全 文 ：甘蓝包叶剔除装置设计与参数优化研究
周 成1, 2，栾非时1*，陈海涛3，侯守印3，房 欣2
（ 1.东北农业大学园艺学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省农垦科学院农业工程研究所，哈尔滨 150038；
3.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）
摘 要：研制甘蓝包叶剔除装置并分析工作原理，确定甘蓝包叶剔除主要结构与工作参数。采用二次回归
正交旋转中心组合优化试验方法，以输送速度、剥皮辊转速、剥皮间距及剥皮角度四个因素为影响因子，甘蓝
剥皮率为目标函数，探究甘蓝包叶剔除装置结构与工作参数最优组合。结果表明，各影响因子对剥皮率贡献率
依次为剥皮辊转速、输送速度、剥皮间距和剥皮角度；当输送速度 1.82~2.05 m · s-1，剥皮辊转速 194~210
r · min-1，剥皮间距 40 mm，剥皮角度 40°时，甘蓝剥皮率为 78%~80%。可为甘蓝收获机包叶剔除装置设计提供
理论依据。
关键词：甘蓝；包叶；剔除装置；试验；优化；设计
中图分类号：S225.92 文献标志码：A 文章编号：1005-9369（2015）12-0094-07
周成,栾非时,陈海涛,等 .甘蓝包叶剔除装置设计与参数优化研究[J].东北农业大学学报, 2015, 46(12): 94-100.
Zhou Cheng, Luan Feishi, Chen Haitao, et al. Design and research of parameter optimization on cabbage leaf out device[J].
Journal of Northeast Agricultural University, 2015, 46(12): 94-100. (in Chinese with English abstract)
Design and research of parameter optimization on cabbage leaf out
device/ZHOU Cheng, LUAN Feishi, CHEN Haitao, HOU Shouyin, FANG Xin(1. School of
Horticulture, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 2. Heilongjiang Academy of
Land Reclamation Science, Harbin 150038, China; 3. School of Engineering, Northeast
Agricultural University, Harbin 150030, China )
Abstract: Developed a cabbage leaves out device and analyzed its working principle, then got
the main structure and working parameters which affects the process of the cabbage leaves out device.
Using quadratic regression orthogonal rotary center combinatorial optimization test method, with
transmission speed, the stripping roller speed, peeling spacing and peeling angle as the impact factors,
kale peeling rate as the objective function to explore the optimal combination of the cabbage leaves out
device structure and working parameters. Results showed that the contribution of each influence factor
for peeling rate was transmission speed, the stripping roller speed, peeling spacing and peeling angle.
When conveying speed was 1.82-2.05 m·s-1, stripping roller speed was 194-210 r ·min-1, peeling spacing
was 40 mm, peeling angle was 40°, the cabbage peeling rate was 78%-80%. The research provided
the basis in theory for the design of the cabbage leaves out device.
Key words: cabbage; leaves; out device; experiment; optimization; design
收稿日期：2015-05-15
基金项目：黑龙江省博士后基金项目（LBH-Z13041）
作者简介：周成（1973-），男，研究员，博士，研究方向为园艺设施与装备。E-mail: nkzhoucheng@126. com
*通讯作者：栾非时，教授，博士生导师，研究方向为设施园艺与蔬菜分子遗传育种研究。E-mail: luanfeishi@sina. com
Journal of Northeast Agricultural University
东 北 农 业 大 学 学 报第46卷第12期 46(12): 94~100
2015年12月 December 2015
网络出版时间 2015-12-25 13:10:26 [URL] http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20151225.1310.014.html
甘蓝具有耐寒、抗病、适应性强、易贮耐运、
产量高等特点，成为中国东北、西北、华北等地区
春、夏、秋三季主要蔬菜之一。在甘蓝生产中，收
获环节费力最大、耗时最多。目前国内甘蓝收获
普遍以手工为主，生产成本高、劳动强度大、生产
效率低、损失率高。甘蓝收获机械化迫在眉
睫[1]。1931年前苏联研制成功世界上第一台甘蓝收
获机，现已在发达国家商品化并应用于生产[1-2]。甘
蓝收获机械化在我国研究及应用较少[3-4]，除台湾地
区外[5]，国内甘肃农业大学分析甘蓝切根力影响因
素，并设计4YB-I型甘蓝收获机，但尚未制造出样
机[6-7]。浙江大学设计一种适合南方田间作业的自走
式甘蓝联合收获机，初步具备甘蓝机械化收获能
力，仍处于试验阶段，尚未推广[8]。甘蓝机械收获
过程中包叶剔除是制约收获效率与收获质量的主
要因素之一[9-10]。
本文主要研究对象包叶剔除装置为自行研制
甘蓝收获机主要工作部件，为确定最优工作参数
组合，提高甘蓝包叶剔除效率，本研究在前期设
计研究基础上，通过甘蓝包叶剔除装置理论分
析，采用回归正交旋转优化试验方法，探究该装
置结构与工作参数最优组合，为甘蓝包叶剔除装
置产品定型设计提供理论与试验依据。
1 试验装置结构及工作原理
甘蓝包叶剔除装置结构如图1所示，主要由剥
皮辊（铸铁）、输送带、液压马达、主动滚轮、被
动滚轮和机架等构件组成。该装置工作时长、
宽、高分别为 1 065、880和 500 mm，剥皮辊固定
在机架液压马达端部，其轴线与输送皮带所在平
面平行，与输送皮带运动方向成角度φ，剥皮辊与
输送皮带间距可调。
图1 甘蓝包叶剔除试验装置结构
Fig. 1 Structure of purging leaves
1-主动滚轮；2-机架；3-液压马达；4-被动滚轮；5-剥皮辊；6-输送带
1-Driver roller; 2-Frame; 3-Hydraulic motor; 4-Driven wheel; 5-Peeling roller; 6-Conveyor belt
1 2 3 4
5 6
作业时，包叶甘蓝通过输送带被运送到剥皮
区，输送带与剥皮辊同向作用甘蓝，甘蓝受到二
者之间距离及位置限制不能通过，只能沿二者表
面滚动、滑动，使其受到一定挤压力；由于甘蓝
与皮带间摩擦力大于与剥皮辊间动摩擦力，使甘
蓝相对输送带主要做无滑动滚动运动，甘蓝沿着
剥皮辊移动、旋转；在甘蓝旋转过程中，其外包
叶在挤压力、动摩擦力作用下脱离甘蓝结球体，
完成剥皮作业。为减小结构尺寸，采用垂直分布2
组剔除装置串联，保证剥皮作业质量[11]。
2 甘蓝包叶剔除装置工作性能影响
参数确定
剔除装置工作时，甘蓝相对输送带做无滑动
滚动，其沿着剥皮辊滑动，应避免甘蓝在剥皮辊
与皮带之间自锁，受到过大挤压掉落到装置外。
剥皮过程中甘蓝受力分析，如图2所示[12-13]。
图中各符号意义如下：P-甘蓝重力；FN1-输送
带对甘蓝法向力；f1-输送带对甘蓝摩擦力；FN2-剥
皮辊对甘蓝法向力；f2-剥皮辊对甘蓝摩擦力；v-
周 成等：甘蓝包叶剔除装置设计与参数优化研究第12期 · 95·
输送速度；α-FN2与水平面夹角；φ-剥皮辊轴线方
向与输送速度 v方向夹角。
甘蓝在非自锁滑动状态下，受到输送带、剥皮
辊共同挤压力FN1、FN2以实现包叶剔除功能。其挤
压力主要与摩擦因数、剥皮间距、剥皮辊直径因素
有关。对于不同直径甘蓝，剥皮辊直径越大，其挤
压力FN2与水平面夹角α变化越小，剥皮辊对甘蓝适
应性越好。但由于结构尺寸限制，参考甘蓝几何尺
寸，剥皮辊直径取200 mm。
剥皮间距影响剥皮辊对甘蓝包叶抓取效果，间
距过小，剥皮辊对甘蓝包叶没有足够抓取空间，而
间距过大，又会使剥皮辊对甘蓝包叶摩擦力下降。
在剔除装置工作时，要选取适宜剥皮间距，过大过
小均会导致剥皮率降低。
为保证剥皮效率、避免甘蓝堵塞，还要保证甘
蓝沿剥皮辊有足够高运动速度。这与剥皮辊本身转
动速度有关，同时也与输送速度有关。
输送速度不仅影响甘蓝滚动速度，也影响甘
蓝沿剥皮辊方向运动速度，从而制约剔除装置对
单个甘蓝挤压作用时间；而剥皮辊转速越高，在
单位时间内，甘蓝与剥皮辊相对运动越大，剥皮辊
对甘蓝包叶压挤作用次数越多，这与甘蓝剥皮效果
联系密切。
在输送带宽度不变、输送速度 v相同条件下，
剥皮角度φ越小，甘蓝沿剥皮辊轴线方向运动距离
越长，其沿剥皮辊轴线方向运动分速度 v1也越大，
如图3所示。
3 试验材料及仪器
3.1 试验材料
试验于 2014年 9月 1~10日在东北农业大学工
程实验中心完成，材料选择北方早熟甘蓝（品种：
倍绿60），主要物理参数如图4、表1所示。
图2 甘蓝受力分析
Fig. 2 Analysis of cabbage force
图3 甘蓝输送速度
Fig. 3 Transportation speed of cabbage
图4 结球甘蓝外形尺寸
Fig. 4 Overall dimension of the cabbage
表1 结球甘蓝基本物理特性参数
Table 1 Physical parameters of the cabbages
统计指标Statistical index
球纵径（mm）Hh
球横径（mm）Wd
总质量（kg）Total weight
球质量（kg）Weight of cabbage
开展度（mm）Developed length
平均值Average
174.00
154.20
2.81
1.60
545
最大值Maximum
192.20
178.30
3.24
1.83
590
最小值Minimum
156.80
132.10
2.41
1.25
480
标准差Standard deviation
12.60
10.30
0.21
0.14
27.10
变异系数Coefficient of variation
0.07
0.07
0.07
0.09
0.05
Wd
Hd
Ch
Hh
LhSd
v2
v1
vφ
φ
φ
f2
f1 FN1
FN2
P ω
v
α
东 北 农 业 大 学 学 报·96· 第46卷
3.2 仪器设备
EV2000型变频器、28马力奔野四轮拖拉机、
75-I型转轴转数表、量角器（精度1°）、直尺（精度
1 mm）、数显游标卡尺（精度0.01 mm）、秒表（精度
0.2 s）、数码相机、切刀、卷尺（精度1 mm）。
4 方法
试验以输送速度（x1）、剥皮辊转速（x2）、剥皮
间距（x3）、剥皮角度（x4）为影响因素，以剥皮合格
率（y），为目标函数。
输送速度（x1）通过变频器控制电机转速调整；
剥皮辊转速（x2）通过液压流量控制阀调整；剥皮间
距（x3）与剥皮角度（x4）通过直尺和量角器标定。
试验选取 100个甘蓝，每个甘蓝有 4~6片外包
叶，将甘蓝外包叶全部剔除，并且甘蓝球无破碎
定义为剥皮合格[14-15]。剥皮合格率：
Kb=Qm/Q×100%
式中，Kb-合格率（%）；Qm-剥皮合格甘蓝个数
（个）；Q-试验甘蓝总数（个）。
试验采用四因素五水平二次回归正交旋转
中心组合优化试验方法，共实施 36组试验 [16- 17]，
每组试验重复三次，取三次平均值为剥皮合格
率，影响因素水平编码表及试验方案，如表 2、3
所示[18]。
表2 试验因子水平编码
Table 2 Experimental factors and level code
编码值Coded value
上星号臂+2 Upper asterisk+2
上水平+1 Upper level +1
零水平 0 Zero 0
下水平-1 Lower level -1
下星号臂-2 Lower asterisk -2
输送速度（m·s-1）Speed of delivery
x1
2.1
2.0
1.9
1.8
1.7
剥皮辊转速（r·min-1）Speed of the peeling roller
x2
210
200
190
180
170
剥皮间距（mm）Spacing of the peeling
x3
60
50
40
30
20
剥皮角度（°）Peeling angle
x4
50
45
40
35
30
表3 试验设计方案与结果
Table 3 Experimental design layout and results
编号No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
试验因素 Experimental factors
x1（m·s-1）
-1（1.8）
1（2.0）
-1（1.8）
1（2.0）
-1（1.8）
1（2.0）
-1（1.8）
1（2.0）
-1（1.8）
1（2.0）
-1（1.8）
1（2.0）
-1（1.8）
1（2.0）
-1（1.8）
1（2.0）
-2（1.7）
2（2.1）
x2（r·min-1）
-1（180）
-1（180）
1（200）
1（200）
-1（180）
-1（180）
1（200）
1（200）
-1（180）
-1（180）
1（200）
1（200）
-1（180）
-1（180）
1（200）
1（200）
0（190）
0（190）
x3（mm）
-1（30）
-1（30）
-1（30）
-1（30）
1（50）
1（50）
1（50）
1（50）
-1（30）
-1（30）
-1（30）
-1（30）
1（50）
1（50）
1（50）
1（50）
0（40）
0（40）
x4（°）
-1（35）
-1（35）
-1（35）
-1（35）
-1（35）
-1（35）
-1（35）
-1（35）
1（45）
1（45）
1（45）
1（45）
1（45）
1（45）
1（45）
1（45）
0（40）
0（40）
目标函数Objective
y（%）
80.1
85.5
83.2
91.1
86.4
72.6
80.2
79.3
83.1
90.1
86.2
96.3
87.1
88.1
92.2
93.8
71.2
96.5
编号No.
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
试验因素 Experimental factors
x1（m·s-1）
0（1.9）
0（1.9）
0（1.9）
0（1.9）
0（1.9）
0（1.9）
0（1.9）
0（1.9）
0（1.9）
0（1.9）
0（1.9）
0（1.9）
0（1.9）
0（1.9）
0（1.9）
0（1.9）
0（1.9）
0（1.9）
x2（r·min-1）
-2（170）
2（210）
0（190）
0（190）
0（190）
0（190）
0（190）
0（190）
0（190）
0（190）
0（190）
0（190）
0（190）
0（190）
0（190）
0（190）
0（190）
0（190）
x3（mm）
0（40）
0（40）
-2（20）
2（60）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
x4（°）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
-2（30）
2（50）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
0（40）
目标函数Objective
y（%）
72.6
96.1
96.3
69.2
86.6
91.5
92.5
93.7
94.2
95.4
93.6
91.1
92.1
93.7
94.3
93.9
93.7
94.4
周 成等：甘蓝包叶剔除装置设计与参数优化研究第12期 · 97·
5 结果及分析
5.1 试验结果
应用Design-Expert6.0.10软件数据处理分析，
试验结果如表3所示。
5.2 数据处理
试验方差分析如表4所示。剥皮率回归模型显
著，误差不显著，剥皮率模型有意义[19]。
对于剥皮率 y回归方程中各项回归系数在信度
为0.05下采用F检验，将不显著项剔除后，得
y＝93.55+5.74x1+6.36x2-5.84x3+5.69x4-9.06x12-
7.56x22-10.16x32-10.62x1x3
输送速度、剥皮辊转速、剥皮间距、剥皮角度
各因素对性能指标函数贡献率分别为 2.69、3.21、
2.51、1.93。
5.3 各因素对剥皮率性能指标影响分析
如图 5a所示，在试验水平下，甘蓝剥皮合格
率随着输送速度和剥皮辊转速增大而升高，但当两
因素达到一定数值后，均会导致剥皮合格率呈
下降趋势；达到输送速度 1.9 m · s-1和剥皮辊转
速 190 r · min-1后，剥皮率趋于平缓；输送速度大
于 2.0 m · s-1和剥皮辊转速大于 200 r · min-1以后，
剥皮率开始下降。这是由于输送速度和剥皮辊转速
过大，甘蓝在皮带上打滑，使剥皮受影响。
由图5b可知，当剥皮间距在（20、30 mm）之间
时，甘蓝剥皮率随着输送速度增大而升高，主要是
由于输送速度越高，剥皮辊与甘蓝冲击力越大从而
增强剥皮效果；当剥皮间距在（30、60 mm）之间
时，甘蓝剥皮率随着输送速度增大程先升高再下降
趋势，并且下降速率逐渐增大，主要由于随着剥皮
间距增大，高转速剥皮辊来不及抓取甘蓝而致；当
输送速度在（1.7、1.9 m · s-1）之间时，甘蓝剥皮率
随剥皮间距增大呈先升后降趋势，当输送速度在
（1.9、2.1 m · s-1）之间时，剥皮率随剥皮间距增大
而降低，这是由于低速输送时对甘蓝抓取力更强，
但当超过一定距离时摩擦力下降，导致剥皮率降
低，而高速输送时随着剥皮间距增大输送带与甘蓝
之间打滑，导致剥皮率降低。
由图 5c可知，当剥皮角度在（30°，35°）之间
时，甘蓝剥皮率随着输送速度增大升高后降低，主
要是因为输送速度增加促使甘蓝与剥皮辊间冲击力
增加，提高剥皮性能，而当输送速度达到一定值
时，甘蓝在输送带上开始滑转；剥皮角度对甘蓝冲
击和对外包叶摩擦影响较小。
由 5d可知，甘蓝剥皮率随着剥皮辊转速增大
升高后降低，主要是由于剥皮辊转速增大使单位时
间内对包叶摩擦挤压次数增多，促使甘蓝外包叶脱
落。当转速达到 200 r · min-1后，甘蓝与剥皮辊之
间开始打滑，剥皮率降低；随着剥皮间距增加剥皮
率呈先升高后降低趋势，这主要是由于剥皮间距过
小剥皮辊对甘蓝摩擦挤压力水平分力过小，对甘蓝
包叶抓取空间小，抓取困难。剥皮间距过大又导致
垂直压力过小，造成皮带与剥皮辊对甘蓝摩擦挤压
减小，剥皮质量降低。
由图 5e可知，甘蓝剥皮率随着剥皮辊转速增
大呈先升高后降低趋势；随着剥皮角度增加呈先升
高后降低趋势，但较平缓，说明剥皮角度对剥皮率
影响相对比较小。
由图 5f可知，甘蓝剥皮率随着剥皮间距增
加先升高后降低，剥皮率受剥皮角度变化影响
较小，但随着两因素同时变大而显著增大。这是
因为剥皮间距增加，使摩擦力减小，不利于外包叶
去除；剥皮角度对甘蓝冲击和对外包叶摩擦影响
较小。
表4 方差分析
Table 4 Analysis of variance
变异来源Source
y
回归 Regression
剩余 Residual
拟合 Fitting
误差 Error
总和 Sum
平方和Square sum
1 801.24
119.89
108.60
11.30
1 921.14
自由度
df
14
21
10
11
35
均方Mean square
114.70
23.80
48.52
1.32
F值
F value
4.82
36.73
4.82
8.31
临界值Critical value
0.0006
<0.0001
东 北 农 业 大 学 学 报·98· 第46卷
5.4 优化分析
按照提高剥皮率原则，以各因子水平区间为约
束条件[20]，优化结果见图6。当参数组合为：输送速
度1.82~2.05 m · s-1，剥皮辊转速194~210 r · min-1，
剥皮间距40 mm，剥皮角度40°时，剥皮率达到78%
~80%。在优化最佳工况范围内，选取输送速度1.9
m · s- 1，剥皮辊转速 200 r · min- 1，剥皮间距 40
mm，剥皮角度40°时进行验证试验。结果为：剥皮
率为 80.5%。验证试验结果在优化性能指标区间
内，表明优化结果可信[21]。
图5 四因素对剥皮率影响响应曲面图
Fig. 5 Response surface of four factors effects on response functions of the peeling rate
剥皮辊转速（r·min -1）
Speed of peeling roller
210
200
1.7
2.1
1.9 2.0
10090807060
输送带
速度（
m·s-1）
Speed of
delivery1.8
190 180 170
剥
皮
率（
%）
Pee
ling
rate
a-剥皮间距40 mm，剥皮角度40°a-Spacing of the peeling 40 mm, Peeling angle 40°
剥皮角度（°）Peeling angle
50
45
1.7
2.1
1.9 2.0
10090807060
输送带
速度（
m·s-1）
Speed of
delivery1.8
40 35 30
剥
皮
率（
%）
Pee
ling
rate
c-剥皮间距40 mm，剥皮辊转速190 r·min-1c-Spacing of the peeling 40 mm, Speed of the peeling roller 190 r·min-1
剥皮角度（°）Peeling angle
210200
10090807060
剥皮辊
转速（
r·min-
1）
Speed of
peeling r
oller
190180170
剥
皮
率（
%）
Pee
ling
rate
e-剥皮间距40 mm，输送速度1.9 m·s-1e-Spacing of the peeling 40 mm, Speed of delivery 1.9 m·s-1
剥皮间距（mm）
Speed of peeling
60 50
1.7
2.1
1.9 2.0
10090807060
输送带
速度（
m·s-1）
Speed of
delivery1.8
40 30 20
剥
皮
率（
%）
Pee
ling
rate
b-剥皮角度40°，剥皮辊转速190 r·min-1b-Peeling angle 40°, Speed of the peeling roller 190 r·min-1
剥皮间隙（mm）
Spacing peeling
210200
10090807060
剥皮辊
转速（
r·min-
1）
Speed of
peeling r
oller
190180170
剥
皮
率（
%）
Pee
ling
rate
d-剥皮角度40°，输送速度1.9 m·s-1d-Peeling angle 40°, Speed of delivery 1.9 m·s-1
剥皮角度（°）Peeling angle
10090807060
剥皮间
隙（mm）
Spacing p
eeling
剥
皮
率（
%）
Pee
ling
rate
f-输送速度1.9 m·s-1，剥皮辊转速190 r·min-1f-Speed of delivery 1.9 m·s-1, Speed of the peeling roller 190 r·min-1
60 50 40 30 20
50
45 40 35 30
6050 45 40 35 30
50403020
周 成等：甘蓝包叶剔除装置设计与参数优化研究第12期 · 99·
6 结 论
通过试验分析，得出以下结论：
a.试验分析各因素对甘蓝包叶剥皮率影响，结
果表明，剥皮辊转速对甘蓝包叶剥皮率影响最显
著；四个因素对甘蓝包叶剥皮率影响主次关系为
剥皮辊转速、输送速度、剥皮间距和剥皮角度。
b. 采用二次回归正交旋转中心组合优化试验
方法，得到最优参数组合：输送速度 1.82%~
2.05%，剥皮辊转速 194~210 r · min-1，剥皮间距
40 mm，剥皮角度40°，剥皮率可达78%~80%。
通过试验得到装置工作参数最优组合，装置
最佳剥皮率为80%，仍存在一定提升空间，在今后
研究中，需对包叶剔除装置进一步改进，旨在得
到更好的剥皮效果，提高作业效率。
[ 参 考 文 献 ]
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图6 参数优化分析
Fig. 6 Optimum analysis plot
剥
皮
辊
转
速（
r·m
in-1 ）
Spe
edo
fpe
elin
gro
ller
剥送带速度（m·s-1）Speed of delivery
210
200
190
180
1701.70 1.80 1.90 2.00 2.10
peeling rate %:78
peeling rate %:80
东 北 农 业 大 学 学 报·100· 第46卷