小型大白菜收獲機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高艷紅

（唐山學(xué)院河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063000）

大白菜原產(chǎn)于我國，具有豐富的營養(yǎng)價(jià)值，是我國北方冬季的主要蔬菜，在全國范圍內(nèi)也是人們?nèi)粘Ｉ钪邢矏鄣氖卟酥唬蟀撞嗽谖覈姆N植面積也是最大的。目前，大白菜的種植地主要分布在河北、黑龍江、遼寧、山東、廣西、河南等地，隨著工業(yè)4.0的興起，蔬菜的機(jī)械化生產(chǎn)收獲方式越來越受到國家的重視[1]，大白菜的收割方式也逐步向機(jī)械化作業(yè)方向發(fā)展。在大面積的平地上種植大白菜，可由拖拉機(jī)進(jìn)行翻地、平地、起壟、播種、收割等連續(xù)機(jī)械作業(yè)，但在白菜的收獲過程中，人工作業(yè)量仍占到整個(gè)作業(yè)量的40%左右。而我國農(nóng)村田地大多數(shù)為小農(nóng)戶、小地塊種植模式，隨著城市化進(jìn)程的加快，農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，對(duì)于小農(nóng)戶、小地塊的大白菜收獲更為不易。我國在大白菜收獲機(jī)械上的研究很少，大白菜的主要收獲方式還是靠人工進(jìn)行，白菜的拔取、切根、去老葉、裝箱等過程需要耗費(fèi)巨大勞動(dòng)力，同時(shí)存在收獲所需時(shí)間長、人們勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，如果遇上惡劣天氣，則會(huì)導(dǎo)致人工作業(yè)擱置，白菜不能及時(shí)收獲，可能會(huì)導(dǎo)致大白菜凍傷，影響大白菜的存儲(chǔ)和食用?，F(xiàn)在我國的城市化進(jìn)程飛速發(fā)展，大量的農(nóng)村年輕勞動(dòng)力向大城市匯集，導(dǎo)致農(nóng)村勞動(dòng)力短缺。目前，農(nóng)村大白菜種植多以農(nóng)戶小規(guī)模、小地塊的方式，一些國內(nèi)外先進(jìn)的大型機(jī)械設(shè)備并不適用，因此研究一種適用于小農(nóng)戶、小地塊的小型大白菜收獲機(jī)械是很有必要的[2]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

大白菜收獲機(jī)械化作業(yè)過程主要分為引拔、夾持、切根、傳輸、剝皮、裝車幾個(gè)過程，如果要完成全部的作業(yè)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)大白菜收獲機(jī)的體積很大，不能適應(yīng)小地塊的大白菜種植模式，所以將收獲過程簡化為引拔、夾持、切根、傳輸、裝車，以適應(yīng)小地塊的種植模式，同時(shí)達(dá)到提高效率、減輕人工負(fù)擔(dān)的目的。

本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要包含引拔裝置、夾持輸送裝置、切割裝置、提升裝置和收集裝置五部分。首先通過引拔裝置將大白菜從地里引拔出來，再經(jīng)由夾持裝置將其固定住，通過切割裝置切去根部，由輸送裝置傳送到提升裝置，然后提升至收集裝置中。在夾持輸送裝置處設(shè)置切根裝置進(jìn)行切根[3]，這種收獲方式結(jié)構(gòu)簡單，只需要一個(gè)切割刀即可，但對(duì)夾持傳輸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求較高[4]。

2 結(jié)構(gòu)和工作原理

機(jī)器前進(jìn)過程中，大白菜在引拔鏟的作用下慢慢向上拔出，并沿著引拔鏟的斜面向后移動(dòng)，接著由夾持皮帶夾持住并隨著皮帶運(yùn)動(dòng)，到達(dá)切割裝置時(shí)由切割刀將大白菜的根部切除，當(dāng)大白菜運(yùn)輸?shù)狡У哪┒藭r(shí)落入臨時(shí)收獲架處，再由提升機(jī)構(gòu)的提升臂將大白菜提升到高處，然后落入收集袋中，完成一次大白菜的收獲過程[4]。小型白菜收獲機(jī)整體裝配三維模型如圖1 所示。

圖1 小型大白菜收獲機(jī)整機(jī)圖

引拔裝置選用固定的導(dǎo)向引拔鏟，引拔鏟浮動(dòng)于收獲機(jī)前，可很好地收攏白菜葉，并將大白菜從土中拔出；夾持輸送裝置采用平帶夾緊，平帶能很好地將白菜的腰部包覆住，減少白菜的受力集中，從而避免引拔白菜在收獲過程中嚴(yán)重受損。輸送采用含有單側(cè)雙孔彎板的鏈條傳輸方式，能很好地符合本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)要求；切割裝置選用圓盤刀，圓盤刀適用于切割根莖較大的植物，并且圓盤刀的結(jié)構(gòu)簡單，能夠適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的作業(yè)方式[5-8]；提升裝置選用回轉(zhuǎn)立式鏈條提升裝置，在鏈條上安裝提升齒，以實(shí)現(xiàn)大白菜的提升。

3 小型大白菜收獲機(jī)主體部分設(shè)計(jì)

3.1 引拔鏟的設(shè)計(jì)

引拔鏟是將大白菜扶正并將大白菜的根部從土中引拔出來的裝置，安裝在機(jī)器的最前端，配合夾持傳輸機(jī)構(gòu)完成大白菜的收獲。為了將大白菜從土壤中拔取出來，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中常用到的主要有圓盤式、螺旋錐式和鏟式等結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)拔取方式的不同，又可以分為垂直拔出和傾斜拔出。垂直拔取式結(jié)構(gòu)在功率消耗方面比傾斜拔出式的機(jī)構(gòu)要小，但拔取式的機(jī)構(gòu)很容易受到大白菜生長情況、土地的濕度、土地的堅(jiān)實(shí)度影響，很容易發(fā)生將大白菜拔斷或者是拔不出的情況，所以這里選用傾斜鏟式的引拔裝置，將引拔鏟設(shè)計(jì)為固定的引導(dǎo)式，安裝在整個(gè)機(jī)器的正前方。隨著機(jī)器的前進(jìn)，左右兩側(cè)兩個(gè)引拔鏟插入大白菜的左右兩端，在前進(jìn)過程中，大白菜的底部隨著引拔鏟的斜面不斷地向后上方移動(dòng)，完成大白菜的引拔工作。要實(shí)現(xiàn)上述的工作過程，就要求引拔鏟的斜面和大白菜底部的摩擦力不能過大，還要有適當(dāng)?shù)膱A滑曲面，來保障大白菜的引拔過程，而且兩個(gè)引拔鏟之間的距離也要適當(dāng)，確保能將大白菜很好地拖住。

通過對(duì)引拔鏟作用的詳細(xì)分析和大白菜種植間距及大小的調(diào)查，設(shè)定引拔鏟與水平面的夾角為15o～30o，兩引拔鏟尖部的距離為85 mm，引拔鏟的長度為200 mm，材料選擇Q275。

3.2 皮帶夾持傳輸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

皮帶夾持機(jī)構(gòu)的作用是將引拔鏟引拔出的大白菜葉球部夾持住，讓大白菜隨夾持平帶一起向斜上方運(yùn)輸，并且在夾持過程中通過切割裝置將大白菜的根部切除。夾持傳輸機(jī)構(gòu)的夾持部分由兩條平帶實(shí)現(xiàn)，為保證被夾持住的大白菜不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，影響切根的準(zhǔn)確性，使左右兩根夾持平帶帶速一致，故夾持傳輸機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)選用交叉平帶來完成。

考慮到大白菜的尺寸差異，在夾持平帶上設(shè)置張緊輪，可夾持不同大小的大白菜，以實(shí)現(xiàn)大白菜完成向上運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)動(dòng)過程[9]。

夾持過程用6 個(gè)彈簧調(diào)整夾持平帶對(duì)大白菜的夾持力，在保障不同大小的白菜均能被夾持平帶夾持住的前提下完成輸送?？紤]到彈簧的工作過程，此處選用圓柱螺旋壓縮彈簧。在彈簧工作時(shí)，彈簧的最小載荷發(fā)生在大白菜還沒被夾持時(shí)，根據(jù)夾持平帶的張緊力作用得到彈簧的受力，彈簧的最大載荷發(fā)生在大白菜被夾持后，根據(jù)加持平帶的張緊力和大白菜對(duì)彈簧的壓緊力之和，得到彈簧的受力從而設(shè)定彈簧的工作行程為5 mm。

3.3 提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

提升裝置是大白菜收獲機(jī)的重要組成部分，其主要作用是將前面夾持傳輸部件輸送過來的大白菜提升至高處的收集袋?？紤]到大白菜收獲機(jī)體積要盡可能地小一些，故采用回轉(zhuǎn)立式鏈條提升裝置。在鏈條上安裝提升齒，使已切根的大白菜置入提升齒上實(shí)現(xiàn)大白菜的提升，當(dāng)大白菜提升到鏈輪頂部時(shí)依靠自身的重力落入收集袋。

采用兩條16A 單側(cè)雙孔彎板的傳輸鏈條作為傳動(dòng)部件，通過提升齒將兩條傳輸鏈條中的雙孔彎板連接起來，從而達(dá)到提升大白菜的目的。

3.4 切割裝置的設(shè)計(jì)

考慮到大白菜的根莖較大，而且是單行單顆的收割方式，此處采用圓盤式收割方式，選擇圓盤鋸齒刀。

在圓盤式切割裝置中，切割方式的不同也會(huì)直接影響切割效果，常用的切割方式主要有正切和滑切。正切是指切割裝置的切刀刀刃的運(yùn)動(dòng)方向垂直于大白菜根部的切割方式，其中刀片的運(yùn)動(dòng)方向和刀片的切削刃相互垂直，當(dāng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，刀片僅在垂直于切削刃線的方向上移動(dòng)，而在沿著切削刃線的方向上沒有運(yùn)動(dòng)。根據(jù)刀片平面相對(duì)于被切割作物軸的方向，將正切又分為橫切、斜切和削切，不同切割方法產(chǎn)生的切割阻力和能耗也有很大差異。橫切過程中的剪切強(qiáng)度最高，其次是斜切，而削切過程中的剪切強(qiáng)度最低。與橫切相比，斜切時(shí)的切削阻力可降低30%～40%，削切時(shí)的切削阻力可降低55%～65%。滑切是指切割刀片沿著切割線垂直方向和沿著切割線方向的合運(yùn)動(dòng)。由于滑切的切割特點(diǎn)，使得其對(duì)根部的切削阻力小于橫截面。滑動(dòng)切削角度也是影響滑動(dòng)切削效果的重要參數(shù)。根據(jù)不同作物莖的特性，合適的傾角可有效降低切割阻力并減少切割刀片的能耗。通?；瑒?dòng)切削角度為20o～50o，可以在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行合理選擇[7,10-11]。

3.5 收集裝置的設(shè)計(jì)

收集裝置是將提升裝置提升上來的大白菜收集在一起的裝置，經(jīng)過對(duì)一些成熟的大白菜收獲機(jī)的研究發(fā)現(xiàn)，大型的大白菜收獲機(jī)能夠通過人力將收獲的大白菜放置到空間充足的車廂空間中[12]。而一些應(yīng)用中的小型大白菜收獲機(jī)，為了保證大白菜收獲機(jī)的靈活性并沒有設(shè)計(jì)大型的存儲(chǔ)空間，而是盡量縮小收集箱的體積，從而導(dǎo)致收獲到一定數(shù)目的大白菜后還需要再將大白菜取出，這樣的收獲過程大大影響了大白菜收獲的效率。通過對(duì)小型收獲機(jī)械研究發(fā)現(xiàn)，小型收獲機(jī)械的收集箱一般從側(cè)面打開，將收獲的作物取出，這種方式雖然能一定程度地解決收獲效率的問題，但大白菜收獲機(jī)的效率依然不盡人意。

通過對(duì)以上問題的研究分析，筆者設(shè)計(jì)了一種袋式收集裝置。可以利用農(nóng)戶家家都有的化肥袋作為收集裝置，通過夾持裝置將收獲袋夾持在機(jī)架上，當(dāng)收集袋中大白菜收集滿時(shí)，通過更換收集袋的方式提高收獲機(jī)的收獲效率，并實(shí)現(xiàn)大白菜的簡單打包。

3.6 傳動(dòng)系統(tǒng)的選擇

在一般的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝置中，大多選擇的傳動(dòng)方式為皮帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)[13]，各種傳動(dòng)方式在使用過程中的優(yōu)缺點(diǎn)不盡相同。其中，皮帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、減震等優(yōu)點(diǎn)。鏈傳動(dòng)在傳動(dòng)過程中沒有彈性滑動(dòng)，也不會(huì)像帶傳動(dòng)產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，還可以保持精確的傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率高且成本低，但只能在平行軸之間傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的效率高，結(jié)構(gòu)上相對(duì)緊湊，工作比較可靠，使用壽命長，齒輪的傳動(dòng)比穩(wěn)定，但要求安裝精度高，價(jià)格貴，傳動(dòng)距離不宜過長。根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要，選擇皮帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)相結(jié)合的傳動(dòng)方式。

4 結(jié)論

通過對(duì)各種大白菜收獲機(jī)的分析，發(fā)現(xiàn)大型的、需要拖拉機(jī)作為動(dòng)力源的大白菜收獲機(jī)并不能滿足小農(nóng)戶、小地塊的收獲需求。針對(duì)這一問題，為了降低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省勞動(dòng)力資源，提高收獲效率，筆者設(shè)計(jì)了小型大白菜收獲機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，確定了先引拔再夾持傳輸，在夾持傳輸過程中切根的技術(shù)路線，設(shè)計(jì)出能實(shí)現(xiàn)單行收獲過程的小型大白菜收獲機(jī)，可達(dá)到95%切根成功率，菜體的損傷率小于10%，大大滿足小農(nóng)戶要求。在節(jié)省勞動(dòng)力、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高收獲效率等方面都具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。