭大小相關)，單壟2 行。青菜頭主要由葉、莖瘤芥、縮短莖、根須組成。通常成熟青菜頭葉自然展開寬度q為60～130 cm，葉和葉柄高度p為60～80 cm，縮短莖長度s為20～30 cm，如圖1 所示。

圖1 青菜頭及其種植農藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of tumorous stem mustard and its planting agronomy

1.2 整機結構及工作原理

滑切式青菜頭收獲機的工作要求是完成對青菜頭縮短莖、葉柄、葉的切除，然后收集莖瘤芥。該機器主要由控制系統，切根夾葉機構，傾斜夾持傳送機構、傳動系統、動力底盤組成，可同時完成2 行青菜頭的收獲，其結構如圖2 所示，主要參數如表1 所示。

表1 青菜頭收獲機主要參數Table 1 Main parameters of mustard harvester

圖2 青菜頭收獲機結構圖Fig.2 Structural diagram of mustard harvester

作業前，通過機械推桿將傾斜夾持機架調試到合適的傾斜角度，切根夾葉機構的滑切刀和仿形支撐架調試到合適高度。作業時，電機帶動同步帶轉動，在動力底盤的推動下滑切刀切斷縮短莖，同步帶夾持住葉柄傳送，在傾斜夾持帶上切掉青菜頭的葉和葉柄，最后莖瘤芥掉入收集箱中。本文重點對切根夾葉機構的滑切刀進行研究。

為使青菜頭葉柄更好從切根夾葉裝置過渡到傾斜夾持傳送機構上，切根夾葉裝置與地面并不平行。

1.3 切根夾葉機構及工作原理

切根夾葉機構設計2 把滑切刀組合使用，完成對青菜頭縮短莖的切割和青菜頭的夾持輸送，其主要由電機、仿形支撐架、夾持同步帶、同步帶張緊裝置、同步輪和滑切刀組成，如圖3 所示。其中，仿形支撐架不僅可以起到仿地形作用，而且可以扶起倒伏的菜葉。作業時，電機帶動同步帶運動，在同步帶摩擦力作用下夾住青菜頭葉柄，張緊輪頂住葉柄，在底盤推動力作用下切割青菜頭的縮短莖，然后繼續夾持傳送到傾斜夾持同步帶上，完成切葉并裝箱。

圖3 青菜頭切根夾葉機構組成Fig.3 Composition of the root cutting and leaf clamping mechanism for tumorous stem mustard

1.4 滑切刀設計與安裝

青菜頭縮短莖切割方式主要有3 種：往復式、旋切式和滑切式。往復式需要貼近地面切割，可能損傷莖瘤芥[3]；旋切式對行要求高，易磨損刀具和產生飛土，功耗大[6-7]；滑動式切割效果較好且功耗低[4-5]。因此，本文選擇滑切式對縮短莖進行切割。

HSS(高速鋼)通常用來制造薄刃和耐沖擊的刀具，具有較好的強度和韌性，所以，選用HSS 作為滑切刀制作材料。在保證滑切刀作業強度前提下確定了滑切刀形狀及相關參數，如圖4 所示，刀背長度l1為60 mm，刀刃長度l2為185 mm，刀面寬度l3為40 mm，刀具厚度l4為4 mm，刀柄直徑l5為20 mm，刃口斜度α為21.8°，刃口與刀邊夾角β為25.6°。

圖4 滑切刀結構參數示意圖Fig.4 Sliding cutter structure parameters diagram

為加強2 把滑切刀的整體性，使 2 把滑切刀刀面重疊，如圖5 所示，單行2 把滑切刀呈V 字形對稱布置。作業時，滑切刀通常深入土層數厘米，為減小刀具前進阻力和保證切割效果，滑切刀角度和高度可進行調整，滑切刀刀刃在xoy面投影夾角為γ，在xoz面的投影與其水平面的夾角為φ，兩刀具調整桿圓心距d設置為180 mm。

圖5 滑切刀安裝示意圖Fig.5 Installation diagram of sliding cutter

1.5 滑切過程受力分析

為清楚滑切刀不同安裝角度對其作業阻力的影響，對滑切刀進行受力分析?；械对谌锹膸У妆P推動下對縮短莖進行切割，此過程中滑切刀主要受底盤推力，切削阻力，土壤支持力，土壤摩擦力，土壤破碎力，機身重力等。選取單把滑切刀與縮短莖接觸處進行分析，如圖6 所示。

圖6 滑切刀切割過程受力分析圖Fig.6 Force analysis of sliding cutter during cutting process

由滑切過程受力分析可知：

式中k是滑切刀和仿形支撐架承重的比值；G是切根夾葉機構承受的機身重力，N。

式中μ是土壤-刀具動摩擦系數；G'是滑切刀上表面土壤重力，N。

式（4）表明，要使滑切刀下表面受到的壓力及摩擦力最小，滑切刀刀刃與xoz面水平夾角 φ應為0°，同時保證 φ＜θ，可避免傾斜機身在底盤推動力的作用下陷入土層。

2 土壤-滑切刀互作模型

田間作業時，滑切刀絕大多數時間是克服土壤阻力做功，且滑切刀作業阻力是影響青菜頭收獲機能耗的重要因素。因此，有必要探究作業時滑切刀與土壤的互作關系。本文基于離散元法（discrete element method）建立土壤-滑切刀互作模型，模擬滑切刀在土壤中作業情況，分析滑切刀作業速度和兩滑切刀夾角對刀具作業阻力的影響。

2.1 接觸力學模型

西南地區耕地主要以紫色土壤為主，富含鈣質和磷、鉀等營養元素，但黏性較高易板結，土壤顆粒之間的黏性是滑切刀作業過程中阻力的重要影響因素，因此，在EDEM 2020 版本中選用Hertz-Mindlin with Bonding 模型作為土壤-土壤顆粒之間的接觸模型，根據文獻[15-17]，忽略土壤與刀具之間的粘附力，土壤-刀具之間的接觸模型為Hertz-Mindlin 模型，選擇默認的Standard Rolling Friction 模型作為土-土壤，土壤-刀具的滾動摩擦模型。

土壤顆粒與刀具之間的接觸力為[18]

土壤顆粒粘結之前按照Hertz-Mindlin 模型計算，粘結后土壤顆粒的法向力、切向力和力矩重置為0，并在每個時間步長重新對法向力、切向力和力矩進行計算[18-22]，如式（12）～（15）。粘結后土壤顆粒的振動接觸模型如圖7 所示。

圖7 土壤顆粒接觸模型Fig.7 Soil particle contact model

式中Fn和Ft分別是法向和切向接觸力，N；Mn和Mt是法向和切向力矩，N·m；vn和vt分別是土壤顆粒法向和切向速度，m/s；ωn和ωt分別是法向和切向角速度，rad/s；S是粘接面積，S=，m2；RB是粘結半徑，m；J是土壤顆粒轉動慣量，J=/2。

當土壤顆粒間的粘結鍵所受法向力和切向力超過預設值時便斷裂，條件如式（16）～（17）所示。斷裂后的土壤顆粒作為硬球進行計算求解。

式中σ和τ是預設的正應力和切應力，Pa。

2.2 離散元仿真參數

2.2.1 土壤本征參數

土壤樣品為青菜頭種植區域內的紫色土壤，利用不銹鋼質環刀（規格：φ79.8×20 mm，100cm3，55 g）取樣5 次，對5 次取樣土壤及環刀用電子天平（精度0.01 g）稱量，然后計算得到平均土壤密度為1 720 kg/m3；采用恒溫箱烘干法測定土壤的平均含水率為11.52%；取100 g 烘干的土壤樣品，用孔徑大小為2、1 和0.05 mm篩分器進行篩分，然后用電子天平進行稱量，測得土壤顆粒直徑≥2、1～2、0.05～1 和＜0.05 mm 的質量分數為25.15%、31.63%、19.20%和0.86%；采用無底圓筒（內徑40 mm，高200 mm）提升法測定土壤休止角并利用Sobel 算法提取土壤邊緣曲線，測得土壤休止角為33.1°，如圖8 所示。土壤泊松比和剪切模量參照文獻[23]分別確定為0.35 和 1.02×107Pa。

圖8 土壤休止角測量Fig.8 Repose angle measurement of soil

2.2.2 接觸參數

土壤的接觸參數無法直接測定，需要通過虛擬標定獲得。EDEM 中GEMM wizard 集成了大量顆粒模型數據，會根據顆粒的本征參數推薦接觸參數。根據GEMM數據庫提供的推薦接觸參數，同時參照文獻[23-26]確定土壤-土壤恢復系數，土壤-土壤靜摩擦系數，土壤-土壤動摩擦系數，HSS 材料密度，HSS 泊松比，HSS 楊氏模量，土壤-HSS 恢復系數，土壤-HSS 靜摩擦系數，土壤-HSS 動摩擦系數等相關參數，如表2 所示。

表2 土壤-刀具仿真參數Table 2 Soil-tool simulation parameters

在Bonding 接觸模型中還需設置單位面積法向剛度、單位面積切向剛度、臨界法向應力、臨界切向應力和粘結半徑。參照文獻[27-28]，為減小參數標定數量，設定單位面積法向剛度等于單位面積切向剛度，臨界法向應力等于臨界切向應力，其中粘結半徑與含水率和顆粒大小有關，具體如表3 所示。

表3 粘接鍵仿真參數Table 3 Sticky bond simulation parameters

2.3 土壤-刀具互作模型仿真及結果分析

模擬單行2 把滑切刀在土壤中的運動情況，建立一個500 mm×420 mm×120 mm 的土槽，選擇土壤基質顆粒模型為單球型，為避免仿真時間過長，結合粒徑分布，顆粒半徑范圍設定在1.5～3 mm，顆粒工廠生成模式為動態無限數量并填充土槽。按照常規作業情況設置滑切刀刀面距土壤表層50 mm；根據青菜頭收獲機理論作業效率，設置滑切刀作業速度為0.1、0.2、0.3 和0.4 m/s ；根據式（7）設置兩滑切刀夾角分別為60°、90°和120°。試驗共進行12 組，仿真作業過程如圖9 所示。

圖9 土壤-刀具互作過程Fig.9 Soil-cutter interaction process

從圖9 可知，作業時，滑切刀及其調整桿松動土壤并帶動土壤顆粒運動，隨著滑切刀的推進，土壤顆粒逐漸堆積在滑切刀表面，造成少量壅土，作業后的土槽橫截面呈駝峰形。在Analyst 中選擇x方向即刀具前進方向阻力作為刀具入土作業的阻力，仿真過程中滑切刀作業阻力變化規律如圖10 所示。前0.3 s 為土壤顆粒模型生成并填充土槽以及土壤顆粒之間形成穩定Bond 鍵的過程，之后為刀具作業時間。為便于探尋不同參數對刀具阻力的影響規律，排除土槽邊界的干擾，圖10 中數據截取自無邊界干擾作業階段。

圖10 刀具作業阻力Fig.10 Cutter working resistance

從圖10 可知，滑切刀作業速度越快，受到的阻力越大，其原因是單位時間內破碎的土壤增多，阻力增大；相同速度下，在某一時間內滑切刀夾角與其作業速度呈正相關，超過這一速度則呈負相關，其原因是這一時間之前滑切刀還未完全進去土槽之中，滑切刀夾角越大，單位時間內與土壤的接觸面積更大，土壤顆粒之間的粘結鍵數量破壞得更多，阻力增大?；械锻耆M入土槽后，由于滑切刀夾角越小，單位時間內與土壤顆粒作用的橫截面積小，導致滑切刀作業阻力越大。

滑切刀完全入土后為穩定作業階段，該階段滑切刀作業速度在0.1 m/s 時，最大阻力為214.29 N，刀具夾角在60°、90°、120°的平均作業阻力分別為107.38、103.60和94.64 N，作業速度在0.2、0.3 和0.4 m/s 時最大阻力分別為193.15、169.49 和133.93 N，在60°、90°、120°的平均作業阻力依次為133.07、125.80 和114.44 N ；147.01、137.61 和123.70 N；156.19、146.97 和132.24 N。

2.4 土槽試驗

為驗證仿真作業阻力分析結果的可靠性，搭建土槽臺架進行試驗驗證。

2.4.1 試驗條件

試驗地點在西南大學大棚試驗基地，試驗時間為6 月25 日，土槽土壤為西南地區典型紫色土壤，受季節氣溫及環境影響土壤含水率為5.36%，土槽尺寸為1 700 mm×600 mm ×450 mm，試驗平臺設備有三相電機（WSS-4P 2.2 kW）、拉力傳感器（JLBS-1 型，量程500 kg）、變頻器、數據采集筆記本電腦，如圖11 所示。試驗開始前將土槽中的雜草、莖稈、石塊等撿除，然后整平、輕壓，盡可能使土槽土壤符合田間作業情況，壓實后的土壤堅實度為8.27 kg/cm2。

圖11 土槽試驗平臺Fig.11 Soil tank test platform

2.4.2 試驗原理

滑切刀作業阻力數據采集流程如圖12 所示。電機旋轉帶動主動件運動，主動件通過拉力傳感器帶動從動件運動進而使固定在從動件上的滑切刀進行作業，拉力傳感器所檢測到的主動件與從動件之間的牽引力即為滑切刀作業阻力。拉力傳感器測試的數據經變送器AD 轉換為數字量并傳輸到計算機上?；械蹲鳂I速度通過調節變頻器頻率改變三相電機轉速實現調整。

圖12 數據采集流程圖Fig.12 Data acquisition flow chart

2.5 試驗結果與分析

滑切刀的作業速度、作業夾角、入土深度與仿真作業參數設置一致，同樣進行12 組交叉試驗。由于土壤含水率較低，測試得到的滑切刀作業阻力整體小于仿真值，且經滑切刀作業后的土槽土壤單位面積緊實度難以保持一致，導致試驗結果具有波動性，所以驗證試驗通過對比土槽試驗各組最大阻力與仿真試驗各組最大阻力進行分析。

土槽試驗與仿真試驗的各組最大阻力對比如圖13所示。

圖13 土槽試驗結果對比分析圖Fig.13 Comparison analysis chart of soil tank test results

當作業速度為0.1 m/s 時，滑切刀夾角在60°、90°和120°仿真試驗中最大阻力值分別為133.93、131.65 和130.20 N，土槽試驗最大阻力分別為167.86、143.33 和110.14 N，相對誤差分別為25.33%、8.87%和15.4%。當作業速度在0.2、0.3 和0.4 m/s 時，滑切刀夾角在60°、90°和120°仿真試驗中最大阻力值分別為169.49、169.34 和164.86；193.15、187.39 和168.12 N；214.29、197.66 和191.06 N，土槽試驗最大阻力分別為174.11、149.10 和128.42 N；181.80、151.98 和139.96 N；200.08、153.91 和140.44 N，其相對誤差分別為2.72%、11.95%和22.10%，5.88%、18.90%和16.75%，6.63%、22.13%和26.49%。

從上述分析結果可知，相同速度下，滑切刀夾角與作業阻力呈負相關；相同滑切刀角度下，滑切刀作業阻力與作業速度呈正相關。雖然土槽試驗阻力值整體小于仿真試驗阻力值，但兩試驗阻力變化規律一致，驗證了離散元模型參數設置的可靠性。

3 縮短莖切割試驗

滑切刀切割阻力反映了滑切刀作業性能的優劣，前文分析表明，滑切刀作業過程中受到的切削阻力與兩滑切刀夾角相關。由切削理論可知切削阻力與切削速度相關。為防止滑切刀損傷疥瘤球，滑切刀并不是緊貼疥瘤球切割縮短莖，規定切割縮短莖處距離疥瘤球0～20 mm為合格，同時切割縮短莖不同位置處根莖大小不同導致的切削力也不同。因此，選擇兩滑切刀夾角，滑切刀作業速度和切割縮短莖位置到莖瘤芥的距離作為滑切刀切削阻力的影響因素。

3.1 單因素試驗

滑切刀克服土壤阻力時的狀態亦是切割青菜頭縮短莖的狀態，所以采用前述土壤-刀具相互作用參數，設置前進作業速度0.1、0.2、0.3 和0.4 m/s。兩把滑切刀夾角設置為60°、90°、120°和150°?？s短莖切割距離設置為0、10、20 和30 mm。單因素試驗時，設置前進速度0.2 m/s，2 把滑切刀夾角90°，縮短莖切割距離為10 mm。試驗材料均選用“涪雜2 號”青菜頭，縮短莖長勢一致，長度大于30 mm，如圖14 所示，單因素試驗結果如表4 所示。

表4 單因素試驗結果Table 4 Results of single factor test

圖14 試驗材料及切割位置示意圖Fig.14 Schematic diagram of test material and cutting position

由表4 可知，滑切刀作業速度為0.1 m/s 時切削阻力為204.73 N，隨著作業速度的逐步增加，切削阻力也隨之增大，當作業速度達到0.4 m/s 時切削阻力為344.25 N；滑切刀夾角為150°時，切削阻力最大，為336.32 N，90°時切削阻力最小，為261.19 N。夾角在60°～120°時，滑切刀阻力從290.83 N 減小到261.19 N 再增大到271.44 N，表明在60°～120°之間存在一個最佳的夾角，可降低切削阻力；當切割距離為0 時切削阻力為299.65 N，切割距離越遠，切削力越小，切割距離為30 mm 時，切削阻力為143.12 N。

3.2 Box-Behnken 試驗

根據單因素試驗結果，切削阻力隨切割距離呈負相關，但為在合格范圍之內切割縮短莖，切割距離選擇在0～20 mm，滑切刀作業速度0.1～0.3 m/s，滑切刀夾角60°～120°進行Box-Behnken 試驗。表5 為因素水平表，切割試驗如圖15 所示。

表5 試驗因素水平表Table 5 Test factor level table

圖15 縮短莖切割試驗Fig.15 Shorten stem cutting test

拉壓測試機夾住滑切刀夾具模擬滑切刀切割作業，利用計算機精確控制夾頭速度，進而控制滑切刀的作業速度，夾頭內置壓力傳感器在模擬切割作業過程中實時將壓力數值傳回給計算機，以作業過程中最大壓力值作為滑切刀的切削阻力，兩滑切刀夾角通過角度控制器進行改變，莖瘤芥平放在硬質支撐座上，當滑切刀將縮短莖完全切斷則完成一次試驗。

表6 為Box-Behnken 試驗方案及結果，共17 組試驗，其中試驗號4、6、9、14、16 為中心對照組。

表6 Box-Behnken 試驗結果Table 6 Box-Behnken test results

由極差值e知道各因素對切削阻力大小影響主次順序依次是滑切刀作業速度、滑切刀夾角、切割距離，17組試驗的平均切削阻力為253.58 N。從表7 方差分析結果可知，滑切刀作業速度和滑切刀夾角對切削阻力的回歸模型顯著且失擬項不顯著，表明在該試驗設計因素水平范圍內，回歸模型與真實情況之間存在較高的相關性?；械肚邢髯枇回歸方程為

表7 Box-Behnken 試驗方差分析Table 7 Box-Behnken test analysis of variance

3.3 最佳參數試驗

在正交旋轉試驗設計因素范圍內，以最小切削阻力為優化目標，利用 Design-Expert 軟件的優化功能選出的滑切刀切削阻力回歸模型最佳參數組合為作業速度0.1 m/s，滑切刀夾角65.66°，切割距離19.94 mm，理論切削阻力為128.63 N。為方便試驗將滑切刀夾角取整為65°，切割距離取整為20 mm。

滑切刀以作業速度0.1 m/s，夾角65°，切割距離20 mm 重復3 次切割試驗，得到切削阻力依次為141.24、156.32 和150.65 N，與理論切削力相對誤差分別為9.8%、21.53%和17.12%，較Box-Behnken 試驗平均切削力分別下降44.30%、38.35%和40.59%，優化后的試驗切削阻力明顯降低，研究結果可為青菜頭收獲機研制提供參考。

4 結論

針對丘陵山區青菜頭機械化收獲缺失問題，根據青菜頭種植農藝設計滑切式青菜頭收獲機，該機能夠一次性完成對青菜頭的切根、去葉和收集，并重點對其滑切刀作業參數進行分析與試驗，主要結論如下：

1）標定了紫色土壤與滑切刀相互作用參數并基于EDEM 建立了土壤-刀具互作阻力模型，探究了土壤與刀具的相互作用，根據離散元模型試驗結果有，滑切刀完全入土后，相同速度下,滑切刀夾角與作業阻力呈負相關；相同滑切刀角度，滑切刀作業阻力與作業速度呈正相關，且該作業規律通過了土槽試驗驗證。

2）基于拉壓測試機對滑切刀切割青菜頭縮短莖切削阻力大小進行了切割試驗，試驗結果表明：滑切刀作業速度與切削阻力呈正相關，縮短莖切割距離與切削阻力呈負相關，滑切刀夾角從60°到120°時，切削阻力先減小再增大。影響切削阻力大小的主次順序依次為滑切刀作業速度、滑切刀夾角和切割距離。

3）利用Design-Expert 軟件以最小切削阻力為優化目標，取整后的最佳參數組合為滑切刀作業速度0.1 m/s，滑切刀夾角65°，縮短莖切割位置20 mm，理論切削力為128.63 N。重復3 次切割試驗，結果表明：優化后的切削力分別為141.24、156.32 和150.65 N，與理論切削力相對誤差分別為9.8%、21.53%和17.12%，較Box-Behnken 試驗平均切削力分別下降44.30%、38.35%和40.59%，驗證了滑切刀作業參數優化的有效性，研究結果可為青菜頭收獲機研制提供參考。