韭菜聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

辛 璐,張 梅,荀桂森,王家勝

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266109)

0 引言

目前,國內(nèi)韭菜收獲主要依靠人工完成,收獲效率低,用工成本居高不下[1-2]。韭菜收獲方式為割茬收獲,收獲期韭菜株高約30cm,割茬離地高度一般1～2cm,韭菜收割后要有序歸集后捆扎,不能亂序[3-4]。國外綠葉菜收獲技術(shù)與裝備研究較早,日本川崎公司研發(fā)的風(fēng)送式葉菜收獲機(jī),采用高速往復(fù)式雙動(dòng)刀切割方式,利用高壓氣流將割后葉類蔬菜吹送到收集袋中,實(shí)現(xiàn)了無損傷輸送,適宜收獲小葉類蔬菜。韓國的波特蘭公司研發(fā)的MT系列葉菜收獲機(jī),采用往復(fù)式割刀,割后經(jīng)輸送帶運(yùn)送收集[5]。意大利HORTECH公司開發(fā)了SLIDE TW蔬菜收獲機(jī),采用環(huán)狀鋸齒帶刀自定心切割技術(shù),割臺(tái)高度自動(dòng)可調(diào),收獲過程中蔬菜由夾持輸送帶夾持后切割,切割后通過夾持帶分行夾持輸送,再由人工完成分揀[6]。我國葉類蔬菜收獲裝備最近幾年才引起重視,江蘇大學(xué)研制了一種三葉菜機(jī)械收獲裝置,采用往復(fù)式割刀切割三葉菜,并在風(fēng)機(jī)風(fēng)管的作用下將三葉菜直接吹送至后方收集箱中收集[7]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所與南通富來威有限公司研究了葉菜無序收獲裝備,適于雞毛菜、菠菜等葉菜收獲[8-9]。用于韭菜等葉類蔬菜有序收獲裝備研究較少,目前市場上應(yīng)用主要是從韓國引進(jìn)的手扶式單行收割機(jī),可完成韭菜的切割、夾持輸送和鋪放,再由人工完成打捆[4,10]。

為此,針對(duì)現(xiàn)有韭菜收割機(jī)當(dāng)前韭菜機(jī)械化收獲存在的割茬不齊、鋪放亂序及人工歸集打捆效率低等問題,結(jié)合國內(nèi)韭菜種植模式和農(nóng)藝要求,設(shè)計(jì)了一種韭菜聯(lián)合收獲機(jī),可將韭菜收獲與打捆工序集成化,從而進(jìn)一步提高韭菜收獲的效率。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

機(jī)器采取單行收獲方式,電動(dòng)自走式結(jié)構(gòu),整機(jī)由扶禾器部件、切割裝置、夾持輸送裝置、間歇輸送裝置、集束歸集裝置和打捆裝置等組成,機(jī)器的輪距為0.25m,整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸長×寬×高為2.8m×0.7m×1.0mm,如圖1所示。

圖1 韭菜聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic of Chinese chive combine harvest

工作過程中,隨著機(jī)器前進(jìn),扶禾器部件將單行韭菜秧苗與鄰行分開后扶起,并對(duì)其聚攏導(dǎo)引喂入到夾持輸送裝置;在夾持帶輔助夾持下,回轉(zhuǎn)式切割刀快速齊茬切割韭菜,收割后的韭菜隨夾持輸送裝置向后輸送并由豎直狀態(tài)旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài),之后被拋放至間歇輸送裝置;待韭菜累計(jì)到設(shè)定量,將韭菜傳送至半圓形集束歸集裝置進(jìn)行歸集呈束,呈束韭菜被送入打捆裝置進(jìn)行打捆,完成收獲作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 扶禾器部件的設(shè)計(jì)

扶禾器部件結(jié)構(gòu)由兩個(gè)扶禾器單體對(duì)稱布置構(gòu)成,每個(gè)單體分別由扶禾底板、扶禾導(dǎo)板和喂入導(dǎo)桿組成,如圖2所示。工作過程中,扶禾底板貼地面行進(jìn),側(cè)傾的韭菜植株在弧形扶禾導(dǎo)板作用下被扶持立起,并在喂入導(dǎo)桿的導(dǎo)引下進(jìn)入到夾持輸送裝置。韭菜種植行距一般為0.22～0.28m,因此取兩個(gè)扶禾器單體間距W=0.25m。扶禾器的結(jié)構(gòu)尺寸依據(jù)韭菜的高度確定,由于韭菜的株高尺寸存在差異,根據(jù)文獻(xiàn)[11]對(duì)韭菜的株高統(tǒng)計(jì)。為防止韭菜植株漏扶,同時(shí)考慮過高的莖葉側(cè)傾,確定喂入導(dǎo)桿最大離地高度H1=0.18m,扶禾導(dǎo)板最高離地高度H2=0.25m,喂入導(dǎo)桿與地面傾角θ=40°。

(a)對(duì)稱布置 (b)單體圖 W.扶禾器單體間距(m) H1.喂入導(dǎo)桿最大離地高度(m) H2.扶禾底板長度(m) θ.喂入導(dǎo)桿與地面傾角(°)圖2 扶禾裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structural diagram of grain-holder

2.2 切割部件設(shè)計(jì)

作物莖稈常用的切割器分為往復(fù)式切割器和回轉(zhuǎn)式切割器兩種類型[12-13]:往復(fù)式切割器利用動(dòng)刀片與定刀片相對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切作用切斷禾株,適合寬幅收獲,缺點(diǎn)是傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,往復(fù)運(yùn)動(dòng)因慣性變化引起的振動(dòng)會(huì)影響部件壽命和作業(yè)穩(wěn)定性[14-15];回轉(zhuǎn)式切割器結(jié)構(gòu)較簡單,但需要較高的切削速度才能切斷禾株[16]。本文所設(shè)計(jì)收獲機(jī)為單行收獲,結(jié)構(gòu)空間布置緊湊,且韭菜在夾持輔助下完成切割,因此選用回轉(zhuǎn)式切割器。切割裝置整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。工作時(shí),切割器通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),經(jīng)傳動(dòng)軸和錐齒輪帶動(dòng)切割刀旋轉(zhuǎn)。

切割刀采用四星齒式回轉(zhuǎn)刀(見圖4),每個(gè)星齒的側(cè)切削刃在旋轉(zhuǎn)過程中完成對(duì)韭菜植株的切割。切割刀的最大回轉(zhuǎn)直徑為

Dmax=D+2L

(1)

式中Dmax—切割刀的最大回轉(zhuǎn)直徑(m);

D—切割刀基圓直徑(m);

L—星齒有效切割長度(m)。

切割刀的回轉(zhuǎn)輪廓既覆蓋單行韭菜幅寬,同時(shí)又避免割到臨行韭菜,則切割刀的最大回轉(zhuǎn)直徑需滿足

Wp≤Dmax≤Wt

(2)

式中Wp—單行韭菜植株幅寬(m);

Wt—隔行韭菜間距(m)。

經(jīng)測量,單行韭菜植株幅寬Wp=0.15～0.2m,隔行韭菜間距Wt=0.4～0.5m。綜合考慮以上條件取D=0.15m,L=0.04m。

圖3 切割裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structural diagram of cutting unit

圖4 四星齒回轉(zhuǎn)刀Fig.4 Four star tooth rotary cutter

在相鄰星齒切削間隔時(shí)間,機(jī)器的前進(jìn)距離小于星齒的有效切削長度才能保證韭菜不漏割,故確保韭菜不漏割的條件為

(3)

式中n—圓盤刀轉(zhuǎn)速(r/min);

v—機(jī)器前進(jìn)速度(m/s);

N—星齒數(shù)(個(gè))。

為確保工作效率,要求機(jī)器工作時(shí)前進(jìn)速度v=1.5m/s,并將N=4個(gè)、L=0.04m帶入式(3),得到n≥562r/min。電機(jī)選型為24V直流電機(jī)(H8D24-60D),最高轉(zhuǎn)速1500r/min,滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 夾持輸送部件設(shè)計(jì)

夾持輸送部件主要由一組主動(dòng)帶輥、兩組從動(dòng)帶輥和兩組夾持輸送帶組成,如圖5所示。工作時(shí),主動(dòng)帶輥同時(shí)帶動(dòng)兩組夾持輸送帶完成切割后韭菜的夾持輸送。其中,從動(dòng)帶輥I與主動(dòng)帶輥的軸線呈異面垂直,韭菜植株在夾持輸送帶I的輸送過程中,由剛夾持的直立狀態(tài)逐漸翻轉(zhuǎn)為水平狀態(tài);從動(dòng)帶輥II則與主動(dòng)帶輥的軸線平行,作用是將平躺的韭菜輸送到間歇輸送裝置。

圖5 夾持輸送裝置簡圖Fig.5 Schematic diagram of clamping conveying device

主動(dòng)帶輥及輸送帶結(jié)構(gòu)如圖6所示。主動(dòng)帶輥中間帶動(dòng)夾持輸送帶I,兩側(cè)帶動(dòng)兩條夾持輸送帶II。夾持輸送帶由兩層不同材料構(gòu)成,與帶輥接觸的底層是橡膠纖維材料的異型帶,外層貼有柔性海綿層,在與韭菜夾持接觸時(shí),避免損傷植株。主動(dòng)帶輥中間輥直徑D1=0.15m,寬度L2=0.18m,兩側(cè)輥直徑D2=0.18m,寬度L1=0.10m。

圖6 主動(dòng)帶輥及夾持輸送帶Fig.6 Driving belt roller and clamping conveyor belt

2.4 集束打捆關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.4.1 集束打捆流程控制策略

韭菜收割過程為不間斷的連續(xù)作業(yè),為完成韭菜呈束打捆,設(shè)計(jì)如圖7所示流程控制策略。首先,由間歇輸送裝置在停止?fàn)顟B(tài)下將夾持輸送裝置傳送來的韭菜進(jìn)行定量歸集,再由間歇輸送裝置在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下將定量歸集的韭菜傳送到集束歸集裝置;接著,集束歸集裝置將呈束韭菜傳送到打捆裝置完成打捆,同時(shí)間歇輸送裝置在停止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行定量歸集,重復(fù)下一輪的流程。

圖7 韭菜定量集束打捆流程Fig.7 Flow chart of quantitative cluster bundling of Chinese chive

2.4.2 間歇輸送裝置結(jié)構(gòu)

間歇輸送裝置(見圖8)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送帶間歇運(yùn)動(dòng),通過程序可控制間歇停留時(shí)間的長短,從而控制韭菜每束歸集量的多少。輸送帶兩間隔板間的距離為每次間隙運(yùn)動(dòng)的距離,根據(jù)韭菜尺寸及試驗(yàn),按照1kg韭菜呈束量,輸送帶寬度B=0.4m,間隔板間距C=0.6m,間隔板高度h=0.05m。

圖8 間歇輸送裝置Fig.8 Intermittent conveying device

2.4.3 集束歸集裝置結(jié)構(gòu)

集束歸集裝置由半圓筒狀集束器、推送氣缸及推送滑軌組成,如圖9所示。工作時(shí),集束器在推送氣缸的作用下可沿推送滑軌往復(fù)滑動(dòng),實(shí)現(xiàn)將歸集呈束的韭菜送到打捆裝置完成打捆。根據(jù)韭菜呈束量,集束器的結(jié)構(gòu)尺寸長×寬×深為0.4m×0.2m×0.3m。

2.4.4 打捆裝置結(jié)構(gòu)原理

打捆裝置主要由儲(chǔ)帶裝置、送帶裝置、打捆帶道、熱熔裝置、傳動(dòng)總成及控制機(jī)芯等部分組成,如圖10所示。其基本工作原理如下:當(dāng)集束歸集裝置將收集好的韭菜束輸送至打捆帶道內(nèi),光電器將檢測信號(hào)發(fā)送給控制器,控制器發(fā)送指令,送帶輪將打捆帶道內(nèi)的OPP帶膜拉出扎緊韭菜束;最后,依靠熱熔裝置將膜帶熔化粘結(jié),完成韭菜打捆作業(yè)。

圖9 集束歸集裝置Fig.9 Cluster collection device

圖10 打捆裝置示意圖Fig.10 Schematic diagram of bunding device

3 臺(tái)架性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

為了驗(yàn)證韭菜聯(lián)合收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能,構(gòu)建了韭菜聯(lián)合收獲機(jī)室內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái),如圖11所示。該臺(tái)架除了行走裝置外,其結(jié)構(gòu)按照上述各關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行加工組裝。另外,利用速度可調(diào)的水平帶式輸送裝置,將種有韭菜的栽植盤輸送喂入刀收獲機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架模擬田間收割作業(yè)。

試驗(yàn)材料為“獨(dú)根紅”韭菜,植株長350～450mm,莖粗3.2～3.6mm。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)與結(jié)果

通過試驗(yàn)評(píng)價(jià)韭菜收獲機(jī)的工作性能,評(píng)價(jià)指標(biāo)包括齊茬率、損傷率和損失率。其中,齊茬率是指韭菜收割后,韭菜割茬達(dá)到設(shè)定高度±5mm范圍的韭菜植株數(shù)量占總收獲株數(shù)的百分比。損傷率是指收獲過程中損傷韭菜的質(zhì)量占收獲韭菜總質(zhì)量的百分比。損失率是指機(jī)收過程中漏收與掉落韭菜的質(zhì)量占收獲總質(zhì)量的百分比。

圖11 室內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.11 Indoor test bed

按照以上指標(biāo)定義進(jìn)行臺(tái)架重復(fù)試驗(yàn),每次試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次,取平均值,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,結(jié)果如表1所示。

整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)表明:收獲機(jī)能較低損傷、較高質(zhì)量地完成韭菜齊茬收割、有序輸送和集束打捆的聯(lián)合收獲功能,作業(yè)性能指標(biāo)達(dá)到了機(jī)器的設(shè)計(jì)要求和韭菜收獲農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

1)結(jié)合韭菜種植模式,設(shè)計(jì)了一種韭菜聯(lián)合收獲機(jī),整機(jī)采用電動(dòng)自走式結(jié)構(gòu),主要由扶禾器部件、切割裝置、夾持輸送裝置、間歇輸送裝置、集束歸集裝置和打捆裝置組成,可連續(xù)完成韭菜的喂入切割、夾持輸送、有序鋪放及歸集打捆等功能。

2)構(gòu)建了韭菜聯(lián)合收獲機(jī)室內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái),臺(tái)架性能試驗(yàn)表明:收獲齊茬率93.1%,損傷率2.6%,損失率1.8%,收獲機(jī)能夠較低損傷、較高質(zhì)量的完成韭菜齊茬收割、有序輸送和集束打捆的聯(lián)合收獲功能,作業(yè)性能指標(biāo)達(dá)到了機(jī)器的設(shè)計(jì)要求和韭菜收獲農(nóng)藝要求。