鐮刀型韭菜收割機(jī)的設(shè)計(jì)

□ 馬建國 □ 程佳衛(wèi) □ 姚運(yùn)萍

蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

隨著現(xiàn)代化機(jī)械進(jìn)程的推進(jìn)，農(nóng)作物收獲機(jī)械化成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)和必然要求。由于農(nóng)作物和蔬菜等季節(jié)性強(qiáng)、時(shí)間緊、任務(wù)重，且易遭受雨、雪、風(fēng)、霜的侵襲等特點(diǎn)，機(jī)械化的普及成為迫切必要。其次實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物和蔬菜的機(jī)械化收獲，對(duì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、降低收獲損失、確保農(nóng)民收益均有極其重要的意義。

我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械，從3 500年前發(fā)明的鐮刀，到如今的大型聯(lián)合收割機(jī)，經(jīng)歷了漫長的發(fā)展，尤其是在新中國成立之后，先后經(jīng)歷了20世紀(jì)50～60年代的入門階段，60～80年代的發(fā)展階段，80～90年代的利用、引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)階段，尤其是90年代中后期，發(fā)展得更加迅速，各種農(nóng)業(yè)機(jī)械不斷完善，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量大幅度提高。從此，我國收獲機(jī)械的發(fā)展進(jìn)入了嶄新的階段。

1 設(shè)計(jì)要求與內(nèi)容

韭菜收割機(jī)的難點(diǎn)在于要求收割機(jī)的刀片能緊貼地面，割完的韭菜茬離地高度不能過高，因?yàn)榱舨邕^高不但會(huì)使菜農(nóng)的收益受到嚴(yán)重的影響，同樣會(huì)使韭菜在后面清理雜物、施肥時(shí)容易遭到踩踏，影響下茬的生長。但割茬也不能太低，否則，損傷到韭菜根部，同樣會(huì)影響韭菜的下茬生長。

現(xiàn)有的類似鋸齒形或者圓盤形收割機(jī)，主要用來收割小麥、水稻、苜蓿等高度較高的單桿莖植物,不能滿足韭菜這種高度較低的簇生族植物的收割，也不能滿足韭菜收割時(shí)的割茬低、不凌亂等需求。為了彌補(bǔ)此不足，筆者創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款鏈?zhǔn)郊羟行偷毒?，利用韭菜收割機(jī)器的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)傳動(dòng)柱運(yùn)動(dòng)，而傳動(dòng)柱又能帶動(dòng)鏈輪和同步帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)鐮刀的剪切運(yùn)動(dòng)，完成韭菜的切割動(dòng)作。而同步帶又能實(shí)現(xiàn)韭菜的傳送動(dòng)作。

本設(shè)備可以邊走邊工作。實(shí)現(xiàn)韭菜的拔禾、扶正、剪割、傳輸?shù)?，方便捆綁及其后續(xù)動(dòng)作的完成。另外，本設(shè)備只需手動(dòng)推動(dòng)，純機(jī)械設(shè)計(jì)，節(jié)能、環(huán)保。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)鐮刀、動(dòng)力等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了功能性設(shè)計(jì)，對(duì)同步帶、鏈條等部件進(jìn)行了選型改造，使收割機(jī)模型更加合理。

2.1 整體設(shè)計(jì)

收割機(jī)器的動(dòng)力機(jī)構(gòu)采用人力推動(dòng)、輪子帶動(dòng)鐮刀的后驅(qū)驅(qū)動(dòng)方式。當(dāng)使用者根據(jù)自己的身高調(diào)整好機(jī)器高度后，推動(dòng)機(jī)器行走，機(jī)器的四個(gè)輪子開始轉(zhuǎn)動(dòng)，而作為驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)后輪軸上的斜齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，其與傳動(dòng)柱上的斜齒輪形成交錯(cuò)軸斜齒輪傳動(dòng)，改變運(yùn)動(dòng)方向，將輪子垂直地面的滾動(dòng)變換成平行地面的水平運(yùn)動(dòng)。這種水平運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)支撐鏈輪和傳動(dòng)輪的傳動(dòng)柱運(yùn)動(dòng)，從而使鏈輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)安裝在鏈條上的刀片運(yùn)行，在收割機(jī)前面兩個(gè)傳動(dòng)柱上的鏈輪相切處，兩條鐮刀互相嚙合，進(jìn)行剪切作物，當(dāng)作物被剪斷后，在嚙合鐮刀、高低兩條同步傳輸帶作用下，被輸送到收集區(qū)，進(jìn)行收集，機(jī)器完成動(dòng)作，如圖1所示。

2.2 動(dòng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的目的是應(yīng)用于小型農(nóng)戶壟植韭菜的收割，所以摒除了質(zhì)量較大、使用費(fèi)用較高的柴油機(jī)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，這就從根本上降低了韭菜收割成本，提高了設(shè)備的推廣性價(jià)比。

本設(shè)備采用人力推動(dòng)時(shí)，輪子滾動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器的運(yùn)行是純機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式。使用者可根據(jù)自己的使用高度調(diào)整好機(jī)器。當(dāng)使用者推動(dòng)機(jī)器行走時(shí)，機(jī)器的4個(gè)輪子開始轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)后輪軸運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)后輪軸上的斜齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，其與傳動(dòng)柱上的斜齒輪形成交錯(cuò)軸斜齒輪傳動(dòng)，改變運(yùn)動(dòng)方向，帶動(dòng)鐮刀運(yùn)動(dòng)，完成后續(xù)動(dòng)作，如圖2、圖3所示。

2.3 鐮刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鐮刀結(jié)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的韭菜收割機(jī)中一個(gè)比較重要的部分，它將輪軸傳來的動(dòng)力經(jīng)過傳動(dòng)柱上的鏈輪傳遞給鏈，并由鏈帶動(dòng)鐮刀的運(yùn)動(dòng)，如圖4所示。

張大爺老兩口最近特別鬧心，因?yàn)閮鹤有≤娔隄M35歲了，年初給他下了最后通牒，今年必須結(jié)婚，并且在親戚朋友里廣而告之。眼下就快年底了，兒子卻一點(diǎn)動(dòng)靜都沒有。最近，二老親自上陣，四處張羅給兒子介紹對(duì)象，可兒子并不領(lǐng)情，安排10次相親，頂多去兩三次，連回家的次數(shù)都變少了。老兩口吃不好、睡不香，儼然已經(jīng)患上“兒女未婚恐懼癥”。

由鏈的輪廓選定齒數(shù)為20。節(jié)距p為9.525 mm，傳動(dòng)比為1∶1，有中心距公式：

a=p[（L - z1+z2）+ （L - z1+z2）2-8 （ z2- z1）2] （1）
4p2p22π

式中：中心距a為450 mm。

筆者選擇了06c-1 35型鏈，其鏈節(jié)數(shù)Lp為：

式中：z1、z2分別為兩鏈輪的齒數(shù)；圓整后的鏈節(jié)數(shù)Lp為116節(jié)。

▲圖1 結(jié)構(gòu)簡圖

▲圖2 傳動(dòng)柱簡圖

▲圖3 后輪柱簡圖

鐮刀和鏈節(jié)具有相同的數(shù)目，首先將金屬薄型材料落料成長方形刀片，再機(jī)磨刀片非刃邊，接著壓背，而后依次加工過程是：淬火、回火、手工磨刃、拋光和清洗。為使刀片強(qiáng)度更高且不易產(chǎn)生變形，在每個(gè)刀片的非刃邊上焊接與刀片等長且垂直于刀片的薄型板，此薄型板的強(qiáng)度不易發(fā)生彎曲變形即可，然后在此薄型板上反向焊接一塊同鏈的外鏈板，將其夾固在外鏈板和內(nèi)鏈板之間，將此鐮刀的所有易產(chǎn)生較大應(yīng)力的垂直處用加強(qiáng)筋加固，如此，鐮刀便已制作完成。

當(dāng)安裝好刀片的收割機(jī)沿著作物壟行走時(shí)，散亂的簇生作物將在撥禾片的作用下，沿著撥禾片的內(nèi)壁被扶正，進(jìn)入剪切區(qū)。隨著機(jī)器的前行，作物被同步帶緩緩?qiáng)A住，被同步帶夾住后的作物就不會(huì)出現(xiàn)倒伏、傾斜等阻礙作物剪切的問題。當(dāng)在動(dòng)力作用下鏈輪帶動(dòng)鏈條運(yùn)動(dòng)時(shí)，安裝在鏈條外鏈板和內(nèi)鏈板之間的刀片運(yùn)行，在收割機(jī)前部的兩個(gè)傳動(dòng)柱上的鐮刀嚙合處形成剪切，逐步完成韭菜的切割動(dòng)作。

2.4 輸送帶的設(shè)計(jì)

輸送帶的設(shè)計(jì)也是本產(chǎn)品的一大亮點(diǎn)，該韭菜收割機(jī)，采用了同步齒型帶傳動(dòng)，如圖 2的傳動(dòng)柱所示。同步帶具有傳動(dòng)功率大、運(yùn)行平穩(wěn)、工作噪聲小、無需潤滑等多種優(yōu)點(diǎn)，由于該設(shè)備中的帶傳動(dòng)傳遞功率較大，但傳遞速率較小，前后傳動(dòng)柱的距離為450 mm左右，為了減少帶與帶齒的磨損，所以同步帶的選擇型號(hào)為30xl。齒數(shù)為30，節(jié)徑為48.51 mm，外徑為48 mm，擋邊直徑為51 mm，擋邊內(nèi)經(jīng)3 mm，擋邊厚度為1 mm的同步帶。

如圖1所示，該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)充分應(yīng)用了傳動(dòng)柱的結(jié)構(gòu)，在傳動(dòng)柱的兩頭各設(shè)計(jì)了一段同步帶輪，當(dāng)機(jī)器在人力推動(dòng)下，動(dòng)力傳遞到傳動(dòng)柱，傳動(dòng)柱進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)左右、上下4條同步帶同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)韭菜被剪斷時(shí)，韭菜被左右上下4條、兩對(duì)同步帶同時(shí)夾緊，傳送過去，直到機(jī)器尾部離開嚙合區(qū)。當(dāng)所種韭菜較稀疏時(shí)，或者韭菜長勢較弱小夾不緊時(shí)，鐮刀發(fā)揮其另一個(gè)作用——托住韭菜防止下漏。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)鐮刀的優(yōu)點(diǎn)還在于其前部兩個(gè)傳動(dòng)柱進(jìn)入嚙合區(qū)后，鐮刀將持續(xù)保持嚙合狀態(tài)，直到機(jī)器在尾部傳動(dòng)柱，嚙合打開。

▲圖4 鐮刀結(jié)構(gòu)簡圖

所設(shè)計(jì)的輸送帶不僅能保證所種韭菜較稠密時(shí)的傳輸問題，還能完美地解決長勢較弱韭菜的傳輸。

2.5 傳輸帶的固定

在整個(gè)機(jī)器的上方有一塊上蓋板，其上四角處各有一個(gè)螺紋孔，分別用來固定支撐傳動(dòng)柱T型固定桿，4根T型桿與上蓋板用螺紋連接。收割機(jī)尾部的2個(gè)T型固定桿上各套有1根傳動(dòng)柱，與上蓋板螺紋連接，T型桿的下端，有水平托臺(tái)用來托住鏈條，防止在傳動(dòng)鐮刀運(yùn)作的過程中出現(xiàn)脫鏈等問題。此外，機(jī)器前端和尾部之間的T型桿中間布置有一個(gè)連桿，連桿的中間位置設(shè)置了一個(gè)張緊輪，用于張緊鏈條，防止鏈條脫鏈，或者鏈條老化后出現(xiàn)脫鏈的問題等。

3 實(shí)驗(yàn)效果

此收割機(jī)經(jīng)實(shí)地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，鐮刀工作時(shí)，所剪切的韭菜茬高度隨韭菜地的高度不同而不同，韭菜壟有凹坑時(shí)，割茬最大高度為10 mm。當(dāng)韭菜壟有凸嘴時(shí)，韭菜割茬最小高度將在0～5 mm內(nèi)（以韭菜根與葉的分界處為基準(zhǔn)0），正常割茬高度為5 mm。但是，韭菜地過于不平坦（100 mm的取樣長度內(nèi)的地表最大高度Ry的平均值為50 mm以上）時(shí)，韭菜割茬高度將會(huì)在0～15 mm內(nèi)變化，此時(shí)應(yīng)該時(shí)刻注意設(shè)備的檢查與調(diào)整，保證鐮刀的鏈盒密封，防止泥土進(jìn)入鐮刀，影響切割效果。

正常人的行走速度為5～7 km/h即1.39～1.94 m/s，當(dāng)一個(gè)行走速度為6 km/h的使用者推動(dòng)此韭菜收割機(jī)時(shí)，其切割速度約為4 km/h，而一般大棚里行距為180 mm的韭菜，單壟產(chǎn)量平均為0.5 kg/m。如果使用者以4 km/h的速度不停息地進(jìn)行作業(yè)1 h，那么本收割機(jī)的切割量為2 000 kg。而每畝大棚行距為180 mm的韭菜每茬的產(chǎn)量約為1 000～2 000 kg。也就是說，使用此韭菜收割機(jī)，一畝的韭菜將在不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)割完。

4 結(jié)束語

韭菜收割機(jī)作為一款需求量較大的小型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備。其設(shè)計(jì)性能的優(yōu)劣直接影響到機(jī)器是否實(shí)用。筆者開發(fā)的小型收割機(jī)的刀片能緊貼地面，割完的韭菜茬離地高度較低。其次，裝備完全使用人力推動(dòng)驅(qū)動(dòng)的純機(jī)械設(shè)計(jì)，大大降低設(shè)計(jì)及其使用和維修費(fèi)用，成本較低，批量生產(chǎn)將更加便宜，還可以較大程度地提高農(nóng)戶的收益，具有較高的推廣價(jià)值。

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