大蒜多行聯(lián)合收獲機(jī)秧果集送裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

楊紅光，胡志超，彭寶良，王冰，張延化，于昭洋

(1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京市，210014)

0 引言

大蒜機(jī)械化聯(lián)合收獲可以一次性完成大蒜植株的挖掘起拔、去土輸送、切莖和蒜頭收集等工序，是實(shí)現(xiàn)大蒜高質(zhì)、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是一個(gè)國家大蒜機(jī)械化生產(chǎn)水平的重要體現(xiàn)。我國大蒜種植面積大、范圍廣，大蒜主產(chǎn)區(qū)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化聯(lián)合收獲是必然選擇。

在大蒜機(jī)械化收獲方面，美國、法國、西班牙、日本等研究早，技術(shù)裝備較為成熟[1-2]。但受大蒜品種和種植模式限制，國外相關(guān)技術(shù)裝備并不適用于當(dāng)前我國大蒜收獲作業(yè)。而我國對(duì)大蒜機(jī)械化收獲技術(shù)裝備的研究相對(duì)較晚，理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)積累較為薄弱，而且早期的研究多集中在與手扶拖拉機(jī)和小四輪拖拉機(jī)配套使用的中小型大蒜挖掘機(jī)上[3-5]。彭寶良等[6]在前期相關(guān)研究基礎(chǔ)之上，率先研發(fā)出4DLB-2型半喂入自走式大蒜聯(lián)合收獲機(jī)，并開展了較多試驗(yàn)研究工作[7-9]。隨后國內(nèi)多家科研單位對(duì)大蒜聯(lián)合收獲技術(shù)裝備開展研究。韓可[10]研發(fā)出一款4DS-6型大蒜聯(lián)合收獲機(jī)；寧金偉等[11]研發(fā)出一款單行打捆式大蒜聯(lián)合收獲機(jī)；馬凱等[12]研發(fā)出一款全自動(dòng)6行大蒜聯(lián)合收獲機(jī)；趙東等[13]研發(fā)出一款4行模塊化大蒜聯(lián)合收獲機(jī)；崔軍等[14-16]分別研發(fā)出2行和6行大蒜聯(lián)合收獲機(jī)。

經(jīng)過學(xué)者們近年來的持續(xù)技術(shù)攻關(guān)，我國大蒜聯(lián)合收獲技術(shù)裝備不斷豐富，性能也進(jìn)一步得到優(yōu)化提升。但是，當(dāng)前1行或2行聯(lián)合收獲作業(yè)的大蒜收獲機(jī)械由于作業(yè)效率較低，已不能滿足我國大蒜機(jī)械化收獲需求；同時(shí)，大蒜打捆聯(lián)合收獲作業(yè)模式也不適宜當(dāng)前我國大蒜生產(chǎn)需求。隨著我國人工老齡化問題的加劇，廣大蒜農(nóng)迫切需要性能可靠的大蒜多行(≥3行)聯(lián)合收獲機(jī)，來實(shí)現(xiàn)大蒜高效率、低人工勞動(dòng)強(qiáng)度的收獲作業(yè)。大蒜多行聯(lián)合收獲成為大蒜機(jī)械化收獲的重要發(fā)展方向，大蒜多行聯(lián)合收獲技術(shù)裝備研發(fā)成為大蒜產(chǎn)業(yè)亟需解決的問題。秧果的歸集輸送是大蒜多行聯(lián)合收獲作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，既要保證整機(jī)結(jié)構(gòu)簡便，又要實(shí)現(xiàn)多行秧果的統(tǒng)一分別歸集輸送。而現(xiàn)有的大蒜多行聯(lián)合收獲機(jī)的秧果歸集輸送作業(yè)多采用兩套裝置完成，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布置方式，極易造成整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和動(dòng)力浪費(fèi)。因此，結(jié)合我國收獲期大蒜植株特性和多行大蒜同時(shí)收獲作業(yè)的實(shí)際需求，研發(fā)簡單實(shí)用的秧果歸集輸送裝置，為大蒜多行聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵裝置支撐，對(duì)推動(dòng)我國大蒜多行聯(lián)合收獲機(jī)械的研發(fā)應(yīng)用具有重要意義。

1 秧果集送裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

依據(jù)收獲期大蒜植株特性和多行大蒜同時(shí)收獲作業(yè)需求，設(shè)計(jì)的秧果集送裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由驅(qū)動(dòng)部件、桿式輸送鏈、輸送鏈支撐架、防護(hù)側(cè)板、出料口等組成。其中，驅(qū)動(dòng)部件由鏈輪、傳動(dòng)軸和帶座軸承等組成，通過兩側(cè)軸承座與輸送鏈支撐架相連接，經(jīng)鏈輪帶動(dòng)桿式輸送鏈運(yùn)動(dòng)；桿式輸送鏈整體結(jié)構(gòu)呈拐角形，包含水平段和豎直段，主要由兩條平行的回環(huán)鏈組成，兩條回環(huán)鏈之間安裝有間隔分布的桿條，桿條上安裝有向內(nèi)和向外的蒜頭歸集板和蒜秧歸集板，在桿式輸送鏈運(yùn)動(dòng)過程中分別實(shí)現(xiàn)蒜頭和蒜秧的歸集作業(yè)。輸送鏈支撐架包括主支撐架和張緊支撐架兩部分，主支撐架作用是支撐桿式輸送鏈形成拐角形結(jié)構(gòu)，張緊支撐架作用是調(diào)整桿式輸送鏈的張緊程度，滿足蒜秧和蒜頭的歸集輸送作業(yè)要求。

圖1 整體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Overall structure1.輸送鏈支撐架 2.出料口 3.驅(qū)動(dòng)部件 4.桿式輸送鏈 5.防護(hù)側(cè)板

1.2 工作原理

多行大蒜聯(lián)合收獲時(shí)，每行大蒜植株依次歷經(jīng)挖掘起拔、夾持輸送、去土切莖等作業(yè)工序。一方面，被切下的蒜頭向下掉落，經(jīng)過橡膠導(dǎo)蒜滑板進(jìn)入秧果集送裝置的桿式輸送鏈水平段內(nèi)側(cè)回環(huán)中，在蒜頭歸集板的撥擋作用下，隨輸送鏈逐步由水平段運(yùn)動(dòng)至豎直段，最后經(jīng)出料口進(jìn)入后續(xù)作業(yè)環(huán)節(jié)；另一方面，被切下的蒜秧在割臺(tái)夾持輸送鏈末端的導(dǎo)秧機(jī)構(gòu)的引導(dǎo)作用下，傾斜向下落入秧果集送裝置的桿式輸送鏈水平段外側(cè)回環(huán)上，在蒜秧歸集板的撥擋作用下，隨輸送鏈運(yùn)動(dòng)，最后被成條鋪放在機(jī)器前進(jìn)方向右側(cè)的田塊中。

2 秧果集送裝置設(shè)計(jì)分析

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)與原理

蒜秧和蒜頭的歸集輸送是多行大蒜聯(lián)合收獲作業(yè)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，我國已有的大蒜多行聯(lián)合收獲機(jī)蒜秧和蒜頭的歸集輸送多采用兩套裝置完成，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布置方式，極易造成整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和動(dòng)力浪費(fèi)。因此，本設(shè)計(jì)的秧果集送裝置的依據(jù)及原理如下。

1) 結(jié)構(gòu)簡便、性能可靠，同時(shí)消耗功率小。

2) 在確保結(jié)構(gòu)簡便的前提下，盡量通過一套裝置完成蒜秧和蒜頭的歸集輸送作業(yè)。

3) 在確保通過一套裝置實(shí)現(xiàn)蒜秧和蒜頭分別歸集輸送作業(yè)的前提下，充分考慮裝置整體尺寸大小及結(jié)構(gòu)型式，以便于與聯(lián)合收獲機(jī)其他作業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行銜接和匹配安裝。同時(shí)，蒜頭的歸集輸送作業(yè)時(shí)應(yīng)確保不傷蒜和漏蒜。

2.2 整體結(jié)構(gòu)尺寸與安裝位置分析

秧果集送裝置主要作用是完成蒜秧和蒜頭的分別歸集輸送，是大蒜聯(lián)合收獲機(jī)(特別是大蒜多行聯(lián)合收獲機(jī))的關(guān)鍵作業(yè)機(jī)構(gòu)。按照簡單實(shí)用的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，將蒜秧和蒜頭歸集兩道工序通過一套裝置完成。為實(shí)現(xiàn)蒜秧和蒜頭的分別歸集輸送作業(yè)，將秧果集送裝置設(shè)計(jì)成拐角形結(jié)構(gòu)。結(jié)合整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸(履帶式行走底盤尺寸)、功能需求(作業(yè)行數(shù))及與其他部件相對(duì)安裝位置關(guān)系等，如圖2所示，設(shè)計(jì)秧果集送裝置桿式輸送鏈水平段的主體長度L1為1 500 mm、寬度C為220 mm、高度H1為260 mm，豎直段的主體長度L2為800 mm、寬度和水平段相同、高度H2為300 mm。

圖2 輸送鏈結(jié)構(gòu)尺寸Fig. 2 Structure size of conveying chain

在與聯(lián)合收獲機(jī)其他作業(yè)機(jī)構(gòu)銜接方面，設(shè)計(jì)的秧果集送裝置整體位于多行大蒜聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)尾部，水平段滿幅寬分布于多行大蒜割臺(tái)夾持輸送鏈末端下側(cè)、豎直段分布于多行大蒜割臺(tái)夾持輸送鏈末端外側(cè)。秧果集送裝置及相關(guān)部分具體安裝位置如圖3所示，桿式輸送鏈水平段位于割臺(tái)夾持輸送鏈末端和導(dǎo)秧鏈下部，秧莖切割部件位于秧果集送裝置前側(cè)中下位置。通過割臺(tái)夾持輸送鏈末端的導(dǎo)秧機(jī)構(gòu)來調(diào)整蒜秧姿態(tài)，保證蒜秧傾斜或水平落入桿式輸送鏈水平段外側(cè)回環(huán)上，通過橡膠導(dǎo)蒜滑板保證將切下的蒜頭順利送入桿式輸送鏈水平段內(nèi)側(cè)回環(huán)中。

圖3 安裝位置Fig. 3 Installation position1.導(dǎo)秧機(jī)構(gòu) 2.夾持輸送鏈 3.蒜秧歸集板 4.蒜頭歸集板5.秧果集送裝置 6.秧莖切割部件

2.3 桿式輸送鏈主要參數(shù)設(shè)計(jì)分析

桿式輸送鏈?zhǔn)茄砉脱b置的核心部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)作業(yè)性能起決定性作用。其中，桿式輸送鏈的桿條間距、蒜秧和蒜頭歸集板的分布間距是主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。桿式輸送鏈的桿條除了具有輸送作用外，在運(yùn)動(dòng)的過程中也具有一定的去土效果，間距過大會(huì)造成蒜頭漏出，間距過小會(huì)影響去土性能。依據(jù)前面對(duì)大蒜鱗莖尺寸的測定，選取輸送鏈的桿條直徑為6 mm、間距為38 mm，既保證不漏蒜，又具有較好的去土效果。同時(shí)，考慮到剛被起挖的大蒜鱗莖較為鮮嫩，怕碰傷，因此在桿條上套裝橡膠軟管，減少鱗莖損傷。

蒜秧和蒜頭歸集板在桿式輸送鏈上的分布間距同樣影響作業(yè)效果。結(jié)合前面測定的蒜秧和蒜頭尺寸，以及臺(tái)架預(yù)試驗(yàn)研究，如圖4所示。

圖4 歸集板尺寸Fig. 4 Collecting plate dimension

設(shè)計(jì)的蒜秧和蒜頭歸集板通過螺栓連接進(jìn)行集成安裝，選定其分布間距E為200 mm。其中，蒜秧歸集板呈槽鋼型，高度h1為10 mm；蒜頭歸集板呈兩邊開口狀，高度h2為70 mm，兩側(cè)傾角α均為135°，低端有效歸集深度h3為10 mm、高端有效歸集深度h4為25 mm。

3 秧果集送裝置性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2020年5月在江蘇省射陽縣合德鎮(zhèn)友愛村大蒜種植基地進(jìn)行，試驗(yàn)地為砂壤土，面積>1.5 hm2。大蒜品種為射陽白蒜，直立性較好，無地膜覆蓋，種植株距100 mm、行距200 mm。在田地中，隨機(jī)選取50株大蒜植株對(duì)如圖5所示的蒜秧有效夾持高度L、假莖直徑d、鱗莖直徑D、鱗莖高度H進(jìn)行測定。結(jié)果表明，蒜秧有效夾持高度45.6～58.4 mm、假莖直徑13.1～18.3 mm、鱗莖直徑43.8～65.2 mm、鱗莖高度34.5～45.9 mm。

圖5 大蒜植株參數(shù)Fig. 5 Garlic plant parameters

3.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

將研發(fā)試制的秧果集送裝置安裝于自制的多行大蒜聯(lián)合收獲樣機(jī)上，以聯(lián)合收獲機(jī)為試驗(yàn)臺(tái)架，選取4行收獲作業(yè)模式，以蒜秧和蒜頭收集率為指標(biāo)驗(yàn)證秧果集送裝置的性能。試驗(yàn)時(shí)通過人工方式喂料，結(jié)合前期相關(guān)研究[17-18]和多行大蒜聯(lián)合收獲預(yù)試驗(yàn)研究，割臺(tái)夾持輸送鏈運(yùn)動(dòng)速度取0.7 m/s、秧莖切割部件刀片刃口線速度取2.0 m/s、秧果集送裝置輸送鏈線速度取0.87 m/s，蒜秧喂入夾持高度取200～280 mm。為保證物料特性和田間一致，試驗(yàn)采取人工現(xiàn)場拔秧的方式，試驗(yàn)用大蒜植株物料從被拔起至進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)間間隔控制在30 min內(nèi)。試驗(yàn)時(shí)由4名試驗(yàn)員同時(shí)將大蒜植株逐個(gè)連續(xù)喂入聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)夾持輸送鏈中，進(jìn)行后續(xù)作業(yè)。試驗(yàn)共3組，每組喂入大蒜200株(每位試驗(yàn)員喂入50株)，試驗(yàn)結(jié)束后統(tǒng)計(jì)每組未完成歸集輸送的蒜秧和蒜頭數(shù)量，計(jì)算蒜秧和蒜頭收集率，取3組試驗(yàn)的平均值作為最后試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果如表1所示，蒜秧平均有效收集率98.17%、蒜頭有效收集率100%。

表1 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 Bench test results

如圖6所示，為了更好地檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的秧果集送裝置的性能，結(jié)合田間種植大蒜植株參數(shù)的測定和臺(tái)架試驗(yàn)研究，選取4行大蒜進(jìn)行田間收獲性能試驗(yàn)，機(jī)器前進(jìn)速度取0.6 m/s、挖掘機(jī)構(gòu)作業(yè)深度取100 mm、其他參數(shù)與臺(tái)架試驗(yàn)相同，每個(gè)試驗(yàn)測區(qū)收獲作業(yè)長度為3 m，人工預(yù)先將測區(qū)內(nèi)蒜秧倒伏嚴(yán)重而影響起拔夾持的大蒜植株清除， 統(tǒng)計(jì)測區(qū)內(nèi)未被歸集輸送的蒜秧和蒜頭數(shù)量。結(jié)果如表2所示，設(shè)計(jì)的秧果歸集輸送裝置可用于多行大蒜聯(lián)合收獲機(jī)上，作業(yè)過程流程、結(jié)構(gòu)合理、性能可靠，蒜秧平均有效收集率97.01%、蒜頭有效收集率100%，滿足多行大蒜聯(lián)合收獲對(duì)秧果收集輸送的作業(yè)要求。

圖6 田間收獲試驗(yàn)Fig. 6 Field harvest test

表2 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Field test results

田間收獲試驗(yàn)測定的蒜秧收集率略低于臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果，其主要原因是臺(tái)架試驗(yàn)過程中人工拔取試驗(yàn)物料，在此過程中未選用長勢較小的大蒜植株。而田間試驗(yàn)過程中每行大蒜中不可避免會(huì)含有長勢較弱的大蒜植株，這類大蒜植株在被夾持輸送、切莖和蒜秧引導(dǎo)下落過程中極易出現(xiàn)掉落，影響收集效果。同時(shí)，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)部分蒜秧未被成功收集的主要原因是在大蒜植株完成切莖作業(yè)向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)秧機(jī)構(gòu)未能及時(shí)調(diào)整蒜秧下落姿態(tài)，而導(dǎo)致蒜秧假莖先行下落，插入歸集輸送裝置鏈桿中，被帶著一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后逐漸被甩出掉落，后續(xù)將對(duì)此部分導(dǎo)秧機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以期實(shí)現(xiàn)更好地蒜秧引導(dǎo)收集效果，進(jìn)一步提高蒜秧收集率。

4 結(jié)論

針對(duì)我國現(xiàn)有大蒜多行聯(lián)合收獲秧果歸集輸送作業(yè)分別采用兩套裝置完成，而極易造成整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和動(dòng)力浪費(fèi)的問題，設(shè)計(jì)一種適用于大蒜多行聯(lián)合收獲機(jī)的一體式秧果歸集輸送裝置。

1) 秧果歸集輸送裝置通過一條雙面帶歸集板的桿式輸送鏈來分別完成蒜頭和蒜秧的歸集輸送作業(yè)，根據(jù)收獲期大蒜植株特性和多行大蒜同時(shí)收獲的作業(yè)要求，確定了裝置呈拐角形結(jié)構(gòu)。其中，關(guān)鍵部件桿式輸送鏈水平段和豎直段的主體長度分別為1 500 mm和800 mm、寬度同為220 mm、高度分別為260 mm和300 mm，輸送鏈的桿條直徑為6 mm、間距為38 mm。

2) 以蒜秧收集率和蒜頭收集率為試驗(yàn)指標(biāo)，開展的臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，結(jié)果表明，一體式秧果歸集輸送裝置結(jié)構(gòu)簡單合理、性能可靠，蒜秧平均有效收集率分別為98.17%和97.01%、蒜頭有效收集率為100%。