葉類蔬菜通用收獲機的設(shè)計

徐少華　孫登峰　陳建華等

摘要：針對我國蔬菜收獲仍然屬于手工收獲、勞動強度極大且工作效率低的現(xiàn)狀，設(shè)計了莖葉類蔬菜通用收獲機械。該機械具有操作簡單、效果好等特點。重點介紹了莖葉類蔬菜收獲機的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理、技術(shù)參數(shù)。目前該機具已通過試驗驗證，完成了預定功能。

關(guān)鍵詞：葉莖類蔬菜；收獲機；設(shè)計

中圖分類號： S225.92 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）03-0365-03

我國是蔬菜生產(chǎn)大國，隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對蔬菜生產(chǎn)機械的需求日益迫切。近年來，設(shè)施蔬菜生產(chǎn)已經(jīng)遍布全國各地，蔬菜育苗移栽技術(shù)取得重大突破，灌溉和植保技術(shù)突飛猛進，但是，蔬菜收獲環(huán)節(jié)的機械化進展緩慢，特別是葉類蔬菜的收獲機械化尚屬空白。2008年，蔬菜播種面積增加到1.864×107 hm2，且每年以7%速度增長，其中，葉菜類作物的播種面積是6.057×106 hm2，占總播種面積的32.5%，產(chǎn)量占蔬菜總產(chǎn)量的30.5%。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，廣大民眾對新鮮蔬菜的需求逐年上升，部分省市新鮮蔬菜價格居高不下，且供不應求，歸其原因主要是菜農(nóng)不能及時將田間蔬菜收獲。在整個葉類蔬菜的生產(chǎn)過程中，收獲與加工作業(yè)約占整個作業(yè)勞動量的60%以上。收獲作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到蔬菜的儲存、加工和銷售，從而影響市場價格和經(jīng)濟效益。由于收獲作業(yè)的復雜性，收獲作業(yè)的自動化程度還很低。目前，國內(nèi)葉菜的收獲作業(yè)主要依靠人工完成，需要勞動者不停地彎腰，勞動強度大。因此，發(fā)展機械化收獲技術(shù)、研究開發(fā)葉菜收獲機械具有重要意義[1]。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究結(jié)合國內(nèi)外葉類蔬菜收獲機的發(fā)展趨勢，從符合我國國情的葉類蔬菜收獲機設(shè)計制造的關(guān)鍵技術(shù)中凝練科學問題，采取理論研究、規(guī)律探索與實驗驗證相結(jié)合、前沿技術(shù)研究與工程應用示范相結(jié)合的方式，集中和融合科研院所和裝備制造企業(yè)各自的優(yōu)勢，開展葉類蔬菜收獲機設(shè)計制造的關(guān)鍵科學理論和核心設(shè)計制造技術(shù)研究。該研究成果將直接推動我國蔬菜收獲機械化。其總體技術(shù)路線見圖1[2-5]。

1.1 葉類蔬菜收獲機的結(jié)構(gòu)

該機具收割的對象為莖葉類蔬菜。主要分為蔬菜收割部分、蔬菜收集部分和行走控制部分?？傮w設(shè)計方案如圖2所示，具體部件分為：操作手把桿、 蔬菜收集箱、后固定輪、發(fā)動機、變速齒輪箱、鼓風系統(tǒng)、切割齒輪箱、割刀、機架、前浮動輪等10個部件組成。

1.2 蔬菜收獲機的工作原理

由發(fā)動機提供割刀收割蔬菜和鼓風機收集已收割蔬菜的

[FK（W15][TPXSH1.tif]

兩方面動力，利用調(diào)速齒輪箱對輸出的轉(zhuǎn)速進行調(diào)整至合適的速度。通過曲軸和凸輪的有效配合來控制割刀的開合，從而完成蔬菜的收割工作。當蔬菜被割刀切斷后，固定在割刀前上方的吹風孔吹著被割下的蔬菜并將蔬菜收到收割臺上，進而對已經(jīng)收割的蔬菜進行收集，最終完成蔬菜的收割工作。

1.3 機具的結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）設(shè)計高度、角度均可調(diào)的水平割刀，達到高效、地毯式割盡的目的。為了適應在不同的田塊里均能夠?qū)崿F(xiàn)從葉類蔬菜根部地毯式切割，本研究所設(shè)計的機具采用高度和角度均可調(diào)節(jié)的水平割刀，每把割刀根據(jù)種植地面的坡度實現(xiàn)角度與高度的調(diào)節(jié)，并優(yōu)化最佳切割角度（圖3）。發(fā)動機的動力輸出通過調(diào)速齒輪箱、曲軸與凸輪的有效配合，合理地輸出切割力及切割頻率等參數(shù)，這樣可以保證蔬菜切割齊整，留茬深淺一致，不但有利于蔬菜整齊收獲，而且方便田塊后續(xù)作業(yè)。

（2）設(shè)計輪式行走機構(gòu)以滿足不同寬度田間作業(yè)要求，行走輪間距方便可調(diào)。由于葉類蔬菜種植模式為壟上種植，收獲方式必然是一壟一收，保證葉類蔬菜收獲機收獲行駛的直線是必要的，因此，這給行走底盤的設(shè)計有了更高的要求。本研究設(shè)計的行走輪為前輪浮動可調(diào)，可以根據(jù)田塊的平整程度上下自動調(diào)整，從而保證機具在工作的時候蔬菜切割整齊，對割刀也起到有利的保護作用。由于使用的是導向輪，機具在行走過程中可以根據(jù)地壟直線要求進行靈活的調(diào)整，從而保證機具的行走輪始終保持在壟溝中。為了滿足不同作物的農(nóng)藝要求，本機具所設(shè)計的輪心距可調(diào)。

（3）設(shè)計輸送裝置起落架與微調(diào)裝置并聯(lián)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)輸送裝置與切割刀的高度調(diào)節(jié)。葉類蔬菜收獲機的田間轉(zhuǎn)向靈活與平地行駛方便是現(xiàn)代蔬菜收獲機發(fā)展的一個亮點。設(shè)計的輸送裝置起落架與微調(diào)裝置并聯(lián)控制系統(tǒng)可實現(xiàn)收獲裝置高度的調(diào)節(jié)，使其脫離地面，該系統(tǒng)使得機具行駛更為靈活，田間調(diào)頭更為快捷，減少駕駛員操作難度，提高機具工作效率。

1.4 設(shè)計的驗證和改進

本項目的研發(fā)體現(xiàn)了產(chǎn)學研的充分結(jié)合，設(shè)計工作由農(nóng)業(yè)部門組織科研院校與南通富來威農(nóng)業(yè)裝備有限公司共同完成，使用了成熟的技術(shù)。零部件的加工來自富來威公司及江浙一帶設(shè)備先進、質(zhì)量保證體系完善的機械加工企業(yè)，以保證零件的質(zhì)量。但是，在實際試制生產(chǎn)和田間試驗過程中，也暴露了產(chǎn)品的一些問題。針對存在的問題進行了一些改進：（1）風機，原先選用的是青島一家風機企業(yè)生產(chǎn)的風機，這種風機結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟而且價格便宜，試驗結(jié)果表明，這種風機為立式時會對發(fā)動機及整機的安裝配套帶來不便，而且此風機外罩材料為鑄鋼材料，整體笨重，操作不方便，風壓也達不到要求，為此，改變了設(shè)計思路，按照任務書的設(shè)計要求和市場上發(fā)動機規(guī)格型號及相關(guān)零件的配合尺寸重新設(shè)計合適的風機，并通過模具來保證尺寸要求；（2）第一輪設(shè)計制造的樣機主要用于菠菜、白菜等平地種植形式的蔬菜收割，對于生長在壟上的蔬菜（如食用紅薯葉）該機具卻無法進行收割，為了提高此機具的適用能力，改進了地輪行走及調(diào)節(jié)機構(gòu)，增加其調(diào)節(jié)高度的范圍，不但可以在平地上進行收割而且也可以在壟上進行收割，從而拓寬了機具的使用性能。

2 機具主要技術(shù)參數(shù)及性能指標

本研究通過2～3輪樣機的試制試驗獲得較理想的葉類蔬菜通用收獲機，可實現(xiàn)葉類蔬菜地毯式切割，其技術(shù)在國內(nèi)領(lǐng)先，可提高江蘇省葉類蔬菜收獲機械化水平，加快與國際先進技術(shù)的接軌。設(shè)備各項技術(shù)參數(shù)及指標如下：endprint

2.1 技術(shù)指標

作業(yè)能力：0.33～0.40 hm2/h；收 獲 率：≥98%；配套動力：18.4 kW；行駛速度：0.2～0.3 m/s。

2.2 經(jīng)濟指標

（1）機械收獲費用比人工收獲費用降低60%；（2）作業(yè)效率比傳統(tǒng)機具效率高50%以上；（3）形成年生產(chǎn)300臺的生產(chǎn)能力；（4）制定葉類蔬菜通用收獲機的操作規(guī)程和相關(guān)標準。

3 葉類蔬菜收獲試驗情況

2013年6月19日在江蘇省海門市海門鎮(zhèn)文明村蔬菜種植基地進行莖葉類蔬菜收獲機性能試驗。該大棚占地約004 hm2，規(guī)格為8 m×50 m。收獲的品種為白菜，整體收獲情況良好，留茬整齊，高度在3～5 cm。收獲過程中對白菜的莖葉損壞情況較小，使用靈活，操作方便。但是也暴露出了一些問題：一是此收獲機的收獲形式為無序收獲，收割完的蔬菜是雜亂無序的，蔬菜的后續(xù)整理工作量很大，此問題是由該機具結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定的，如果要滿足有序收獲，機具的結(jié)構(gòu)形式要進一步改善；二是由于機具是在平地上進行收割，行走輪是在蔬菜田里行走，不是在壟溝內(nèi)行走，該大棚種植前期沒有考慮機械收獲，種植的時候是成片種植，沒有預留機具行走的壟溝，機具在菜地里行走時，田塊本身不平整，車輪有時軋到白菜，給機具行走帶來一定的困難，所以如果要考慮使用機具收獲，那么在蔬菜的種植前期就應該為機具預留收獲時行走的壟溝。

通過幾次試驗情況下來機具的整體適用性還算良好，不管從機具收獲的質(zhì)量、留茬的高度、對蔬菜莖葉的損壞情況，還是機具的工作效率、操作的方便靈活性都完全達到預期設(shè)計目標。但是由于蔬菜機械化收獲是系統(tǒng)工程，單是從收獲一個環(huán)節(jié)無法徹底解決問題。所以在整田種植的開始環(huán)節(jié)就應該考慮機械的收獲，為后續(xù)的收獲工作做好準備，讓蔬菜種植的農(nóng)藝與農(nóng)機充分結(jié)合，只有這樣機械才能充分發(fā)揮其性能，很好地完成每一次收獲工作。

4 收獲機主要特點

采用輪式后輪導向前輪驅(qū)動底盤系統(tǒng)，利于采用發(fā)動機前置前驅(qū)，使收獲機整體結(jié)構(gòu)緊湊，且能有效保證收獲機沿直線行駛，不偏離蔬菜種植田塊。

采用高度和角度可調(diào)、可換的水平割刀，將葉類蔬菜地毯式切斷，保證葉類蔬菜收獲干凈；水平割刀可換能使收獲機在保證收獲質(zhì)量的情況下對不同收獲要求的蔬菜進行收獲。

葉類蔬菜收獲機的田間轉(zhuǎn)向靈活與平地行駛方便是現(xiàn)代蔬菜收獲機發(fā)展的一個亮點，設(shè)計的輸送裝置液壓起落架與液壓微調(diào)裝置并聯(lián)控制系統(tǒng)實現(xiàn)收獲裝置的高度調(diào)節(jié)，使其脫離地面。該系統(tǒng)使得機具行駛更為靈活，減少駕駛員操作難度，增加機具工作效率。

5 結(jié)論

本研究所設(shè)計的莖葉類蔬菜收獲機經(jīng)過初步試驗能夠完成預定的設(shè)計功能，實現(xiàn)莖葉類蔬菜的機械化收獲。收獲的效率為 0.33～0.40 hm2/h，是人工收獲的數(shù)十倍，并且機具具有結(jié)構(gòu)簡單、操作維修方便等優(yōu)點。該機具的設(shè)計研究對于提高蔬菜收獲的作業(yè)效率、降低勞動強度、促進蔬菜種植全程機械化的進程，加快我國高效設(shè)施農(nóng)業(yè)前進的步伐有著十分重要的意義。

參考文獻：

[1]王 俊，杜冬冬，胡金冰，等. 蔬菜機械化收獲技術(shù)及其發(fā)展[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45（2）：81-87.

[2]王志強，郭維俊，王芬娥，等. 4YB-Ⅰ型甘藍收獲機的總體設(shè)計[J]. 甘肅農(nóng)業(yè)大學學報，2011，46（3）：126-130.

[3]譚洪祥. 加工番茄果秧分離裝置的試驗研究[D]. 石河子：石河子大學，2012.

[4]胡志超，Peng B L，尹文慶，等. 多功能根莖類作物聯(lián)合收獲機設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2008，39（8）：58-61.

[5]姚會玲. 大白菜收獲機關(guān)鍵部件的研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2007.endprint