鏈輪提升式葉菜收割機(jī)的研究

劉 洪，張 凱

(南京信息工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210044)

0 引言

葉菜是指以植物嫩葉為主的蔬菜，如甜葉菊、菠菜、生菜等，已成為部分農(nóng)民增收致富的重要經(jīng)濟(jì)作物[1]。中國蔬菜的種植歷史已經(jīng)有幾千年了，在這幾千年蔬菜的收獲主要靠人力來完成[2]。但是人工收割過程成本高、效率低，于是逐漸開始研究使用機(jī)械來代替人力收割蔬菜，國外蔬菜收割的主要方法目前以機(jī)械收割為主。我國由于起步比較晚，蔬菜收獲機(jī)械的研究緩慢，葉菜類蔬菜的機(jī)械化收割研究還處于空白[3]。目前，葉類菜的收割方式主要仍是以人工和部分傳統(tǒng)的綠葉收割設(shè)備為主[4]，據(jù)統(tǒng)計(jì)人工收割成本占整個(gè)種植成本的30%左右[5]。

1 設(shè)計(jì)思路

收割機(jī)是一體化收割農(nóng)作物的機(jī)械，現(xiàn)今，我國有不少種類的收割機(jī)設(shè)備，但是大都是大型的收割設(shè)備，主要應(yīng)用于大型農(nóng)場的收割工作，在小型葉菜收割機(jī)上存在較大欠缺[6]，尤其是在面對(duì)不同大棚內(nèi)的不同收割環(huán)境時(shí)適用機(jī)型更顯得缺乏。

目前，小青菜收割機(jī)的傳送系統(tǒng)主要是采用傳送帶對(duì)切割下來的小青菜進(jìn)行傳送。該種傳送裝置為了防止小青菜的下滑，傳送帶的傾斜角較小，導(dǎo)致傳送帶所占空間很大，裝置較為笨重，即使得收割效率變低也不利于大棚蔬菜的作業(yè)。于是計(jì)了一種具有鏈輪提升機(jī)構(gòu)的綠葉菜收割裝置。

2 葉菜收割機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉菜收割機(jī)主要由切割裝置、輸送裝置、高度調(diào)整裝置、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成。整個(gè)收割流程簡述:先通過高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)割刀高度，然后打開電機(jī)驅(qū)動(dòng)撥禾輪和傳送帶開始運(yùn)動(dòng)。當(dāng)收割機(jī)開始向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，葉菜經(jīng)割刀的切割和撥禾輪的撥動(dòng)落到傳送機(jī)構(gòu)上，最后由鏈輪提升結(jié)構(gòu)傳動(dòng)輸送至收納盒中。其總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.主輪；2.高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；3.割刀；4.撥禾輪；5.傳送機(jī)構(gòu)；6.側(cè)板；7.收納盒

3 收割機(jī)的關(guān)鍵部件三維設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

本葉菜收割機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由多個(gè)電機(jī)、蓄電池以及主輪等部件構(gòu)成。其中蓄電池固定安裝在機(jī)架托板底部的控制箱中，為電機(jī)提供能源。割刀裝置、撥禾輪、鏈輪提升機(jī)構(gòu)處均配有一臺(tái)直流電機(jī)。根據(jù)各部分機(jī)構(gòu)要求搭配不同轉(zhuǎn)速、功率的直流電機(jī)，確定合適轉(zhuǎn)速比，其中割刀裝置、撥禾輪、鏈輪輸送機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)所選擇的電機(jī)功率分別為：600,60,300,600 W。

3.2 割刀裝置

為了簡化收割機(jī)的結(jié)構(gòu)并保證其適應(yīng)性，本文最終選擇了往復(fù)式切割裝置。本割刀裝置主要以直流電機(jī)為動(dòng)力來源，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)(其中曲柄由偏心輪代替)，通過偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)使連桿帶動(dòng)割刀發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而到達(dá)對(duì)葉菜根莖進(jìn)行切割的目的。往復(fù)式切割器通過上下兩部分的動(dòng)刀片相向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生剪切作用，完成對(duì)葉菜的切割工作，上下刀頭分別固定在刀桿上，與外驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相連接，電機(jī)通過傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞到偏心裝置，傳動(dòng)系統(tǒng)將回轉(zhuǎn)變?yōu)楦畹兜耐鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)。

為了利于切割，減少切割阻力，割刀刀片形狀設(shè)計(jì)為梯形形狀，而所切割的綠葉菜根莖直徑一般較小，所以刀片設(shè)計(jì)為：刀片頭尾兩頭寬度分別為20 mm和6 mm，刀片間距為30 mm,刀刃處采用切割角為20°帶有倒角的結(jié)構(gòu)。割刀切割頻率越高切割越順利，但切割頻率越高，切割器的慣性越大，機(jī)器會(huì)因此產(chǎn)生很大的振動(dòng)，造成零件的磨損等不良現(xiàn)象。通過對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析和求解可得割刀最低切割頻率需大于8.3 Hz，可以保證割茬整齊及切割質(zhì)量穩(wěn)定。其割刀裝置具體三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 割刀裝置三維圖

3.3 帶有鏈輪提升機(jī)構(gòu)的輸送裝置

輸送裝置為葉菜收割機(jī)的重要組成部分，負(fù)責(zé)將切割后的葉菜輸送至收集筐中。本收割機(jī)的輸送裝置主要由撥禾輪和鏈輪提升機(jī)構(gòu)構(gòu)成。其中鏈輪提升機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鏈輪提升機(jī)構(gòu)

撥禾輪的主要作用是將待切割的蔬菜向切割器的方向進(jìn)行引導(dǎo)，并在進(jìn)行切割時(shí)對(duì)蔬菜進(jìn)行扶持，同時(shí)將切割完成的蔬菜向輸送裝置進(jìn)行推送，防止蔬菜堆積在切割器上。本收割機(jī)使用軟毛刷作為撥禾輪葉片，一個(gè)撥禾輪上安裝5個(gè)軟毛刷葉片，整個(gè)撥禾輪裝置通過電動(dòng)形式提供動(dòng)能，不僅達(dá)到了將葉菜撥動(dòng)到傳送帶上的目的，也降低了葉菜的損傷率。

為了達(dá)到輕量高效的目的，本文設(shè)計(jì)了鏈輪提升機(jī)構(gòu)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的皮帶輪機(jī)構(gòu)。鏈輪提升機(jī)構(gòu)主要由主動(dòng)軸、從動(dòng)軸、鏈條、鏈輪和撥齒安裝板構(gòu)成。鏈輪安裝在主動(dòng)軸上，而鏈條一端與鏈輪發(fā)生嚙合，另一端與撥齒安裝板的底部平面固定連接。當(dāng)葉菜經(jīng)由撥禾輪推動(dòng)進(jìn)入撥齒安裝板時(shí)，主動(dòng)軸通過鏈輪使得固定在鏈條上的撥齒安裝板發(fā)生移動(dòng)，而撥齒安裝板的撥齒部分垂直于安裝板并且為波浪形狀，這使葉菜在上面運(yùn)輸時(shí)既受到安裝板靜摩擦力也受到撥齒支撐力，不易下滑。不僅如此，撥齒安裝板之間會(huì)有一些寬度為5 mm的縫隙，當(dāng)有泥土隨著葉菜進(jìn)入輸送裝置時(shí)，這些縫隙能保證泥土隨著葉菜的運(yùn)動(dòng)而從板間縫隙排出。

3.4 高度調(diào)節(jié)裝置

基于不同種類葉菜收割部位及作業(yè)環(huán)境的不同，割刀的高度不應(yīng)為一個(gè)固定值，于是設(shè)計(jì)安裝了一種如圖4的高度調(diào)節(jié)裝置來進(jìn)行調(diào)節(jié)。高度調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)為螺桿手輪，通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使割刀更加貼近地面完成不同高度的收割作業(yè)。其內(nèi)部與滑臺(tái)相連，滑臺(tái)一端固定在轉(zhuǎn)向輪上，滑臺(tái)可調(diào)節(jié)部分與機(jī)架相連，當(dāng)順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)螺桿手輪時(shí)，通過螺桿和滑塊的上下移動(dòng)使整個(gè)機(jī)架和割臺(tái)隨之升降，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)割刀高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。更好適應(yīng)不同蔬菜切割高度的需要，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜的準(zhǔn)確切割。根據(jù)實(shí)地需求本文設(shè)計(jì)的收割機(jī)切割高度可調(diào)范圍大約為10 cm左右。

圖4 高度調(diào)節(jié)裝置三維圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

鏈輪提升式葉菜收割機(jī)整機(jī)裝配后質(zhì)量大約為150 kg。在裝配后，選擇了南京市六合區(qū)的一戶農(nóng)家農(nóng)田作為試驗(yàn)地，分別以不同的行進(jìn)速度、不同的撥齒安裝板轉(zhuǎn)速、不同擋位的割刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行了多次試驗(yàn)，收割機(jī)的試驗(yàn)地作業(yè)情況如圖5所示。

圖5 收割機(jī)試驗(yàn)過程圖

試驗(yàn)測量表明當(dāng)調(diào)節(jié)行進(jìn)速度為低速擋時(shí)，其行進(jìn)速度為0～2.8 km·h-1,其收割效率可達(dá)0.5 hm2·h-1；當(dāng)調(diào)節(jié)行進(jìn)速度為中速擋時(shí)，其行進(jìn)速度為0～4.5 km·h-1,其收割效率為0～0.15 hm2·h-1；當(dāng)調(diào)節(jié)行進(jìn)速度為高速擋時(shí)，由于行進(jìn)速度較快反而造成葉菜收割損失率升高。綜上所述，行進(jìn)速度選擇4.5 km·h-1時(shí)，其葉菜割凈率最高，超過了96%，葉菜損壞率也低于期望目標(biāo)值4%，基本達(dá)到了預(yù)期要求。

5 結(jié)論

基于鏈輪提升式而設(shè)計(jì)了一款葉菜收割機(jī)，論述了葉菜收割機(jī)的設(shè)計(jì)思路、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)測定，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了收割機(jī)到達(dá)預(yù)期目標(biāo)，并為小型葉菜收割機(jī)提供了新的研究方向。

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