履帶自走式單行大白菜收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張 靜 王 俊 杜冬冬 龍思放 王永維 游鑫榮

(1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 杭州 310058； 2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052；3.湖州思達(dá)機(jī)械制造有限公司， 湖州 313023)

0 引言

結(jié)球大白菜(Brassicapekinensis(Lour.) Rupr.)是十字花科蕓薹屬大白菜亞種的一種(以下簡(jiǎn)稱大白菜)，因其單位產(chǎn)量高、耐儲(chǔ)運(yùn)、供應(yīng)期長(zhǎng)，在全國(guó)范圍內(nèi)普遍種植[1-3]。近幾年我國(guó)大白菜種植面積穩(wěn)定在1.80×106hm2左右，約占我國(guó)蔬菜總播種面積的15%，以華北地區(qū)和長(zhǎng)江以南地區(qū)為主要產(chǎn)地，種植規(guī)模較大，種植特點(diǎn)鮮明[3]。但我國(guó)大白菜生產(chǎn)方式較為粗放，種植總體上相對(duì)分散，規(guī)模較小，整體產(chǎn)業(yè)化程度和收獲機(jī)械化水平較低，目前仍主要依靠人工利用刀具將大白菜從根莖處切斷，再進(jìn)行人工撿拾、搬運(yùn)、剝?nèi)~、分揀等作業(yè)，工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)成本高，人工收獲質(zhì)量和作業(yè)效率也難以保證[3]。大白菜生產(chǎn)用工難、用工貴、效益差等問(wèn)題在長(zhǎng)江以南經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的江浙滬地區(qū)尤為突出。

國(guó)外學(xué)者針對(duì)大白菜收獲機(jī)械的研究起步較早，KANAMITSU等[4-5]研制出了一款手扶自走式大白菜收獲機(jī)，該機(jī)具備了大白菜聯(lián)合收獲機(jī)械的基本結(jié)構(gòu)，且重點(diǎn)對(duì)大白菜根莖切根裝置和拔取裝置進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，但對(duì)于不同品種大白菜的切根效果不一致，總體收獲損傷率較大。國(guó)外學(xué)者主要對(duì)拖拉機(jī)懸掛式[5-6]和履帶自走式[7-8]兩種結(jié)構(gòu)形式的大白菜收獲機(jī)械進(jìn)行研發(fā)，且主要采用了先拔取后切根的收獲方式，能一次完成大白菜拔取、切根、輸送和收集。其中，收獲機(jī)常用的拔取裝置結(jié)構(gòu)形式以雙螺旋式和夾持皮帶式兩種為主，雙螺旋式結(jié)構(gòu)拔取效率高但加工較復(fù)雜，對(duì)菜體損傷率較高；夾持皮帶式結(jié)構(gòu)能夠減少拔取損傷，但整體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。切割裝置均以單個(gè)或一對(duì)鋸齒圓盤(pán)為主，需在傾斜輸送過(guò)程中完成大白菜根部的切除，對(duì)切根位置和姿態(tài)有較高要求，因此切根損失仍較高。為提高收獲質(zhì)量、減小收獲損失，近年來(lái)國(guó)外學(xué)者對(duì)收獲機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)和參數(shù)開(kāi)展優(yōu)化研究，并嘗試對(duì)輔助收獲裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究[9-10]。而國(guó)內(nèi)大白菜相關(guān)收獲技術(shù)與裝備的研究相對(duì)國(guó)外起步較晚，大都處于理論設(shè)計(jì)與樣機(jī)試制階段，機(jī)械化收獲技術(shù)相對(duì)不夠成熟，機(jī)械化收獲程度仍很低[3,11]。姚會(huì)玲[12]針對(duì)大白菜設(shè)計(jì)了一種雙螺旋拔取收獲裝置模型，為切根裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了借鑒，但未試制收獲樣機(jī)。近年來(lái)，蔬菜產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大、市場(chǎng)需求不斷增加，勞動(dòng)力日益短缺，促使國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在借鑒吸收國(guó)外甘藍(lán)和大白菜等蔬菜收獲技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了大白菜收獲機(jī)械的相關(guān)研究，但大部分采用了先引拔再輸送切根的收獲方式，切根損失較大[13-14]，采用先切根再拔取輸送方式進(jìn)行收獲的研究較少[15]。由于大白菜收獲對(duì)象的復(fù)雜多樣和種植模式的不規(guī)范統(tǒng)一，導(dǎo)致配套機(jī)械化收獲裝備的研制具有難度。因此，結(jié)合當(dāng)前我國(guó)大白菜生產(chǎn)實(shí)情，大力發(fā)展大白菜收獲機(jī)械化技術(shù)，研發(fā)配套收獲裝備具有重要意義。

為提高大白菜機(jī)械化收獲裝備水平，本文以我國(guó)蔬菜主產(chǎn)區(qū)之一的南方江浙滬地區(qū)結(jié)球大白菜為研究對(duì)象，結(jié)合大白菜種植模式和特點(diǎn)，開(kāi)展結(jié)球大白菜收獲技術(shù)及配套收獲機(jī)具的研究，研制一種集切根、夾持、輸送于一體的單行履帶自走式結(jié)球大白菜收獲機(jī)，并對(duì)收獲機(jī)切割裝置、夾持導(dǎo)向裝置以及輸送提升裝置等關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合樣機(jī)田間試驗(yàn)驗(yàn)證收獲機(jī)的工作性能和可靠性，以期解決我國(guó)南方地區(qū)結(jié)球大白菜收獲的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，滿足大白菜高效、低損、節(jié)本、增益的生產(chǎn)要求。

1 收獲機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 主要種植模式與機(jī)械化收獲要求

大白菜有肥大的肉質(zhì)主根和發(fā)達(dá)的側(cè)根，莖粗大短縮，且葉球種類形態(tài)多樣，具有體積大、形狀差異大、韌性低、葉球易損傷的特點(diǎn)。由于我國(guó)大白菜種植區(qū)域分布廣泛，品種繁多，種植密度也存在較大差別，導(dǎo)致成熟后大白菜的幾何尺寸與物理特性存在明顯區(qū)別。收獲機(jī)械作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的復(fù)雜多樣性導(dǎo)致大白菜收獲環(huán)節(jié)宜機(jī)化改造較困難。北方一年一茬的大白菜秋播地區(qū)主要采用露地直播方式，而南方大白菜多采用育苗移栽方式進(jìn)行種植[3]。南方常見(jiàn)的種植壟形結(jié)構(gòu)如圖1所示。為提高所設(shè)計(jì)的大白菜收獲機(jī)械的適用性和通用性，選取南方地區(qū)較為規(guī)范常見(jiàn)的壟作模式作為設(shè)計(jì)依據(jù)，具體種植農(nóng)藝參數(shù)為：行距S為450～550 mm，株距p為300～400 mm，壟面寬c為800 mm，壟距l(xiāng)為900～1 100 mm，壟高h(yuǎn)為150～300 mm[3]。

圖1 大白菜種植壟形結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Planting ridge structure diagram of Chinese cabbage

大白菜機(jī)械化收獲的工作過(guò)程主要包括切根、夾持導(dǎo)向、輸送與裝車(chē)4個(gè)環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)協(xié)同工作，一次完成一系列工序，可有效提高大白菜收獲的質(zhì)量和效率。與常見(jiàn)的甘藍(lán)收獲不同[16]，我國(guó)大白菜收獲的主要目標(biāo)市場(chǎng)為流通鮮食，在銷售、貯運(yùn)和流通過(guò)程中保留部分外葉可較大程度上避免水分流失和質(zhì)量損失，所以無(wú)需額外設(shè)置單獨(dú)的剝?nèi)~裝置，依靠人工進(jìn)行簡(jiǎn)單處理即可。此外，考慮到田間實(shí)際生產(chǎn)中大白菜通常定植間距小、直線度差，且存在土壤松軟、不平整等問(wèn)題，故采取單行收獲方式，并選用履帶動(dòng)力底盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)田間收獲時(shí)的自動(dòng)行走和穩(wěn)定作業(yè)。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

結(jié)合上述主要種植模式與機(jī)械化收獲要求，確定采用先切根再夾持輸送的單行自走式收獲方式，設(shè)計(jì)一種配備45 kW專用履帶式動(dòng)力底盤(pán)的單行大白菜收獲機(jī)，以減少收獲時(shí)機(jī)具對(duì)土壤的壓實(shí)作用[17]，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該自走式大白菜收獲機(jī)主要由切割裝置、夾持導(dǎo)向裝置、傾斜輸送提升裝置、水平輸送裝置和自動(dòng)底盤(pán)5部分組成，各工作裝置及部件布置在自動(dòng)行走底盤(pán)的上方及左側(cè)前方，一次性實(shí)現(xiàn)大白菜仿形切根、夾持、縱向輸送提升、橫向運(yùn)輸、側(cè)向裝車(chē)等多項(xiàng)作業(yè)。

圖2 自走式大白菜收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagram of self-propelled Chinese cabbage harvester1.切割裝置 2.夾持導(dǎo)向裝置 3.傾斜輸送提升裝置 4.水平輸送裝置 5.自動(dòng)底盤(pán)

1.3 工作原理與技術(shù)參數(shù)

工作時(shí)，自走式大白菜收獲機(jī)首先通過(guò)液壓油缸調(diào)節(jié)收獲臺(tái)架與地面的傾斜角度至20°～30°，使切割裝置切割圓盤(pán)的底部緊貼地面并與地面平行，并與大白菜壟間對(duì)行，機(jī)器前進(jìn)過(guò)程中，相對(duì)獨(dú)立布置的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)切割裝置對(duì)大白菜根部進(jìn)行切割，切根后的大白菜球體在后部夾持導(dǎo)向裝置的作用下被向上夾持并沿夾持皮帶斜面相對(duì)向后移動(dòng)一段距離，當(dāng)移動(dòng)至夾持導(dǎo)向裝置末端時(shí)，切斷根部的大白菜掉落在傾斜輸送提升部件上繼續(xù)向后傳輸，經(jīng)傾斜輸送提升機(jī)構(gòu)將大白菜運(yùn)輸?shù)剿捷斔脱b置的傳送皮帶上，然后由傳送帶傳輸至底盤(pán)上設(shè)置的收集筐內(nèi)，或由人工對(duì)大白菜進(jìn)行分選擺放然后裝箱，完成大白菜的整個(gè)收獲過(guò)程。其中，切割裝置和輸送提升裝置可調(diào)節(jié)多種工況，以適應(yīng)大白菜不同的種植方式。主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 自走式大白菜收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of self-propelled Chinese cabbage harvester

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 切割裝置設(shè)計(jì)

切割裝置是大白菜收獲機(jī)的關(guān)鍵部件之一，與夾持導(dǎo)向裝置協(xié)同作業(yè)，主要功能是切除大白菜根部，其切根效果對(duì)后續(xù)的收獲作業(yè)質(zhì)量和效率有極大影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)大白菜、甘藍(lán)等結(jié)球類蔬菜的切割裝置的研究主要集中在鋸齒刀和圓盤(pán)刀兩種結(jié)構(gòu)類型上[18-19]，且已證實(shí)通過(guò)單個(gè)或兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的圓形切割刀能較好地完成切根作業(yè)。由于大白菜根莖結(jié)構(gòu)較粗壯，所需的切割力較大，當(dāng)采用單圓盤(pán)形式時(shí)，切割器需要提高轉(zhuǎn)速，以降低切割力的不平衡性，但由此所造成的功耗也會(huì)相應(yīng)地提高。

為了保持大白菜在切根時(shí)受力的平穩(wěn)性，滿足大白菜壟作模式下有效切根的需求，采用兩個(gè)對(duì)稱布置的圓盤(pán)式切割刀的結(jié)構(gòu)形式，其中左切割圓盤(pán)為平底連續(xù)鋸齒圓盤(pán)刀，有利于傳輸且不容易堵塞切根部位，右切割圓盤(pán)為凹面圓盤(pán)光刃刀，底部有一定的弧度，工作時(shí)與壟上土壤保持接觸。在經(jīng)過(guò)較明顯不平整的地面時(shí)，可通過(guò)調(diào)整連接液壓缸的行程改變切根刀盤(pán)支架與主機(jī)架的傾斜角度，實(shí)現(xiàn)切割裝置整體隨地面起伏運(yùn)動(dòng)，從而保證切割刀盤(pán)的切根區(qū)域保持在一定合理范圍內(nèi)，提高切根的作業(yè)效果。該切割裝置屬于無(wú)支撐切割類型，一定程度上簡(jiǎn)化了切割裝置結(jié)構(gòu)，切割裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。切割裝置的動(dòng)力來(lái)源于頂部設(shè)置的2個(gè)液壓馬達(dá)，工作時(shí)反向旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)切割圓盤(pán)刀進(jìn)行切割作業(yè)，兩圓盤(pán)刀在橫向位置方向上呈現(xiàn)一定傾角，形成弧形蓮座式切割結(jié)構(gòu)，配合后端液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的夾緊帶快速切離大白菜根部。

圖3 切割裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of root-cutting device1.鋸齒圓盤(pán) 2.夾持皮帶 3.驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 4.凹面圓盤(pán) 5.液壓缸 6.主機(jī)架 7.傳動(dòng)軸 8.支撐軸承 9.刀盤(pán)支架

圖4 切割受力分析圖Fig.4 Force analysis of root-cutting device

切根過(guò)程中，對(duì)切割起始點(diǎn)處分析可知(圖4)，大白菜根部受到X、Y、Z3個(gè)方向切削分力F1、F2、F3，F(xiàn)1xy和F3xy分別為力F1和F3在XY平面投影分合力，N；F1x和F1y分別為分合力F1xy在X軸和Y軸投影分力，N；F3x和F3y分別為分合力F3xy在X軸和Y軸投影分力，N；β和φ分別為分合力F1xy和F3xy與X方向夾角。由于左右兩個(gè)切割圓盤(pán)的切割是不對(duì)稱的，且左圓盤(pán)表面為凹面，所以在X軸和Z軸方向仍存在部分切削力(F2)。在Z軸方向分合力F1z和F3z以及前進(jìn)方向切削摩擦力共同作用下，大白菜受到后上方的縱向分力較大，有助于拔取大白菜根莖。在X軸方向上所受橫向分力總和為兩個(gè)方向相反的分力F1x、F3x之和。該值過(guò)高將導(dǎo)致圓盤(pán)刀嚴(yán)重磨損，降低使用壽命。由于實(shí)際切根過(guò)程中鉛垂面角度γ，即F3在XY平面分合力F3xy與力F3夾角較小，總橫向分力F3x呈現(xiàn)較大值，因此可以將正方向的力F1x近似為根部主切削力。此外，考慮F2在X軸上的分力作用，非對(duì)稱切削結(jié)構(gòu)可以提供更高的切削力。考慮到實(shí)際安裝和使用情況，將鉛垂面的角度γ設(shè)為零，因此只考慮相同大小俯仰角θ(力F1在XY平面分合力F1xy與力F1夾角)的影響，且該俯仰角可調(diào)整，以方便確定最佳的組合切割參數(shù)。綜上，凹面圓盤(pán)光刃刀和鋸齒圓盤(pán)刀在切根過(guò)程中分別受到的切根反作用力為切根壓力和切根拉力。因此，非對(duì)稱組合切割結(jié)構(gòu)理論上可以提供更大的切削力，且在作業(yè)瞬間對(duì)大白菜根部提供一定的支撐，無(wú)需較高的切割線速度即可有效切斷根部，即一定程度上可減少切割功耗，但具體結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)需進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化。

為了保證大白菜根部被底部切割盤(pán)順利切斷，切割裝置的工作區(qū)域應(yīng)大于大白菜田間壟面的寬度，工作區(qū)域內(nèi)，相對(duì)收獲機(jī)前進(jìn)方向的切割刀盤(pán)絕對(duì)速度分量應(yīng)不小于機(jī)器最高速度，且方向與之相反，切割區(qū)域與切割刀盤(pán)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系如圖5所示。其中A、B分別為鋸齒圓盤(pán)頂圓上任意兩相連鋸齒頂點(diǎn)，α0為兩相連鋸齒頂點(diǎn)夾角，即切割刀相對(duì)機(jī)器前進(jìn)方向的轉(zhuǎn)角，v為任一圓盤(pán)頂點(diǎn)運(yùn)動(dòng)合速度，Rω和vm分別為對(duì)應(yīng)該圓盤(pán)頂點(diǎn)的切線速度和法向速度。

圖5 切割區(qū)域與切割盤(pán)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系分析圖Fig.5 Analysis of relation between cutting region and motion of cutting disks

因此，切割刀盤(pán)的工作區(qū)寬度計(jì)算式為

H≤D(1-sinα0)+δ-l′

(1)

(2)

式中H——切割刀盤(pán)工作區(qū)寬度，mm

D——切刀頂部中點(diǎn)軌跡圓直徑，即刀盤(pán)直徑，mm

δ——切刀頂部中點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡與另一刀盤(pán)之間的最小距離，mm

l′——切割刀的工作長(zhǎng)度，mm

vmmax——機(jī)器的最大工作速度，m/s

n——切割刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，r/min

切割刀頂部中點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的直徑可根據(jù)大白菜行距來(lái)確定，為了使得切割刀在工作時(shí)不致切到鄰接行的大白菜，切割刀頂邊中心的運(yùn)動(dòng)軌跡與最小鄰接行的大白菜需間隔一定的距離，即滿足

(3)

式中 Δl——切割刀頂邊中心的運(yùn)動(dòng)軌跡與最小鄰接行的大白菜間隔距離，mm

dc——大白菜球體中徑，mm

根據(jù)統(tǒng)計(jì)和試驗(yàn)確定的相關(guān)參數(shù)范圍，取種植行距S為500 mm，大白菜球體平均中徑dc為200 mm，參照甘蔗切割相關(guān)文獻(xiàn)資料[20]，取Δl為100 mm，以此確定切割圓盤(pán)直徑D不大于300 mm，并以該值作為切割盤(pán)設(shè)計(jì)的初始參考值，考慮到刀盤(pán)傾斜安裝，D取值范圍可適當(dāng)增大。將D值代入式(1)，查閱相關(guān)結(jié)球甘藍(lán)等蔬菜切根文獻(xiàn)資料[19,21]得知，轉(zhuǎn)速越大消耗的切割功率越大，因此在保證切割質(zhì)量的前提下，盡量選擇較低的切割速度與切割刀盤(pán)轉(zhuǎn)速。n取較大值500 r/min，收獲機(jī)器田間的最大工作速度vmmax為1.50 m/s，令δ值與l值相當(dāng)，即兩切割刀盤(pán)剛好接觸，以此計(jì)算出臨界切割刀盤(pán)工作區(qū)寬度H不大于0.24 m。

由以上分析可知，在滿足切割質(zhì)量的條件下，切割刀盤(pán)轉(zhuǎn)速大，切割刀盤(pán)工作區(qū)域?qū)挾瓤蛇m當(dāng)減小。但為了避免漏切，即在切根過(guò)程割幅內(nèi)，不應(yīng)存在應(yīng)收獲但未被切割收獲的現(xiàn)象，兩切割圓盤(pán)交錯(cuò)形成切削區(qū)域，由于切割刀盤(pán)與地面存在一定的夾角，重復(fù)切割面積實(shí)際上小于水平切割刀盤(pán)，切割刀盤(pán)的進(jìn)距Sm需小于或等于切割刀工作長(zhǎng)度l′；為了使根部能夠切斷，切割刀的工作長(zhǎng)度l′必須大于或等于大白菜根部的最大直徑dmax，即

(4)

式中Z——切齒數(shù)量

dmax——根部最大直徑，mm

由于凹面圓盤(pán)刀為連續(xù)光刃，理論上不會(huì)出現(xiàn)漏切的問(wèn)題，鋸齒圓盤(pán)刀雖采用相對(duì)連續(xù)的多個(gè)鋸齒，但鋸齒的大小和齒數(shù)分布可能導(dǎo)致切割過(guò)程的不連續(xù)，從而出現(xiàn)漏切的現(xiàn)象，理論上鋸齒數(shù)越多，切割過(guò)程可近似為平穩(wěn)連續(xù)切割。依據(jù)根部統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取根部平均最大直徑dmax為20 mm，以此作為最小切割刀工作長(zhǎng)度，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選取平穩(wěn)作業(yè)時(shí)最大工作速度vmmax為1.2 m/s，取參考切割圓盤(pán)直徑D為300 mm時(shí)較大的切齒數(shù)量Z為120，代入式(4)求得不漏切的臨界條件切割刀盤(pán)轉(zhuǎn)速n不小于37.5 r/min，即適宜的切割刀盤(pán)轉(zhuǎn)速n取值范圍為37.5～500 r/min。

綜上，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的切割圓盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)，選用適宜的工作參數(shù)，可以較準(zhǔn)確地確定切根位置，且能保證切根的穩(wěn)定性。根據(jù)大白菜通常種植的壟間距和兩組切割部件同時(shí)工作不干涉的要求，進(jìn)一步確定兩切割圓盤(pán)初始尺寸以及最大安裝中心軸間距的初始范圍。

2.2 夾持導(dǎo)向裝置設(shè)計(jì)

夾持導(dǎo)向裝置是大白菜收獲機(jī)械的另一關(guān)鍵部件，主要實(shí)現(xiàn)大白菜的引拔夾持和導(dǎo)向傳輸?shù)墓δ?。大白菜的莖葉相對(duì)脆弱，在機(jī)械化收獲過(guò)程中容易受外力損傷，因此需綜合考慮作業(yè)環(huán)境、作業(yè)對(duì)象和機(jī)具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素，選擇合適的夾持收獲方式。江浙地區(qū)普遍種植的大白菜品種以卵圓形和直筒形為主，因近球形、卵圓形和直筒形等大白菜品種均適宜采用側(cè)面夾持方式實(shí)現(xiàn)收獲[3]，故本設(shè)計(jì)采用側(cè)面夾持導(dǎo)向方案，夾持導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。夾持導(dǎo)向裝置主要由夾持皮帶、主動(dòng)帶輪、從動(dòng)帶輪、張緊輪、驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)組成。為便于安裝調(diào)整，兩個(gè)主動(dòng)帶輪對(duì)稱安裝在夾持導(dǎo)向裝置末端，其驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)安裝在主動(dòng)帶輪上方的機(jī)架上，通過(guò)聯(lián)軸器與主動(dòng)帶輪的驅(qū)動(dòng)軸連接，從動(dòng)帶輪懸掛安裝在機(jī)架的前部，且位于切割刀盤(pán)前端，保證帶輪位置處在同一平面上，張緊輪安裝在機(jī)架的兩側(cè)橫梁位置，通過(guò)拉伸彈簧的作用，使張緊輪始終與夾持皮帶接觸并向外推動(dòng)夾持皮帶使其張緊，夾緊帶安裝在機(jī)架下，左右兩側(cè)分體式機(jī)架間距可調(diào)。工作時(shí)通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)帶輪，有效地將白菜夾在縱向安裝的柔性?shī)A持皮帶之間，兩個(gè)夾持皮帶之間的距離允許大白菜通過(guò)，彈性張緊輪配合柔性?shī)A持皮帶可夾持不同球徑的大白菜。

圖6 夾緊導(dǎo)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.6 Sketch of clamping guide mechanism1.夾持皮帶 2.主動(dòng)帶輪 3.張緊輪 4.從動(dòng)帶輪

夾持皮帶的夾持位置和夾持方式對(duì)前部切割裝置的喂入切根效率和后續(xù)的輸送提升過(guò)程有很大影響。理論上當(dāng)夾持位置在重心處時(shí)，夾持更穩(wěn)定，夾持效果最好。因此，為了配合前部的切割刀盤(pán)工作，還需合理設(shè)置夾持喂入口處夾持皮帶中心的高度。根據(jù)大白菜形狀特點(diǎn)和夾持位置要求，確定單帶夾持的位置位于大白菜下部，在自身重力和兩側(cè)夾持力作用下，確保大白菜能在進(jìn)入時(shí)始終保持向上的姿態(tài)。另作業(yè)時(shí)夾持導(dǎo)向裝置夾持皮帶傳輸方向與前進(jìn)方向存在傾角β1，該傾角的大小會(huì)影響大白菜進(jìn)入夾持位置的精度，進(jìn)而影響夾持導(dǎo)向效果，根據(jù)已有研究資料[22]確定夾持傳輸裝置的傾角范圍為15°～20°，但準(zhǔn)確的傾角β1需根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況確定。

根據(jù)受力分析(圖6)可知，大白菜在夾持傳輸過(guò)程受摩擦力fN1作用，保持大白菜夾持不掉落時(shí)需滿足

fN1≥mg

(5)

其中

fN1=FN1μN(yùn)1

(6)

式中FN1——正壓力，N

μN(yùn)1——夾持皮帶與大白菜的靜摩擦因數(shù)

m——大白菜質(zhì)量，kg

理論上，大白菜在夾持輸送過(guò)程中皮帶夾持越緊，即提供的正壓力和摩擦力越大，越不容易產(chǎn)生傾斜、掉落，但皮帶夾緊力過(guò)大，容易導(dǎo)致大白菜難以順利進(jìn)入夾持區(qū)域，還會(huì)加劇大白菜的機(jī)械損傷。為防止夾持壓力過(guò)大導(dǎo)致大白菜外側(cè)葉片出現(xiàn)夾持損傷，大白菜所受正壓力FN1不得大于最大壓縮破壞力。根據(jù)大白菜的外形尺寸和重力參數(shù)，設(shè)定大白菜質(zhì)量m平均值為3 kg，利用斜面法測(cè)得平均靜摩擦因數(shù)μN(yùn)1為0.81，得出大白菜最小夾持力FN1不小于36.30 N。根據(jù)大白菜橫向壓縮試驗(yàn)(加載速度20 mm/min)得出平均最大壓縮極限力約為600 N，在20 mm左右彈性形變范圍內(nèi)壓力約為186.72 N，因此，確定FN1適宜取值范圍為36.30～186.72 N。考慮到大白菜外體形狀和含水率較大，部分散落的外葉在夾持輸送過(guò)程中可能會(huì)受到擠壓，導(dǎo)致夾持輸送時(shí)摩擦力會(huì)隨著夾持帶表面水分的增加而降低，出現(xiàn)夾持皮帶打滑或大白菜掉落的情況，故夾持皮帶選用相對(duì)較窄的高密度柔性皮帶。考慮到實(shí)際制造成本，選用質(zhì)量均勻、摩擦因數(shù)大且耐磨性好的大楔角橡膠V帶，根據(jù)GB/T 14829—2018規(guī)定，結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)一步確定兩夾持帶最小間距約為120 mm，單條夾持皮帶中心距約為695 mm。因夾持導(dǎo)向裝置主要以柔性平整表面皮帶對(duì)大白菜進(jìn)行夾持，實(shí)際夾持過(guò)程中夾持皮帶隨大白菜直徑變化發(fā)生柔性變形，夾持力呈現(xiàn)波動(dòng)態(tài)勢(shì)。結(jié)合RecurDyn與EDEM耦合仿真試驗(yàn)證實(shí)，夾持過(guò)程最大夾持力發(fā)生在夾持皮帶入口1/3～1/2處，在保證最小夾持力的條件下，適宜的夾持帶寬度為30 mm，水平傾角為15°，夾持帶前端距離地面高度為50 mm。

為避免夾持皮帶打滑，夾持皮帶張緊后的初始拉力F0滿足

(7)

其中

Pc=(Ft1-Ft2)v1

(8)

式中Pc——傳輸功率，kW

z——皮帶根數(shù)

Kα——包角修正系數(shù)

v1——夾持皮帶線速度，m/s

q——單位長(zhǎng)度夾持皮帶質(zhì)量，kg/m

Ft1——夾持皮帶處緊邊拉力，N

Ft2——夾持皮帶處松邊拉力，N

為了實(shí)現(xiàn)大白菜的高效夾持傳輸，防止大白菜在喂入口堆積堵塞，夾持皮帶的線速度v1應(yīng)大于收獲機(jī)前進(jìn)速度vm1，即

(9)

式中D1——主動(dòng)帶輪直徑，mm

nt——主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速，r/min

根據(jù)式(7)～(9)可知，夾持導(dǎo)向裝置的傳輸功率與工作段長(zhǎng)度配置、主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速以及裝置傾角有關(guān)，主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速影響大白菜被夾持輸送的速度，收獲機(jī)前進(jìn)速度影響大白菜進(jìn)入夾持的速度。大白菜夾持輸送作業(yè)時(shí)，收獲機(jī)前進(jìn)速度vm1越大，因大白菜株距一定，所以大白菜進(jìn)入夾持的速度就越大。若收獲機(jī)前進(jìn)速度vm1大于大白菜前進(jìn)方向輸送分速度，會(huì)由于大白菜輸送不及時(shí)使大白菜不斷集聚，最終導(dǎo)致堵塞在夾持皮帶口，無(wú)法繼續(xù)作業(yè)；若收獲機(jī)前進(jìn)速度小于大白菜夾持皮帶前進(jìn)方向輸送分速度，大白菜夾持輸送及時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致堵塞，滿足工作要求。當(dāng)主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速nt增大時(shí)，夾持皮帶的線速度v1增大，有利于提高夾持輸送效率，但為防止大白菜在喂入口堆積堵塞，可適當(dāng)降低收獲機(jī)前進(jìn)速度vm1和減小夾持皮帶傾角β1。

在確定上述參數(shù)后即可得出夾持導(dǎo)向裝置的功率和主動(dòng)帶輪所需轉(zhuǎn)速。查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取q為0.25 kg/m，z為1，Kα為0.92，β1取15°。代入式(9)求得不堵塞條件下主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速nt不小于296.7 r/min，夾持皮帶線速度v1不小于1.55 m/s。在上述條件下，利用差值法確定單條皮帶功率Pc約為0.37 kW，代入式(7)求得夾持皮帶最小初始拉力F0為205.58 N。作業(yè)時(shí)通過(guò)螺桿結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)改變夾持皮帶中部2個(gè)張緊輪與兩皮帶輪中心線的距離來(lái)控制夾持皮帶的初始拉力和張緊程度，以滿足不同的作業(yè)需求。

2.3 傾斜輸送提升裝置設(shè)計(jì)

傾斜輸送提升裝置是大白菜收獲機(jī)的另一關(guān)鍵部件，其作用是將由夾持導(dǎo)向裝置完成切根的大白菜進(jìn)一步向后上方提升輸送至后面的水平輸送裝置和收集處理平臺(tái)，同時(shí)其前端位于夾持導(dǎo)向裝置的下部。為有效防止大白菜在升運(yùn)過(guò)程中向下滾動(dòng)滑落，減少碰撞損傷，傾斜輸送提升裝置在L型連接固定板上設(shè)有一定高度的橡膠桿條，且相鄰各橡膠桿條和連接固定板之間存在一定間距，用于去除大白菜根部泥土和散落的外葉，防止過(guò)多雜質(zhì)進(jìn)入后續(xù)收集環(huán)節(jié)。整個(gè)輸送裝置由傳送鏈傳動(dòng)，動(dòng)力由液壓馬達(dá)提供，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 傾斜輸送提升裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structural diagram of inclined delivery device1.機(jī)架 2.主動(dòng)鏈輪 3.傳送鏈條 4.橡膠桿條 5.連接固定板 6.液壓油缸

參照大白菜的物理形態(tài)尺寸，選定橡膠桿條的尺寸為長(zhǎng)450 mm，寬30 mm，其安裝間距可根據(jù)大白菜品種的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)，但為避免球體掉落，其初始間距設(shè)定為150 mm，輸送帶總寬度選為500 mm。相比于普通橫向輸送帶夾持輸送方式，本設(shè)計(jì)提出的傾斜輸送提升裝置依靠大白菜自身重力以及隨鏈條一起轉(zhuǎn)動(dòng)的橡膠桿條，在豎直方向上將大白菜向上提升至一定的高度，無(wú)需對(duì)大白菜進(jìn)行再次夾持，能有效避免擠壓破損，提高最終收獲質(zhì)量。

大白菜經(jīng)前端夾持導(dǎo)向皮帶夾持輸送至傾斜輸送鏈時(shí)，在夾持導(dǎo)向皮帶的初始速度v1下，大白菜運(yùn)動(dòng)姿態(tài)發(fā)生變化，運(yùn)動(dòng)過(guò)程及受力分析如圖8所示。β1、β2分別為皮帶、輸送鏈與前進(jìn)水平面的夾角，O1、O2、O3分別為對(duì)應(yīng)皮帶水平位置點(diǎn)a(豎直投影點(diǎn))、b(沖擊接觸點(diǎn))、c(輸送穩(wěn)定點(diǎn))時(shí)的質(zhì)心圓點(diǎn)。大白菜在豎直落入傾斜輸送帶上的瞬間，由于夾持導(dǎo)向皮帶和傾斜輸送帶存在高度差h′，大白菜受到一定大小的沖擊力FN2，且在摩擦力f的作用下大白菜短時(shí)間內(nèi)再次恢復(fù)穩(wěn)定，與傳輸皮帶保持相對(duì)靜止。當(dāng)瞬間沖擊力較大時(shí)，大白菜易發(fā)生局部沖擊損傷，或?qū)е麓蟀撞讼蛳聺L落。因此，傾斜輸送帶的傾斜角度和運(yùn)行速度等是傾斜輸送裝置的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖8 夾持輸送過(guò)程運(yùn)動(dòng)及受力分析Fig.8 Analysis of movement and force in clamping and conveying process1.皮帶 2.輸送鏈

大白菜運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為以下幾個(gè)階段：

(1)大白菜掉落瞬間(點(diǎn)a)摩擦力f1與重力mg平衡，大白菜在夾持導(dǎo)向皮帶夾持作用下平穩(wěn)向上輸送，因夾持導(dǎo)向帶存在一定的水平傾角β1，大白菜瞬間向上拋出至最高點(diǎn)(增加高度為Δh)后開(kāi)始下落，此時(shí)大白菜法向運(yùn)動(dòng)速度為零，起始速度v1滿足動(dòng)能守恒定律

(10)

(2)大白菜沖擊瞬間(點(diǎn)b)大白菜自最高點(diǎn)在合速度的作用下以一定角度落入傾斜輸送帶上，運(yùn)動(dòng)速度滿足

(11)

式中vsm——點(diǎn)a拋送合速度，m/s

vx——合速度vsm在x方向上的分速度，m/s

vy——合速度vsm在y方向上的分速度，m/s

t——從點(diǎn)O1至O2拋送過(guò)程運(yùn)動(dòng)總時(shí)間，s

h——點(diǎn)O1至O2縱向高度差，m

θ3——vy與vx的夾角，(°)

沖擊過(guò)程運(yùn)動(dòng)可視作水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直上拋運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)，因此，水平和豎直方向運(yùn)動(dòng)位移滿足

(12)

式中l(wèi)x——水平方向位移，m

t1——從點(diǎn)O1至最高點(diǎn)的時(shí)間，s

t2——從最高點(diǎn)落至點(diǎn)b的時(shí)間，s

聯(lián)合式(10)～(12)得出

(13)

由式(13)可知，大白菜水平方向的位移lx、縱向高度差h以及縱向總位移均受斜拋角度(即夾緊導(dǎo)向皮帶傾角β1)以及夾持皮帶線速度v1的影響。同等條件下，v1越大，即夾持皮帶轉(zhuǎn)速越大，lx和h越大；β1越大，θ3越大，但β1略小于θ3，此時(shí)lx越小，h越大。若水平方向的位移lx過(guò)小，易導(dǎo)致大白菜無(wú)法順利進(jìn)入橡膠桿條區(qū)域而造成碰撞滑落；若縱向高度差h過(guò)大，合速度vsm越大，則易對(duì)大白菜球體造成較大沖擊損傷。因此，需選擇確定適宜的v1和β1。

忽略產(chǎn)生的跌落沖擊跳動(dòng)，大白菜此時(shí)不發(fā)生滾落的前提是瞬間接觸的動(dòng)摩擦力大于沿輸送帶向下的合力，即

f2=(mgcosβ2+FN2sin(θ3+β2))μd≥mgsinβ2-FN2cos(θ3+β2)

(14)

式中f2——點(diǎn)b處大白菜所受摩擦力，N

FN2——大白菜瞬間所受沖擊合力，N

μd——傾斜輸送帶動(dòng)摩擦因數(shù)

由式(14)得出

(15)

此時(shí)，不產(chǎn)生沖擊碰撞損失的條件為

(16)

式中σd——沖擊碰撞應(yīng)力，MPa

A——沖擊接觸截面積，m2

[στ]——大白菜出現(xiàn)損傷的臨界應(yīng)力，MPa

kd——?jiǎng)虞d荷因子

Δs——大白菜受沖擊后的最大變形量，m

Δε——大白菜重力載荷作用下的位移，m

k——大白菜剛度，N/m

大白菜質(zhì)量m越大，縱向高度差h越大，碰撞接觸的沖擊力FN2也越大，損傷越嚴(yán)重。由于輸送帶上方設(shè)有橡膠，導(dǎo)致大白菜與輸送帶碰撞時(shí)接觸面積增大，撞擊過(guò)程減緩，碰撞總時(shí)間延長(zhǎng)，沖擊力因此減小。低速跌落沖擊試驗(yàn)得出的大白菜出現(xiàn)損傷的平均臨界沖擊應(yīng)力[στ]約為0.012 MPa，代入式(13)～(16)以此確定兩輸送帶的縱向高度差h。

(3)大白菜穩(wěn)定瞬間(點(diǎn)c)，經(jīng)過(guò)一段距離輸送，沖擊力FN2隨之減小至零，此時(shí)大白菜在輸送帶靜摩擦的作用下以一穩(wěn)定速度繼續(xù)向后輸送，忽略機(jī)器振動(dòng)產(chǎn)生的影響，大白菜此時(shí)不發(fā)生滾落的前提是接觸靜摩擦力大于沿輸送帶向下的合力，即

f3=mgcosβ2μj≥mgsinβ2

(17)

式中f3——點(diǎn)c處大白菜所受摩擦力，N

μj——傾斜輸送帶靜摩擦因數(shù)

取傾斜輸送帶靜摩擦因數(shù)μj為0.81時(shí)，確定輸送帶的傾角β2≤39°。

為了使傾斜輸送提升裝置在作業(yè)時(shí)不發(fā)生堵塞并使多棵大白菜落在同一相鄰的兩個(gè)橡膠桿條內(nèi)，大白菜經(jīng)夾持導(dǎo)向裝置拋送至輸送裝置的水平距離與傾斜輸送的轉(zhuǎn)速也應(yīng)滿足：從上一棵大白菜落入上一個(gè)輸送區(qū)域位置開(kāi)始，到下一棵大白菜正好落下的這段時(shí)間內(nèi)，輸送提升裝置應(yīng)至少移動(dòng)兩個(gè)橡膠桿條的間距，這樣能最大程度地降低堵塞的機(jī)率又不會(huì)使鏈速過(guò)快，減小整體的振動(dòng)同時(shí)降低功耗，即

(18)

式中 Δt——相鄰兩棵大白菜夾持輸送的時(shí)間間隔，s

P——大白菜株距，m

sm——輸送鏈上相鄰兩個(gè)橡膠桿條間距，m

nm——Δt時(shí)間內(nèi)輸送鏈上橡膠桿條移動(dòng)的間距個(gè)數(shù)

H1——輸送鏈上部輸送區(qū)域長(zhǎng)度，m

Nm——輸送鏈上部輸送區(qū)域橡膠桿條的間距個(gè)數(shù)

圖9 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.9 Schematic of hydraulic transmission system

如前所述，β1取值范圍為15°～20°，β2取值不大于39°，v1取值不小于1.55 m/s，根據(jù)實(shí)際作業(yè)安裝位置要求和初步試驗(yàn)，選取夾持輸送皮帶傾角β1為15°，輸送傾角β2為10°，夾持皮帶線速度v1為1.55 m/s時(shí)，代入式(13)～(18)可知，大白菜脫口處(點(diǎn)a)與輸送帶垂直距離(即縱向高度差)h不大于0.31 m，此時(shí)大白菜經(jīng)拋送后水平方向位移lx的最大值為0.75 m，最小值為0.12 m，輸送帶點(diǎn)a至點(diǎn)b長(zhǎng)度不小于0.13 m，即相鄰的兩個(gè)橡膠桿條內(nèi)間距不小于0.13 m?？紤]到大白菜的中徑尺寸，為防止?jié)L落碰撞，設(shè)定單位時(shí)間Δt內(nèi)移動(dòng)兩個(gè)初始間距值(即nm=2,sm=0.15 m)，因株距P越大，輸送時(shí)v2最小取值越小，大白菜種植株距P為0.40 m，根據(jù)不碰撞條件，以此確定傾斜輸送線速度v2不小于0.90 m/s，取Nm為10，則輸送鏈上部輸送區(qū)域長(zhǎng)H1為1.50 m。取v2為0.90 m/s，根據(jù)

Pv=Nvmgv2cosβ2

(19)

式中Pv——傾斜輸送裝置功率，kW

Nv——輸送鏈上部輸送區(qū)域最大輸送大白菜數(shù)量

取Nv為10時(shí)，估算輸送裝置功率Pv約為0.26 kW。

2.4 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大白菜收獲機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)(圖9)主要采用液壓控制系統(tǒng)，用于大白菜收獲機(jī)各裝置的動(dòng)力傳遞。在高速液壓回路中，切割裝置和夾持導(dǎo)向裝置液壓馬達(dá)之間并聯(lián)，且切割裝置液壓馬達(dá)3、4采用串聯(lián)，但轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，夾持導(dǎo)向裝置同樣采用轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的液壓馬達(dá)5、6進(jìn)行串聯(lián)；在低速液壓回路中，傾斜輸送裝置和水平輸送裝置兩回路間采用并聯(lián)；各個(gè)回路上都配有調(diào)速閥，各并聯(lián)回路上都配有背壓閥，以確保負(fù)載變化時(shí)各液壓馬達(dá)工作的穩(wěn)定性。因大白菜植株物理力學(xué)特性存在差異，大白菜收獲機(jī)工作時(shí)，上述各部件液壓馬達(dá)的負(fù)載呈動(dòng)態(tài)變化。

對(duì)于切割裝置，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)式切割圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，單位工作行程內(nèi)切割圓盤(pán)進(jìn)行根部切割時(shí)所需的總功率P1主要包括切根功率P1q、空轉(zhuǎn)功率P1k以及傳遞給大白菜植株的機(jī)械能P1j，考慮到圓盤(pán)割刀轉(zhuǎn)動(dòng)切割對(duì)大白菜帶來(lái)的慣性力做功，引入功率系數(shù)λ。單個(gè)液壓馬達(dá)單位工作行程內(nèi)切割時(shí)所需功率計(jì)算式為

(20)

式中λ——功率系數(shù)，與割刀速度和割刀形式有關(guān)，取值范圍為40～110，本文取100

ps——準(zhǔn)靜態(tài)條件下單位工作行程內(nèi)切割單棵大白菜植株能耗，根據(jù)根部切割特性結(jié)果取1.72 J

M——單位工作行程內(nèi)切割大白菜數(shù)量，棵/m

hg——大白菜植株提升高度，m

v1j——大白菜植株切割后獲得的速度，m/s

本文所設(shè)計(jì)的收獲機(jī)最大前進(jìn)速度vm1約為1.50 m/s，株距為0.50 m，單位工作行程內(nèi)切割大白菜植株約3棵，大白菜植株被切根后提升高度約為大白菜夾持導(dǎo)向裝置的喂入口中心距地面高度，設(shè)計(jì)的夾持導(dǎo)向裝置的離地高度約為0.10 m，大白菜植株切根具有的速度v1j與夾持導(dǎo)向裝置線速度v1相同，約為1.55 m/s，設(shè)定單位工作行程內(nèi)切割大白菜植株質(zhì)量為3 kg。依據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得出單位工作行程內(nèi)切割大白菜所需功率P1q為0.52 kW，傳遞給大白菜植株機(jī)械功率約為0.02 kW，空轉(zhuǎn)功率P1k依據(jù)資料選取為0.20 kW，則單位工作行程內(nèi)切割總功率P1約為0.74 kW。液壓馬達(dá)排量V1m和輸入液壓馬達(dá)最大流量Q1m計(jì)算公式為

(21)

式中V1m——液壓馬達(dá)排量，mL/r

Q1m——輸入液壓馬達(dá)最大流量，mL/r

T1max——馬達(dá)負(fù)載最大轉(zhuǎn)矩，N·m

p1——液壓馬達(dá)工作壓力，MPa

p1b——回油被壓，取0.50 MPa

η1m——液壓馬達(dá)機(jī)械效率，取0.92

η1v——液壓馬達(dá)容積效率，取0.95

n1max——圓盤(pán)切割器最高轉(zhuǎn)速，r/min

本文設(shè)計(jì)圓盤(pán)切割器最高轉(zhuǎn)速n1max為600 r/min，液壓馬達(dá)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1max為11.78 N·m，依此預(yù)選用EM1-50型液壓馬達(dá)，額定排量為50 mL/r，額定壓力為6.0 MPa，由式(20)、(21)可得液壓馬達(dá)排量V1m為14.62 mL/r，輸入液壓馬達(dá)最大流量Q1m為9.22 mL/r，選用的液壓馬達(dá)符合要求。

對(duì)于夾持導(dǎo)向裝置，兩個(gè)夾持皮帶的主動(dòng)輪由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)；對(duì)于傾斜輸送裝置，主動(dòng)鏈輪由單個(gè)液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)。根據(jù)前文研究結(jié)論，設(shè)計(jì)確定的單條夾持皮帶功率Pc約為0.37 kW，傾斜輸送裝置功率Pv約為0.26 kW，均小于切割裝置的功率，因此，依據(jù)切割裝置液壓馬達(dá)選型設(shè)計(jì)方法，統(tǒng)一采用EM1-50型液壓馬達(dá)，經(jīng)校核均滿足工作條件。

3 樣機(jī)田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

研制的單行履帶自走式大白菜收獲機(jī)樣機(jī)于2021年12月2日在浙江省杭州市蕭山區(qū)凱爾達(dá)集團(tuán)紅墾農(nóng)場(chǎng)(30°11′44″N，120°16′44″E)的種植基地開(kāi)展了田間試驗(yàn)(圖10)。試驗(yàn)地塊隨機(jī)選取5行長(zhǎng)勢(shì)基本一致的大白菜，各選取20 m作為試驗(yàn)區(qū)，共進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)前，預(yù)先調(diào)整機(jī)器前進(jìn)速度至0.3 m/s左右，切根裝置、夾持導(dǎo)向裝置以及夾持導(dǎo)向裝置的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速分別調(diào)整至300、300、175 r/min左右，待夾持導(dǎo)向和切根液壓馬達(dá)運(yùn)行穩(wěn)定后，機(jī)器進(jìn)行收獲。測(cè)定前，預(yù)先清除試驗(yàn)測(cè)定區(qū)內(nèi)死亡、不成熟等不適宜收獲的大白菜植株。

圖10 自走式大白菜收獲樣機(jī)Fig.10 Prototype of self-propelled Chinese cabbage harvester

試驗(yàn)大白菜品種為早熟5號(hào)，采用寬壟多行露地種植模式，土壤質(zhì)地為粘壤土，壟面寬約900 mm，栽培株距為300～350 mm，行距為340～400 mm，平均株高為300～320 mm，菜體呈柱狀橢球形，菜體球中徑140～180 mm，展開(kāi)度為400～490 mm，單球質(zhì)量1.0～1.5 kg，大白菜主根部直徑為25～40 mm，根長(zhǎng)75～92 mm，植株平均含水率約為94.8%。

3.2 試驗(yàn)方法

參照甘藍(lán)以及甜菜收獲的相關(guān)試驗(yàn)方法[17]和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/Z 26582—2011、JB/T 6276—2007，以田間生產(chǎn)率、切根合格率、夾持成功率、輸送成功率和作業(yè)損失率等試驗(yàn)指標(biāo)作為大白菜收獲機(jī)械的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。各試驗(yàn)指標(biāo)定義如下：

(1)田間生產(chǎn)率

田間生產(chǎn)率為單位時(shí)間內(nèi)大白菜收獲機(jī)完成的實(shí)際作業(yè)面積。試驗(yàn)時(shí)需在上述5個(gè)測(cè)試區(qū)進(jìn)行測(cè)定，取平均值。實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)器作業(yè)幅寬根據(jù)大白菜的行距進(jìn)行估算，有

E=3.6Bv

(22)

式中E——生產(chǎn)率，hm2/h

B——機(jī)器作業(yè)幅寬，m

v——機(jī)器作業(yè)前進(jìn)速度，m/s

(2)切根合格率

切根合格率是指經(jīng)切割裝置切根合格的大白菜數(shù)量所占比例。其中，切根合格是指大白菜的切根位置位于較佳切根區(qū)域，且切根后大白菜球體未造成機(jī)械破損等現(xiàn)象。試驗(yàn)時(shí)需分別測(cè)定由切割裝置完成切根后合格的大白菜數(shù)量及收獲的大白菜數(shù)量，有

(23)

式中Qc——切根合格率，%

Nc——切根合格的大白菜數(shù)量，棵

N——收獲的大白菜數(shù)量，棵

(3)夾持成功率

夾持成功率是指試驗(yàn)測(cè)量區(qū)內(nèi)被切根成功，順利拔取引進(jìn)夾持導(dǎo)向裝置且未造成堵塞、掉落和切根損失的大白菜數(shù)量所占比例。試驗(yàn)時(shí)需測(cè)定有效夾持大白菜的數(shù)量，有

(24)

式中Qp——夾持成功率，%

Np——有效夾持拔取的大白菜數(shù)量，棵

(4)輸送成功率

輸送成功率是指經(jīng)傾斜輸送裝置提升輸送，未造成滑落和碰撞損失的大白菜數(shù)量所占的比例。試驗(yàn)時(shí)需測(cè)定有效輸送的大白菜數(shù)量。

(25)

式中Qs——輸送成功率，%

Ns——有效輸送的大白菜數(shù)量，棵

(5)作業(yè)損失率

作業(yè)損失率是指整個(gè)作業(yè)過(guò)程，成功收獲的大白菜中因收獲作業(yè)造成的大白菜球體機(jī)械損傷等導(dǎo)致無(wú)法貯運(yùn)銷售(符合NY/T 2868—2015、GB/Z 26582—2011等相關(guān)要求)的大白菜數(shù)量占總數(shù)比例。試驗(yàn)時(shí)需測(cè)定有效輸送的大白菜數(shù)量，有

(26)

式中LM——作業(yè)損失率，%

NM——機(jī)器作業(yè)損失的大白菜數(shù)量，棵

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

田間試驗(yàn)表明，樣機(jī)整體性能較穩(wěn)定，各裝置均能正常工作，總體上對(duì)大白菜植株損傷小，具有較高的收獲完整度，基本能滿足單行種植大白菜的收獲要求(圖11)。根據(jù)上述樣機(jī)試驗(yàn)方法，分別計(jì)算出每個(gè)測(cè)試區(qū)的田間生產(chǎn)率、切根合格率、夾持成功率、輸送成功率和作業(yè)損失率等試驗(yàn)指標(biāo)，取5次試驗(yàn)結(jié)果的平均值，每個(gè)測(cè)試區(qū)大白菜約為50棵，得到樣機(jī)田間試驗(yàn)的性能指標(biāo)，收獲機(jī)樣機(jī)田間生產(chǎn)率均值約為0.11 hm2/h，作業(yè)損失率均值約為7.84%，小于10%，輸送成功率約為100%，符合設(shè)計(jì)要求。

圖11 自走式大白菜收獲樣機(jī)田間收獲過(guò)程及收獲效果Fig.11 Harvesting process and effect of self-propelled Chinese cabbage harvesting prototype in field

對(duì)于切根過(guò)程，由于土壤不夠平整，作業(yè)時(shí)機(jī)器容易對(duì)行不準(zhǔn)，需要駕駛員進(jìn)行校準(zhǔn)，導(dǎo)致切割裝置切根合格率有所下降，但總體上切根合格率較高，均值約為93.40%，不存在漏割問(wèn)題，每個(gè)測(cè)試區(qū)只有2～4棵大白菜出現(xiàn)因切根高度調(diào)節(jié)不及時(shí)造成的切根損傷，驗(yàn)證了切根裝置設(shè)計(jì)的有效性。對(duì)于夾持過(guò)程，夾持成功率均值約為95.86%，對(duì)順利引拔進(jìn)入夾持導(dǎo)向裝置的大白菜均未發(fā)生掉落和夾持破損，但試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于同一試驗(yàn)測(cè)定區(qū)種植大白菜個(gè)體差異較大，導(dǎo)致個(gè)別較小球莖的大白菜無(wú)法被有效夾持喂入而掉落在夾持皮帶與切割裝置連接處的導(dǎo)向板上；且因大白菜種植模式不規(guī)范統(tǒng)一，行距和株距波動(dòng)范圍較大，導(dǎo)致樣機(jī)以較恒定的前進(jìn)速度工作時(shí)，個(gè)別株距較小的大白菜被切根后因未能及時(shí)被夾持住往后輸送，出現(xiàn)了夾持喂入口處堵塞的情況，每個(gè)測(cè)試區(qū)有1或2棵大白菜發(fā)生堵塞，但減慢前進(jìn)速度或人工剔除后即可順利夾持；以上兩種情況是導(dǎo)致夾持成功率下降的主要原因，但基本驗(yàn)證了夾持導(dǎo)向裝置參數(shù)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，也進(jìn)一步說(shuō)明了規(guī)范大白菜農(nóng)藝種植模式的重要性。對(duì)于經(jīng)切根后能順利夾持成功的大白菜在后續(xù)的傾斜輸送過(guò)程中基本無(wú)滑落和碰撞損失情況，輸送較穩(wěn)定，輸送成功率達(dá)100%，大白菜散狀外葉有效減少了滾落的概率。

綜上，大白菜收獲機(jī)損失形式主要以切根損失和夾持堵塞損失為主。一方面可能由于工作部件左前置式的安裝形式，一定程度上影響了駕駛員的視線，容易偏行；另一方面是因?yàn)榇蟀撞朔N植模式不夠統(tǒng)一規(guī)范，植株株距方向的直線度較差，需不斷調(diào)整切割裝置進(jìn)行對(duì)行。田間試驗(yàn)驗(yàn)證了收獲機(jī)各部件參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性及方案的可行性，但工作效率有待進(jìn)一步提高。通過(guò)進(jìn)一步統(tǒng)一大白菜農(nóng)藝種植規(guī)范，采用適宜標(biāo)準(zhǔn)化株距(350～500 mm)和行距(450～750 mm)，優(yōu)化設(shè)計(jì)輔助對(duì)行或喂入撥輪裝置等結(jié)構(gòu)，有利于提高大白菜機(jī)械化收獲質(zhì)量和效率。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種采用左鋸齒圓盤(pán)和右凹面圓盤(pán)重疊設(shè)置的大白菜切割裝置，分析確定了切根過(guò)程中順利切割且不產(chǎn)生漏切以及不損傷相鄰行大白菜的臨界條件，并以此確定了兩切割刀盤(pán)的初始工作參數(shù)。

(2)設(shè)計(jì)了一種柔性?shī)A持導(dǎo)向裝置，分析了大白菜在夾持輸送過(guò)程中不掉落、不堵塞、不擠傷的工作條件以及避免夾持皮帶打滑的夾持皮帶最小初始拉力，并以此確定了夾持導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)。

(3)設(shè)計(jì)了一種傾斜輸送提升裝置，分析了其輸送運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，確定了大白菜不發(fā)生跌落沖擊損傷以及不發(fā)生滾落的條件，以此確定了傾斜輸送提升裝置的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)。

(4)確定了全履帶式大白菜收獲機(jī)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的方案，并對(duì)切割裝置和夾持導(dǎo)向裝置驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的類型進(jìn)行了選擇計(jì)算。

(5)研制了單行履帶自走式大白菜收獲機(jī)樣機(jī)，提出了田間試驗(yàn)與性能檢測(cè)的方法，并完成了田間檢測(cè)試驗(yàn)，田間試驗(yàn)結(jié)果表明，該收獲機(jī)生產(chǎn)率為0.11 hm2/h，切根合格率為93.40%，夾持成功率為95.86%，輸送成功率為100%，作業(yè)損失率為7.84%，滿足設(shè)計(jì)要求，基本具備大白菜機(jī)械化收獲的能力。