胡萝卜是中国主要根茎类蔬菜作物,目前中国胡萝卜种植面积与产量均居世界首位。胡萝卜联合收获技术是根据其农艺种植要求利用联合收获机具实现松土、扶茎、夹持运输、根茎清土和对顶切割等一体式收获技术。其中,对顶切割装置是胡萝卜联合收获机关键部件,其性能优劣直接影响收获后胡萝卜质量。目前现有胡萝卜联合收获机对顶切割装置存在切割后胡萝卜根茎损伤大、茎叶切不净和切割面平整度低等问题,收获后胡萝卜不易储存和出售。针对上述问题,本文以提高对顶切割装置作业效果为目标,研制了一种仿生单圆盘式对顶切割装置。根据螳螂前肢胫节切割齿可快速切割猎物特点,将切割齿曲线应用至割刀刃口上;结合常见胡萝卜品种物料特性,对装置进行结构设计与理论分析;通过台架试验确定对顶切割装置最佳工作组合参数,并对装置进行田间试验,验证了装置工作性能,为对顶切割装置的创新设计提供理论支撑和参考价值。本文的主要内容与方法如下:(1)螳螂前肢胫节切割齿曲线提取与拟合分析以螳螂为研究对象,观察并分析其生物学特征,运用Matlab软件提取并绘制出螳螂前肢胫节边缘曲线;通过Origin软件对切割齿进行拟合得到拟合方程,对拟合方程二阶导数和曲率分析,选出最优切割齿,并将此切割齿曲线二次拟合以得到最佳表达方程,为后续的仿生割刀刃口曲线设计提供理论基础。(2)仿生单圆盘式对顶切割装置设计与分析基于常见胡萝卜品种“红参7寸”的物料特性参数测定研究,设计对顶切割装置斜拉式导向齐平对顶机构、圆盘割刀与直割刀的结构与工作参数,构建切割机构-胡萝卜茎叶力学模型,验证其满足胡萝卜被高效切断条件。对圆盘割刀进行运动学分析,建立圆盘割刀前进方向运动学模型,确定影响装置工作性能因素为夹持输送皮带轮转速和圆盘割刀转速。(3)仿生单圆盘式对顶切割装置台架性能试验研究为确定仿生单圆盘式对顶切割装置最佳工作参数,选取夹持输送皮带轮转速和圆盘割刀转速为试验因素,胡萝卜根茎损伤率、茎叶切净率和切割面平整率为试验指标,开展装置单因素与多因素性能优化试验,结果表明:当夹持输送皮带轮转速为113r/min与圆盘割刀转速为156r/min时,装置作业性能最优,其根茎损伤率为0.53%、茎叶切净率为95.41%、切割面平整率为94.10%,仿生单圆盘式对顶切割装置切割性能优于现有双圆盘式对顶切割装置。(4)仿生单圆盘式对顶切割装置田间试验配置胡萝卜联合收获装置高效减阻松土铲、仿形扶禾装置和弹齿式清土装置等关键装置,将各装置集成为可一次完成胡萝卜松土、仿形扶茎、夹持输送、根茎清土和对顶切割的胡萝卜联合收获装置,运用此联合收获装置开展切割性能田间试验,结果表明:胡萝卜损伤率为0.61%、茎叶切净率为94.93%、切割面平整率为92.91%。作业时无茎叶堵塞切割区及刀具缠草现象,整体工作性能优越,满足胡萝卜联合收获过程中对顶切割作业要求。