小型電動(dòng)葉菜收割機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

祝正兵，楊蘭玉

（常熟理工學(xué)院，江蘇常熟 215500）

我國(guó)是世界上最大的葉菜類蔬菜生產(chǎn)國(guó)，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，葉菜類蔬菜收割對(duì)時(shí)效性的要求越來越高，人工收割已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足要求，因此機(jī)械收割越來越被人們所關(guān)注。葉菜類在蔬菜中占有很大的比例，目前雞毛菜等綠葉蔬菜的收割仍然依靠手工完成，費(fèi)時(shí)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、收割效率低[1]。設(shè)施農(nóng)業(yè)中，葉菜類蔬菜種植面積的快速發(fā)展對(duì)葉菜收割的機(jī)械化提出了一定的要求?；诖耍O(shè)計(jì)出一種適合我國(guó)國(guó)情的小型電動(dòng)葉菜收割機(jī)，對(duì)促進(jìn)實(shí)現(xiàn)葉菜收割的機(jī)械化具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

小型電動(dòng)葉菜收割機(jī)主要性能指標(biāo)見表1。

表1 主要性能指標(biāo)

1.2 設(shè)計(jì)方案

小型電動(dòng)葉菜收割機(jī)主要由采摘部件、輸送部件、機(jī)架部件、動(dòng)力部件及葉菜收集筐等組成，如圖1所示。收割機(jī)采用前輪導(dǎo)向后輪驅(qū)動(dòng)底盤系統(tǒng)，將電源放置于后端，以起到配重平衡的作用，保證收割機(jī)處于水平狀態(tài)并能沿直線行走，不偏離葉菜區(qū)域。切割部件采用 2.2 kW的汽油機(jī)作為動(dòng)力源，避免了柴油機(jī)自重大、噪聲大、油氣污染重等缺點(diǎn)，也解決了蓄電池自重大、連續(xù)作業(yè)時(shí)間短等問題，實(shí)現(xiàn)了過程充電，能夠長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)。該機(jī)型的總體結(jié)構(gòu)緊湊且輕便，適用于各類葉菜類蔬菜收割，起到了一機(jī)多用的效果[2-6]。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案圖

2 主要部件設(shè)計(jì)和計(jì)算

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 動(dòng)力電池組設(shè)計(jì)

依據(jù)切割、行駛、傳送等功率消耗4 h的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，若僅使用蓄電池供電，電池的容量必須要求60 Ah以上，采用4組48 V/20 Ah的鉛酸電池，電池重量約65 kg，將無法降低整機(jī)重量。因此，設(shè)計(jì)采用2.2 kW的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)切割部件、采摘部件和輸送部件，48 V/20 Ah的鉛酸電池電池組只作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，電池重量?jī)H為25 kg。

2.1.2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小型電動(dòng)葉菜收割機(jī)是將汽油發(fā)動(dòng)機(jī)傳出的扭矩轉(zhuǎn)化為割刀的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由離合裝置、撥叉組合、傳動(dòng)軸、V帶輪等組成[3]。利用離合器使撥叉拉動(dòng)張緊滾輪組合件，實(shí)現(xiàn)皮帶的張緊與松弛，皮帶輪從動(dòng)輪和齒輪箱主動(dòng)軸利用螺母緊固，主動(dòng)軸利用減速齒輪軸、連軸器等將動(dòng)力傳遞到偏心軸，從而帶動(dòng)連桿驅(qū)使刀片作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)切割，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于機(jī)架要承重，故選取30 mm×20 mm×2.5 mm的方鋼，便于承重與焊接。機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)架結(jié)構(gòu)三維圖

2.3 采摘部件設(shè)計(jì)

采摘部件是收割機(jī)的核心部件之一，這部分主要用于安裝切割和傳送裝置，且針對(duì)不同的作物切割裝置的高度可以隨時(shí)調(diào)整，高度的調(diào)整主要通過鉸鏈和機(jī)架自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。操作時(shí)，由機(jī)器操作員根據(jù)作物的實(shí)際生長(zhǎng)情況靈活地選擇收割高度，既達(dá)到質(zhì)量要求又避免浪費(fèi)。

2.3.1 割刀部件設(shè)計(jì)

割刀是收割機(jī)的核心部件之一，用于割斷所要收割的作物。按照采摘部位的不同，割刀可以分為刀片往復(fù)運(yùn)動(dòng)式和刀片回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)式兩種。選用雙刀往復(fù)式切割方式，刀片用不銹鋼制作，刀片種類為光刃式，切割的速度按實(shí)際的作物要求靈活選擇?？紤]到速度過低時(shí)可能無法切斷作物還會(huì)損壞刀片，設(shè)定速度的下限為0.6 m·s-1，而速度過大時(shí)容易收割不完全出現(xiàn)浪費(fèi)，因此取平均速度1.0 m·s-1。采摘部分刀片如 圖4所示。

圖4 雙刀雙動(dòng)往復(fù)式切割機(jī)構(gòu)示意圖

刀片相鄰刀尖間距為S，選用S=35 mm。取刀間的中間點(diǎn)推算割刀的平均速率，兩個(gè)刀片做相對(duì)的往復(fù)切割，兩者速度相同，但是運(yùn)動(dòng)的方向相反。工作時(shí)割刀的最低切割頻率

收割機(jī)移動(dòng)時(shí)，割刀上的某一點(diǎn)都在一個(gè)頻率中有兩次切割，則割刀上這一點(diǎn)與地面上的某一個(gè)點(diǎn)沿著收割機(jī)移動(dòng)方向的切割距離

式中：L為刀尖高度，mm；α為刀面與地面的 夾角，°。

Q的數(shù)值必須小于收割機(jī)在同等時(shí)間內(nèi)行駛的距離，否則切割時(shí)會(huì)發(fā)生漏割現(xiàn)象。機(jī)器前進(jìn)的最高速度v=140 mm·s-1。為避免發(fā)生漏割現(xiàn)象，割刀的最小切割頻率

選取式（1）和式（3）計(jì)算結(jié)果中較高的數(shù)值作為割刀的最低切割頻率，即fmin=11 Hz。割刀的切割頻率越高，切割質(zhì)量越高。隨著切割頻率的增高，割刀部分的沖擊量變大，收割機(jī)會(huì)發(fā)生很強(qiáng)的振動(dòng)，對(duì)割刀的損耗很大，因此，割刀最高切割頻率設(shè)定為fmax=50 Hz。割刀展示圖如圖5所示。

圖5 割刀展示圖

2.3.2 傳送部件設(shè)計(jì)

考慮到葉菜柔軟易損傷的特性，采用氣動(dòng)式輸送裝置，將割刀切割下來的葉菜輸送到下一級(jí)的傳送裝置上，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 600 r·min-1，風(fēng)速不低于15 m·s-1。根據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果，本機(jī)型的傾角為20°。

由于葉菜質(zhì)量小，輸送帶滿載時(shí)所受的壓力并不大，所以可以適當(dāng)提高輸送帶的運(yùn)行速度[7]。考慮到在作業(yè)時(shí)有可能會(huì)發(fā)生滑動(dòng)或者損傷葉菜的情況，設(shè)定帶速v=0.5 m·s-1。

因葉菜質(zhì)量較小，所以輸送裝置的功率消耗并不大，同時(shí)輸送裝置的功率主要消耗在葉菜的運(yùn)輸及滾筒自身的轉(zhuǎn)動(dòng)上。設(shè)滿載時(shí)，輸送帶上約運(yùn)載5 kg的葉菜，則

所以，運(yùn)輸葉菜消耗的功率

但由于輸送裝置所消耗的功率還包含驅(qū)動(dòng)皮帶和滾筒工作所消耗的功率，所以取輸送裝置的總消耗功率約為0.05 kW[7]。

2.3.3 氣動(dòng)收集裝置

氣動(dòng)收集裝置如圖6所示。

圖6 氣動(dòng)收集結(jié)構(gòu)三維圖

3 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

為了充分說明葉菜收割機(jī)的優(yōu)良性以及機(jī)械收割的重要性，在田間進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，將收割機(jī)與人工進(jìn)行對(duì)比作業(yè)，見表3。

表3 收割機(jī)收割和人工收割對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

從表中可直觀地發(fā)現(xiàn)，機(jī)械收割與人工收割差異懸殊，人工收割的成本約為機(jī)械收割的7倍，但是機(jī)械收割的效率約是人工收割的20倍?？梢钥闯?，葉菜收割機(jī)收割效率高，收割質(zhì)量好，且節(jié)省了大量的成本?，F(xiàn)場(chǎng)收割試驗(yàn)及調(diào)試見圖7。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)圖

4 結(jié)語

采用雙動(dòng)往復(fù)式割刀，經(jīng)割刀收割后的蔬菜是利用風(fēng)的吹力，將蔬菜吹至輸送帶上，大大減輕了蔬菜收獲后的二次破壞。由于風(fēng)量可調(diào)，相比傳統(tǒng)的扶禾器有更大的前景與優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器總質(zhì)量100 kg，攜帶了自動(dòng)能力，完全可以單人操作，對(duì)提高葉菜收割的速度、減少資源消耗和降低勞動(dòng)強(qiáng)度具有十分重要的意義，具有非常好的市場(chǎng)前景。