背負(fù)式大白菜收獲機(jī)的研制

李向軍，趙大勇，張寶庫(kù)，王明軍

（哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150029）

目前我國(guó)大白菜的生產(chǎn)和收獲主要依靠人工進(jìn)行。尤其是大白菜收獲作業(yè)，人工先要用菜刀等工具將大白菜根部切斷，然后再揀拾、擺放、裝車運(yùn)輸?shù)?，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，浪費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力，而且工作效率十分低下，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)需要。國(guó)內(nèi)在大白菜機(jī)械化收獲方面的研究非常少，由于各地區(qū)種植模式和各品種大白菜物理特性及幾何形狀的不同，現(xiàn)有幾種機(jī)型專用性強(qiáng)、通用性差，且存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、智能化程度低、作業(yè)時(shí)易堵塞等問題，難以保證大白菜收獲質(zhì)量。為此，在分析我國(guó)大白菜機(jī)械化收獲技術(shù)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研制出一種適用于黑龍江地區(qū)大白菜種植模式的收獲機(jī)，該機(jī)具可以快速完成切根、撿拾、擺放、裝車運(yùn)輸?shù)榷囗?xiàng)作業(yè)，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了大白菜的收獲效率，彌補(bǔ)了大白菜機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域的空白。

1　總體設(shè)計(jì)及工作過程

1.1　整體結(jié)構(gòu)

背負(fù)式大白菜收獲機(jī)主要由自動(dòng)仿形機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、裝車機(jī)構(gòu)、主體框架、液壓傳動(dòng)總成等部分組成（如圖1所示），一次進(jìn)地能夠完成自動(dòng)仿形夾持、切割、縱向運(yùn)輸、橫向運(yùn)輸、側(cè)向裝車等多項(xiàng)作業(yè)。

圖1　背負(fù)式大白菜收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1　Overall structural diagram of knapsack cabbage harvester

1.2　工作過程

該機(jī)具的工作過程為：用兩邊對(duì)稱的夾持機(jī)構(gòu)扶正并夾持住大白菜，用對(duì)稱放置的高速旋轉(zhuǎn)圓盤切刀將大白菜根部切斷，經(jīng)升運(yùn)機(jī)構(gòu)將大白菜運(yùn)輸?shù)饺斯焓暗墓ぷ鲙希扇斯し诌x處理，然后或裝箱或由裝車機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝車，完成大白菜的收獲作業(yè)。

1.3　技術(shù)參數(shù)

該機(jī)具的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　主要技術(shù)參數(shù)Table 1　Main technical parameter

2　主要工作部件的設(shè)計(jì)

2.1　夾持機(jī)構(gòu)

夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于大白菜葉含水率較大，收獲時(shí)容易破碎，所以采用厚度H＝15 mm、寬度B＝80 mm、長(zhǎng)度L＝1 700 mm的兩條高密度柔性皮帶進(jìn)行夾持，既能穩(wěn)穩(wěn)夾住大白菜進(jìn)行運(yùn)送，又能保護(hù)大白菜不受損壞，保證收獲后大白菜的外觀質(zhì)量。根據(jù)黑龍江省大白菜種植品種現(xiàn)狀，多數(shù)大白菜的質(zhì)量為4 kg/顆左右。由于大白菜質(zhì)量較大，在收獲時(shí)皮帶容易脫落；同時(shí)，在收獲過程中難免有白菜葉落入夾持主動(dòng)輪和皮帶中間，經(jīng)過擠壓后滲出大量水分，導(dǎo)致皮帶出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。針對(duì)以上兩種情況，在皮帶中間位置加裝一條齒狀C型帶，既能導(dǎo)向防止皮帶豎向下滑，又能強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)皮帶防止打滑現(xiàn)象發(fā)生。

圖2　夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2　Structural diagram of clam ping device

2.2　切割機(jī)構(gòu)

切割機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來源于2個(gè)液壓馬達(dá)，工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)切割盤進(jìn)行切割作業(yè)。切割盤采用2個(gè)缺口圓盤，直徑D＝350 mm、曲率半徑ρ＝600 mm、厚度δ＝3 mm。該圓盤起到兩方面作用：一是對(duì)白菜根部進(jìn)行切割；二是利用圓盤弧面與地表接觸起到限深作用，保證白菜根部切削一致。切割機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　切割機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3　Structural diagram of mechanism of cutting device

2.3　升運(yùn)機(jī)構(gòu)

升運(yùn)機(jī)構(gòu)的升運(yùn)角θ＝25°。為有效防止大白菜在升運(yùn)過程中向下滾動(dòng)，采用凸凹式桿條輸送鏈（如圖4所示），2個(gè)凸桿條的安裝間距為356 mm，中間均勻分布3個(gè)凹桿條，凸凹桿的上下間距為52 mm。根據(jù)黑龍江主要大白菜品種的外形尺寸，多數(shù)大白菜直徑D＝350 mm，所以設(shè)定輸送鏈的寬度B＝381 mm。

圖4　升運(yùn)鏈結(jié)構(gòu)示意圖Figure 4　Structural diagram of the lifting chain

2.4　運(yùn)輸機(jī)構(gòu)

輸送帶的運(yùn)行速度是大白菜收獲機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù)之一。當(dāng)帶寬一定時(shí)，輸送量越大，帶速越要降低，尤其是傾角較大的輸送裝置。根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求，設(shè)定輸送傾角 θ＝10 °、 帶速 v＝0.4 m/s，輸送帶規(guī)格長(zhǎng)×寬＝6 300 mm×500 mm，且輸送帶表面貼有間距350 mm、尺寸350 mm×30 mm的擋條，以防止大白菜向下滾動(dòng)。由于大白菜質(zhì)量較小，所以輸送機(jī)構(gòu)的功率消耗較小，輸送機(jī)構(gòu)的功率主要消耗在大白菜運(yùn)輸及滾筒自身的轉(zhuǎn)動(dòng)方面。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，輸送帶上可運(yùn)載30 kg的大白菜。大白菜受力情況如圖5所示，則有：F＝G cos10≈30（N），所以運(yùn)輸白菜消耗的功率為：p＝Fv＝30×0.4＝0.012（kW）

圖5　輸送帶上大白菜的受力圖Figure 5　Stress diagram of cabbage on conveyor belt

輸送帶滾筒按作用的不同，可分為驅(qū)動(dòng)滾筒和從動(dòng)滾筒。該機(jī)具設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)和從動(dòng)滾筒結(jié)構(gòu)相同，包角為180°，主體直徑為80 mm，長(zhǎng)度為510 mm，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　滾筒結(jié)構(gòu)示意圖Figure 6　Structural diagram of the roller

可得滾筒驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n為：

式中：n為滾筒驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速；v為帶速；d為滾筒直徑。

3　性能試驗(yàn)

背負(fù)式大白菜收獲機(jī)設(shè)計(jì)制造完成后，在哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院白菜種植基地進(jìn)行田間性能試驗(yàn)（如圖7所示）。該機(jī)具采用紐荷蘭110-90拖拉機(jī)進(jìn)行3點(diǎn)掛接。試驗(yàn)效果表明：所設(shè)計(jì)的收獲機(jī)能夠滿足白菜的收獲要求；其工作效率是人工效率的4倍。

圖7　大白菜收獲機(jī)田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Figure 7　Field test of cabbage harvester

4　結(jié)語(yǔ)

背負(fù)式大白菜收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，具有很高的收獲完整度，能滿足行距65～70 cm、株距35～45 cm的單行種植大白菜的收獲要求。田間性能試驗(yàn)結(jié)果證明該機(jī)具具有以下特點(diǎn)：1）采用拖拉機(jī)三點(diǎn)掛接，地頭轉(zhuǎn)彎半徑小，操作靈活，適于大中小不同地塊的大白菜收獲作業(yè)。2）圓盤切刀在切割的同時(shí)利用其弧面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)仿形，保證大白菜根部切削長(zhǎng)度一致。3）一次進(jìn)地可以完成夾持、切割、分選、集裝等多項(xiàng)工作，實(shí)現(xiàn)大白菜的高效、高質(zhì)量收獲作業(yè)。4）所設(shè)計(jì)的液壓控制系統(tǒng)工作平穩(wěn)可靠，滿足收獲機(jī)的要求。

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