小型葉類蔬菜收獲機(jī)的設(shè)計(jì)

王 歡 況威權(quán) 孫 濤

（南昌工程學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江西 南昌330099）

我國是蔬菜大國，蔬菜種植種類居世界首位，蔬菜產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的60%左右[1]。目前，大多數(shù)青菜的收獲一般均采用人工采收，勞動(dòng)強(qiáng)度大、收獲效率低。隨著葉類蔬菜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和農(nóng)村勞動(dòng)力的短缺，研制開發(fā)葉類蔬菜采收機(jī)械，特別是機(jī)械化有序收獲，具有重要意義。

1 葉類蔬菜收獲機(jī)的整體方案設(shè)計(jì)

葉類蔬菜收獲機(jī)主要由收割模塊、夾取模塊、行走模塊、輸送模塊、高度調(diào)節(jié)模塊、五大模塊組成，收割模塊主要由鏈?zhǔn)窖h(huán)切刀、固定擋板組成，夾取模塊主要由夾取輸送帶、擋菜板、兜底板組成，輸送模塊主要由輸送帶、滾筒、滾軸組成，行走模塊主要由機(jī)架、履帶組成，高度調(diào)節(jié)模塊主要由支撐軸、旋轉(zhuǎn)支座、絲杠組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 葉類蔬菜收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

其工作原理為：蔬菜進(jìn)入機(jī)器的收集范圍，此時(shí)夾取輸送帶將蔬菜往機(jī)器內(nèi)部輸送，與此同時(shí)鏈?zhǔn)窖h(huán)切刀將蔬菜根部切斷，擋菜板將擋住蔬菜，防止蔬菜在鏈?zhǔn)窖h(huán)切刀的作用下產(chǎn)生偏移，之后夾取輸送帶將被切根的蔬菜運(yùn)入輸送裝置中，輸送裝置將蔬菜進(jìn)行規(guī)整，從而實(shí)現(xiàn)有序收獲。

2 葉類蔬菜收獲機(jī)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

2.1 收割模塊的設(shè)計(jì)

目前收獲機(jī)械的切割裝置一般采用往復(fù)式切割器和回轉(zhuǎn)式切割器。往復(fù)式切割器主要優(yōu)點(diǎn)在于整個(gè)切割過程連續(xù)化，切割性能較好，但其工作中會(huì)產(chǎn)生較大的往復(fù)慣性力，對(duì)機(jī)器的前進(jìn)速度也有一定的限制?；剞D(zhuǎn)式切割器主要優(yōu)點(diǎn)在于切割能力強(qiáng)，適用于高速作業(yè)中，且回轉(zhuǎn)慣性較小，工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)較小，但這種切割器受圓盤直徑的限制，割幅較窄，切割率較低，并且動(dòng)刀片的壽命短，維修費(fèi)用高[2]。

本文采用了一種鏈?zhǔn)窖h(huán)切刀，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，支撐桿用以固定鏈輪且便于連接至收獲機(jī)器主體上去，切割刀片固定于傳動(dòng)鏈上，鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)切割刀片進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而固定擋板則其一定的固定作用，防止切割刀片發(fā)生較大的偏移。該切割裝置綜合了回轉(zhuǎn)式切割器與往復(fù)式切割器的優(yōu)點(diǎn)，利用鏈刀的高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜根部的切割，切割力較強(qiáng)，切割效率高，并且由于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的靈活性，在遭遇雜物時(shí)可自動(dòng)偏離，不會(huì)對(duì)刀具造成較大的損壞，減少刀具在切割過程的損傷。除此之外，鏈?zhǔn)窖h(huán)切刀割幅大，可一次收集一排蔬菜，且其循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，易實(shí)現(xiàn)收獲過程的連續(xù)化，大大提高了收集效率，并且配合固定擋板，可減少鏈傳動(dòng)在工作過程的振動(dòng)，防止切割刀片的過度偏移。

圖2 鏈?zhǔn)窖h(huán)切刀

2.2 夾取模塊的設(shè)計(jì)

夾取模塊的作用主要在于將引導(dǎo)蔬菜作物向切割裝置靠近，在切割裝置切割時(shí)起一定的固定作用，將被切割后的蔬菜引導(dǎo)進(jìn)入輸送裝置上。目前蔬菜收獲機(jī)械上采用的輔助裝置主要為撥禾輪和帶式夾持機(jī)構(gòu)。撥禾輪其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，但其在工作過程中對(duì)蔬菜的損傷較大，且難以實(shí)現(xiàn)有序收獲[3]。帶式夾持機(jī)構(gòu)輔助切割器進(jìn)行切割的同時(shí)將收獲后的蔬菜向機(jī)器內(nèi)部輸送，可實(shí)現(xiàn)有序收獲，但在工作過程中可能會(huì)因?yàn)槟Σ亮Χ鴮?duì)蔬菜造成損傷，且成本較高[4]。

本文以帶式夾持機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種新型夾取裝置，該裝置由夾取輸送帶、擋菜板、兜底板和柔性橡膠管（也可以是柔性橡膠板）組成，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于設(shè)計(jì)較大的開口，可以容納大部分蔬菜進(jìn)入，通過調(diào)整擋菜板的距離來適應(yīng)蔬菜的直徑大小，具有良好的適用性。并且蔬菜輸送過程是利用柔性橡膠管與擋菜板間的支撐進(jìn)行，取代帶式夾持裝置的摩擦力傳輸，可減少蔬菜在輸送過程中的損傷，且可實(shí)現(xiàn)有序收獲，其工作原理如圖4 所示。

圖3 夾取模塊

圖4 夾取模塊工作原理圖

經(jīng)測(cè)定，在夾取機(jī)構(gòu)傾角為20°時(shí)，作用于菠菜上的力最小，此時(shí)進(jìn)行夾取輸送對(duì)菠菜的損傷最小，且更為省力，故應(yīng)將夾取模塊與水平地面成20°安裝。

2.3 行走模塊的設(shè)計(jì)

蔬菜收獲機(jī)械需要邊移動(dòng)邊進(jìn)行工作，而大多葉類蔬菜的種植地土壤均較為濕潤，且地面多為起伏，工作環(huán)境較為復(fù)雜。符合蔬菜收獲機(jī)械要求的行走應(yīng)符合下列要求：（1）對(duì)蔬菜種植地的土壤破壞較小，具有良好的通過能力；（2）在工作時(shí)應(yīng)能靈活轉(zhuǎn)向，可適應(yīng)各類復(fù)雜工作環(huán)境的行走要求；（3）行走時(shí)應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性，保證蔬菜收獲機(jī)械可自主穩(wěn)定工作。

目前大多數(shù)蔬菜收獲機(jī)械均采用輪子和履帶兩種行走裝置。采用輪子行走裝置轉(zhuǎn)向靈活，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，且行走阻力較小，經(jīng)濟(jì)耐用，但其在多泥土的工作環(huán)境下易沾泥，穩(wěn)定性較差，安全性不足；而履帶行走裝置可適應(yīng)于各類復(fù)雜工作環(huán)境的運(yùn)動(dòng)，對(duì)蔬菜種植地的土壤破壞較小，具有良好的通過能力，且其在行走時(shí)具有十分優(yōu)良的穩(wěn)定性，方便遙控其自主工作。

考慮到本機(jī)器體積較小，質(zhì)量較輕，且需采用遙控控制，要求工作穩(wěn)定性高，且機(jī)器需要有較好的適用性，能在各類復(fù)雜環(huán)境下工作，故本機(jī)器采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。為克服傳統(tǒng)履帶式行走的缺點(diǎn)，本文采用無接頭橡膠履帶進(jìn)行工作，無接頭橡膠履帶具有速度快、噪音低、振動(dòng)小、牽引力大等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，且行走過程中不損壞地面，接地比壓小，且具有高強(qiáng)度拉伸力和長久的使用壽命[5]。

2.4 輸送模塊的設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)機(jī)械中輸送物料的輸送方式一般有鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)及氣力傳動(dòng)。而帶傳動(dòng)因其工作平穩(wěn)可靠、噪聲小、對(duì)蔬菜表面損傷低等特點(diǎn)，成為蔬菜收獲機(jī)械上輸送的主要方式[6]。目前蔬菜收獲機(jī)械上的輸送裝置一般采用傾斜單帶式輸送器，針對(duì)不同的蔬菜品種，具有不同的傾斜角度，一般均為15°～30°之間，不具有適用性，且會(huì)增加機(jī)器的功耗，并且利用傾斜單帶式輸送器的蔬菜收獲機(jī)械收獲后的蔬菜都較為散亂，難以實(shí)現(xiàn)有序收獲。

圖5 履帶式行走機(jī)構(gòu)

經(jīng)過夾取模塊后的蔬菜呈豎直放置，若直接掉落在地面上會(huì)十分散亂，不能實(shí)現(xiàn)完整意義上的有序收獲。考慮上述問題，本機(jī)器采用水平單帶式輸送器，并且在帶式輸送器上方加裝固位擋板，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示。為了減少蔬菜輸送過程中的損傷，輸送帶采用柔性橡膠皮帶，且可在表面附著一層太空棉，固位擋板可對(duì)蔬菜進(jìn)行規(guī)整，方便輸送后人工直接收集處理。

圖6 水平單帶式輸送器

考慮蔬菜種植地一般是人工平整，表面凹凸不平，高度不一，為了使整個(gè)裝置具有較好的適用性，可以收獲各類農(nóng)藝不同的蔬菜，需要在裝置上加裝高度調(diào)節(jié)裝置。目前常用的高度調(diào)節(jié)裝置主要是電機(jī)加滾珠絲杠調(diào)節(jié)，滾珠絲杠調(diào)節(jié)具有精度高、穩(wěn)定性好、剛度高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等多個(gè)特點(diǎn)，且在傳動(dòng)過程中無爬行現(xiàn)象，具有較為優(yōu)良的調(diào)節(jié)特性。

3 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的葉類蔬菜收獲機(jī)械具有較好的穩(wěn)定性、快速性、適應(yīng)性等特點(diǎn)，操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)較高自動(dòng)化。五大模塊，相互之間協(xié)同工作，大大的提高了生產(chǎn)率，為研發(fā)蔬菜收獲機(jī)器人及實(shí)現(xiàn)低損傷、有序收獲等蔬菜采收技術(shù)提供了參考。