履帶自走式單行大白菜收獲機(jī)設(shè)計與試驗

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(以下簡稱大白菜)，因其單位產(chǎn)量高、耐儲運、供應(yīng)期長，在全國范圍內(nèi)普遍種植[1-3]。近幾年我國大白菜種植面積穩(wěn)定在1.80×106hm2左右，約占我國蔬菜總播種面積的15%，以華北地區(qū)和長江以南地區(qū)為主要產(chǎn)地，種植規(guī)模較大，種植特點鮮明[3]。但我國大白菜生產(chǎn)方式較為粗放，種植總體上相對分散，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、剝?nèi)~、分揀等作業(yè)，工作效率低，勞動強(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、效益差等問題在長江以南經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的江浙滬地區(qū)尤為突出。

國外學(xué)者針對大白菜收獲機(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)，且重點對大白菜根莖切根裝置和拔取裝置進(jìn)行了開發(fā)，但對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。國外學(xué)者主要對拖拉機(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。切割裝置均以單個或一對鋸齒圓盤為主，需在傾斜輸送過程中完成大白菜根部的切除，對切根位置和姿態(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，近年來國外學(xué)者對收獲機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)和參數(shù)開展優(yōu)化研究，并嘗試對輔助收獲裝置進(jìn)行設(shè)計研究[9-10]。而國內(nèi)大白菜相關(guān)收獲技術(shù)與裝備的研究相對國外起步較晚，大都處于理論設(shè)計與樣機(jī)試制階段，機(jī)械化收獲技術(shù)相對不夠成熟，機(jī)械化收獲程度仍很低[3,11]。姚會玲[12]針對大白菜設(shè)計了一種雙螺旋拔取收獲裝置模型，為切根裝置的設(shè)計優(yōu)化提供了借鑒，但未試制收獲樣機(jī)。近年來，蔬菜產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大、市場需求不斷增加，勞動力日益短缺，促使國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在借鑒吸收國外甘藍(lán)和大白菜等蔬菜收獲技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展了大白菜收獲機(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)前我國大白菜生產(chǎn)實情，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)球大白菜為研究對象，結(jié)合大白菜種植模式和特點，開展結(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)田間試驗驗證收獲機(jī)的工作性能和可靠性，以期解決我國南方地區(qū)結(jié)球大白菜收獲的關(guān)鍵技術(shù)問題，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。由于我國大白菜種植區(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]。南方常見的種植壟形結(jié)構(gòu)如圖1所示。為提高所設(shè)計的大白菜收獲機(jī)械的適用性和通用性，選取南方地區(qū)較為規(guī)范常見的壟作模式作為設(shè)計依據(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)械化收獲的工作過程主要包括切根、夾持導(dǎo)向、輸送與裝車4個環(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。與常見的甘藍(lán)收獲不同[16]，我國大白菜收獲的主要目標(biāo)市場為流通鮮食，在銷售、貯運和流通過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，所以無需額外設(shè)置單獨的剝?nèi)~裝置，依靠人工進(jìn)行簡單處理即可。此外，考慮到田間實際生產(chǎn)中大白菜通常定植間距小、直線度差，且存在土壤松軟、不平整等問題，故采取單行收獲方式，并選用履帶動力底盤來實現(xiàn)田間收獲時的自動行走和穩(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)計一種配備45 kW專用履帶式動力底盤的單行大白菜收獲機(jī)，以減少收獲時機(jī)具對土壤的壓實作用[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底盤5部分組成，各工作裝置及部件布置在自動行走底盤的上方及左側(cè)前方，一次性實現(xiàn)大白菜仿形切根、夾持、縱向輸送提升、橫向運輸、側(cè)向裝車等多項作業(yè)。

圖2 自走式大白菜收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖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.自動底盤

1.3 工作原理與技術(shù)參數(shù)

工作時，自走式大白菜收獲機(jī)首先通過液壓油缸調(diào)節(jié)收獲臺架與地面的傾斜角度至20°～30°，使切割裝置切割圓盤的底部緊貼地面并與地面平行，并與大白菜壟間對行，機(jī)器前進(jìn)過程中，相對獨立布置的液壓馬達(dá)驅(qū)動圓盤切割裝置對大白菜根部進(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向后移動一段距離，當(dāng)移動至夾持導(dǎo)向裝置末端時，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上設(shè)置的收集筐內(nèi)，或由人工對大白菜進(jìn)行分選擺放然后裝箱，完成大白菜的整個收獲過程。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

2.1 切割裝置設(shè)計

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，其切根效果對后續(xù)的收獲作業(yè)質(zhì)量和效率有極大影響。國內(nèi)外學(xué)者針對大白菜、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刀兩種結(jié)構(gòu)類型上[18-19]，且已證實通過單個或兩個相對旋轉(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)采用單圓盤形式時，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相應(yīng)地提高。

為了保持大白菜在切根時受力的平穩(wěn)性，滿足大白菜壟作模式下有效切根的需求，采用兩個對稱布置的圓盤式切割刀的結(jié)構(gòu)形式，其中左切割圓盤為平底連續(xù)鋸齒圓盤刀，有利于傳輸且不容易堵塞切根部位，右切割圓盤為凹面圓盤光刃刀，底部有一定的弧度，工作時與壟上土壤保持接觸。在經(jīng)過較明顯不平整的地面時，可通過調(diào)整連接液壓缸的行程改變切根刀盤支架與主機(jī)架的傾斜角度，實現(xiàn)切割裝置整體隨地面起伏運動，從而保證切割刀盤的切根區(qū)域保持在一定合理范圍內(nèi)，提高切根的作業(yè)效果。該切割裝置屬于無支撐切割類型，一定程度上簡化了切割裝置結(jié)構(gòu)，切割裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。切割裝置的動力來源于頂部設(shè)置的2個液壓馬達(dá)，工作時反向旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)驅(qū)動切割圓盤刀進(jìn)行切割作業(yè)，兩圓盤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 2.夾持皮帶 3.驅(qū)動馬達(dá) 4.凹面圓盤 5.液壓缸 6.主機(jī)架 7.傳動軸 8.支撐軸承 9.刀盤支架

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

切根過程中，對切割起始點處分析可知(圖4)，大白菜根部受到X、Y、Z3個方向切削分力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。由于左右兩個切割圓盤的切割是不對稱的，且左圓盤表面為凹面，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方向相反的分力F1x、F3x之和。該值過高將導(dǎo)致圓盤刀嚴(yán)重磨損，降低使用壽命。由于實際切根過程中鉛垂面角度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，非對稱切削結(jié)構(gòu)可以提供更高的切削力。考慮到實際安裝和使用情況，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，凹面圓盤光刃刀和鋸齒圓盤刀在切根過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)瞬間對大白菜根部提供一定的支撐，無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)計優(yōu)化。

為了保證大白菜根部被底部切割盤順利切斷，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)，相對收獲機(jī)前進(jìn)方向的切割刀盤絕對速度分量應(yīng)不小于機(jī)器最高速度，且方向與之相反，切割區(qū)域與切割刀盤運動的關(guān)系如圖5所示。其中A、B分別為鋸齒圓盤頂圓上任意兩相連鋸齒頂點，α0為兩相連鋸齒頂點夾角，即切割刀相對機(jī)器前進(jìn)方向的轉(zhuǎn)角，v為任一圓盤頂點運動合速度，Rω和vm分別為對應(yīng)該圓盤頂點的切線速度和法向速度。

圖5 切割區(qū)域與切割盤運動的關(guān)系分析圖Fig.5 Analysis of relation between cutting region and motion of cutting disks

因此，切割刀盤的工作區(qū)寬度計算式為

H≤D(1-sinα0)+δ-l′

(1)

(2)

式中H——切割刀盤工作區(qū)寬度，mm

D——切刀頂部中點軌跡圓直徑，即刀盤直徑，mm

δ——切刀頂部中點運動軌跡與另一刀盤之間的最小距離，mm

l′——切割刀的工作長度，mm

vmmax——機(jī)器的最大工作速度，m/s

n——切割刀盤轉(zhuǎn)速，r/min

切割刀頂部中點運動軌跡的直徑可根據(jù)大白菜行距來確定，為了使得切割刀在工作時不致切到鄰接行的大白菜，切割刀頂邊中心的運動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動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)計和試驗確定的相關(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，以此確定切割圓盤直徑D不大于300 mm，并以該值作為切割盤設(shè)計的初始參考值，考慮到刀盤傾斜安裝，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)，即兩切割刀盤剛好接觸，以此計算出臨界切割刀盤工作區(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，切割刀盤轉(zhuǎn)速大，切割刀盤工作區(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，兩切割圓盤交錯形成切削區(qū)域，由于切割刀盤與地面存在一定的夾角，重復(fù)切割面積實際上小于水平切割刀盤，切割刀盤的進(jìn)距Sm需小于或等于切割刀工作長度l′；為了使根部能夠切斷，切割刀的工作長度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

由于凹面圓盤刀為連續(xù)光刃，理論上不會出現(xiàn)漏切的問題，鋸齒圓盤刀雖采用相對連續(xù)的多個鋸齒，但鋸齒的大小和齒數(shù)分布可能導(dǎo)致切割過程的不連續(xù)，從而出現(xiàn)漏切的現(xiàn)象，理論上鋸齒數(shù)越多，切割過程可近似為平穩(wěn)連續(xù)切割。依據(jù)根部統(tǒng)計試驗數(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度，根據(jù)設(shè)計要求選取平穩(wěn)作業(yè)時最大工作速度vmmax為1.2 m/s，取參考切割圓盤直徑D為300 mm時較大的切齒數(shù)量Z為120，代入式(4)求得不漏切的臨界條件切割刀盤轉(zhuǎn)速n不小于37.5 r/min，即適宜的切割刀盤轉(zhuǎn)速n取值范圍為37.5～500 r/min。

綜上，通過設(shè)計合理的切割圓盤結(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工作不干涉的要求，進(jìn)一步確定兩切割圓盤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

夾持導(dǎo)向裝置是大白菜收獲機(jī)械的另一關(guān)鍵部件，主要實現(xiàn)大白菜的引拔夾持和導(dǎo)向傳輸?shù)墓δ堋４蟀撞说那o葉相對脆弱，在機(jī)械化收獲過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)對象和機(jī)具結(jié)構(gòu)特點等因素，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)面夾持方式實現(xiàn)收獲[3]，故本設(shè)計采用側(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、主動帶輪、從動帶輪、張緊輪、驅(qū)動液壓馬達(dá)組成。為便于安裝調(diào)整，兩個主動帶輪對稱安裝在夾持導(dǎo)向裝置末端，其驅(qū)動液壓馬達(dá)安裝在主動帶輪上方的機(jī)架上，通過聯(lián)軸器與主動帶輪的驅(qū)動軸連接，從動帶輪懸掛安裝在機(jī)架的前部，且位于切割刀盤前端，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)。工作時通過兩個獨立的液壓馬達(dá)驅(qū)動主動帶輪，有效地將白菜夾在縱向安裝的柔性夾持皮帶之間，兩個夾持皮帶之間的距離允許大白菜通過，彈性張緊輪配合柔性夾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)簡圖Fig.6 Sketch of clamping guide mechanism1.夾持皮帶 2.主動帶輪 3.張緊輪 4.從動帶輪

夾持皮帶的夾持位置和夾持方式對前部切割裝置的喂入切根效率和后續(xù)的輸送提升過程有很大影響。理論上當(dāng)夾持位置在重心處時，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)入時始終保持向上的姿態(tài)。另作業(yè)時夾持導(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程受摩擦力fN1作用，保持大白菜夾持不掉落時需滿足

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，但皮帶夾緊力過大，容易導(dǎo)致大白菜難以順利進(jìn)入夾持區(qū)域，還會加劇大白菜的機(jī)械損傷。為防止夾持壓力過大導(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(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程中可能會受到擠壓，導(dǎo)致夾持輸送時摩擦力會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較窄的高密度柔性皮帶。考慮到實際制造成本，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大白菜進(jìn)行夾持，實際夾持過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)波動態(tài)勢。結(jié)合RecurDyn與EDEM耦合仿真試驗證實，夾持過程最大夾持力發(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——主動帶輪直徑，mm

nt——主動帶輪轉(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度配置、主動帶輪轉(zhuǎn)速以及裝置傾角有關(guān)，主動帶輪轉(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，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，會由于大白菜輸送不及時使大白菜不斷集聚，最終導(dǎo)致堵塞在夾持皮帶口，無法繼續(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，不會導(dǎo)致堵塞，滿足工作要求。當(dāng)主動帶輪轉(zhuǎn)速nt增大時，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帶輪所需轉(zhuǎn)速。查閱機(jī)械設(shè)計手冊，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)時通過螺桿結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)改變夾持皮帶中部2個張緊輪與兩皮帶輪中心線的距離來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

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，同時其前端位于夾持導(dǎo)向裝置的下部。為有效防止大白菜在升運過程中向下滾動滑落，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，防止過多雜質(zhì)進(jìn)入后續(xù)收集環(huán)節(jié)。整個輸送裝置由傳送鏈傳動，動力由液壓馬達(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，無需對大白菜進(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，在夾持導(dǎo)向皮帶的初始速度v1下，大白菜運動姿態(tài)發(fā)生變化，運動過程及受力分析如圖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分別為對應(yīng)皮帶水平位置點a(豎直投影點)、b(沖擊接觸點)、c(輸送穩(wěn)定點)時的質(zhì)心圓點。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間內(nèi)再次恢復(fù)穩(wěn)定，與傳輸皮帶保持相對靜止。當(dāng)瞬間沖擊力較大時，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行速度等是傾斜輸送裝置的重要設(shè)計參數(shù)。

圖8 夾持輸送過程運動及受力分析Fig.8 Analysis of movement and force in clamping and conveying process1.皮帶 2.輸送鏈

大白菜運動過程可分為以下幾個階段：

(1)大白菜掉落瞬間(點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(增加高度為Δh)后開始下落，此時大白菜法向運動速度為零，起始速度v1滿足動能守恒定律

(10)

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

(11)

式中vsm——點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O1至O2拋送過程運動總時間，s

h——點O1至O2縱向高度差，m

θ3——vy與vx的夾角，(°)

沖擊過程運動可視作水平方向的勻速直線運動和豎直上拋運動的合運動，因此，水平和豎直方向運動位移滿足

(12)

式中l(wèi)x——水平方向位移，m

t1——從點O1至最高點的時間，s

t2——從最高點落至點b的時間，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lx越小，h越大。若水平方向的位移lx過小，易導(dǎo)致大白菜無法順利進(jìn)入橡膠桿條區(qū)域而造成碰撞滑落；若縱向高度差h過大，合速度vsm越大，則易對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，大白菜此時不發(fā)生滾落的前提是瞬間接觸的動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——傾斜輸送帶動摩擦因數(shù)

由式(14)得出

(15)

此時，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——動載荷因子

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接觸面積增大，撞擊過程減緩，碰撞總時間延長，沖擊力因此減小。低速跌落沖擊試驗得出的大白菜出現(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c)，經(jīng)過一段距離輸送，沖擊力FN2隨之減小至零，此時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)器振動產(chǎn)生的影響，大白菜此時不發(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，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)時不發(fā)生堵塞并使多棵大白菜落在同一相鄰的兩個橡膠桿條內(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輸送區(qū)域位置開始，到下一棵大白菜正好落下的這段時間內(nèi)，輸送提升裝置應(yīng)至少移動兩個橡膠桿條的間距，這樣能最大程度地降低堵塞的機(jī)率又不會使鏈速過快，減小整體的振動同時降低功耗，即

(18)

式中 Δt——相鄰兩棵大白菜夾持輸送的時間間隔，s

P——大白菜株距，m

sm——輸送鏈上相鄰兩個橡膠桿條間距，m

nm——Δt時間內(nèi)輸送鏈上橡膠桿條移動的間距個數(shù)

H1——輸送鏈上部輸送區(qū)域長度，m

Nm——輸送鏈上部輸送區(qū)域橡膠桿條的間距個數(shù)

圖9 液壓傳動系統(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)實際作業(yè)安裝位置要求和初步試驗，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，代入式(13)～(18)可知，大白菜脫口處(點a)與輸送帶垂直距離(即縱向高度差)h不大于0.31 m，此時大白菜經(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a至點b長度不小于0.13 m，即相鄰的兩個橡膠桿條內(nèi)間距不小于0.13 m。考慮到大白菜的中徑尺寸，為防止?jié)L落碰撞，設(shè)定單位時間Δt內(nèi)移動兩個初始間距值(即nm=2,sm=0.15 m)，因株距P越大，輸送時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，估算輸送裝置功率Pv約為0.26 kW。

2.4 液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計

大白菜收獲機(jī)傳動系統(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)動方向相反，夾持導(dǎo)向裝置同樣采用轉(zhuǎn)動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，上述各部件液壓馬達(dá)的負(fù)載呈動態(tài)變化。

對于切割裝置，兩個旋轉(zhuǎn)式切割圓盤的轉(zhuǎn)動軸由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動，單位工作行程內(nèi)切割圓盤進(jìn)行根部切割時所需的總功率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，考慮到圓盤割刀轉(zhuǎn)動切割對大白菜帶來的慣性力做功，引入功率系數(shù)λ。單個液壓馬達(dá)單位工作行程內(nèi)切割時所需功率計算式為

(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)計參數(shù)計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——圓盤切割器最高轉(zhuǎn)速，r/min

本文設(shè)計圓盤切割器最高轉(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。

對于夾持導(dǎo)向裝置，兩個夾持皮帶的主動輪由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動；對于傾斜輸送裝置，主動鏈輪由單個液壓馬達(dá)直接驅(qū)動。根據(jù)前文研究結(jié)論，設(shè)計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

3.1 試驗條件

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(30°11′44″N，120°16′44″E)的種植基地開展了田間試驗(圖10)。試驗地塊隨機(jī)選取5行長勢基本一致的大白菜，各選取20 m作為試驗區(qū)，共進(jìn)行5次重復(fù)試驗。試驗前，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)運行穩(wěn)定后，機(jī)器進(jìn)行收獲。測定前，預(yù)先清除試驗測定區(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

試驗大白菜品種為早熟5號，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75～92 mm，植株平均含水率約為94.8%。

3.2 試驗方法

參照甘藍(lán)以及甜菜收獲的相關(guān)試驗方法[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)損失率等試驗指標(biāo)作為大白菜收獲機(jī)械的性能評價標(biāo)準(zhǔn)。各試驗指標(biāo)定義如下：

(1)田間生產(chǎn)率

田間生產(chǎn)率為單位時間內(nèi)大白菜收獲機(jī)完成的實際作業(yè)面積。試驗時需在上述5個測試區(qū)進(jìn)行測定，取平均值。實際試驗過程中，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。試驗時需分別測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測量區(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。試驗時需測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。試驗時需測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)損失率是指整個作業(yè)過程，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)致無法貯運銷售(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。試驗時需測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 試驗結(jié)果與分析

田間試驗表明，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)試驗方法，分別計算出每個測試區(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)損失率等試驗指標(biāo)，取5次試驗結(jié)果的平均值，每個測試區(qū)大白菜約為50棵，得到樣機(jī)田間試驗的性能指標(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)計要求。

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

對于切根過程，由于土壤不夠平整，作業(yè)時機(jī)器容易對行不準(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%，不存在漏割問題，每個測試區(qū)只有2～4棵大白菜出現(xiàn)因切根高度調(diào)節(jié)不及時造成的切根損傷，驗證了切根裝置設(shè)計的有效性。對于夾持過程，夾持成功率均值約為95.86%，對順利引拔進(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，但試驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于同一試驗測定區(qū)種植大白菜個體差異較大，導(dǎo)致個別較小球莖的大白菜無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，行距和株距波動范圍較大，導(dǎo)致樣機(jī)以較恒定的前進(jìn)速度工作時，個別株距較小的大白菜被切根后因未能及時被夾持住往后輸送，出現(xiàn)了夾持喂入口處堵塞的情況，每個測試區(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，但基本驗證了夾持導(dǎo)向裝置參數(shù)設(shè)計的準(zhǔn)確性，也進(jìn)一步說明了規(guī)范大白菜農(nóng)藝種植模式的重要性。對于經(jīng)切根后能順利夾持成功的大白菜在后續(xù)的傾斜輸送過程中基本無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；另一方面是因為大白菜種植模式不夠統(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)行對行。田間試驗驗證了收獲機(jī)各部件參數(shù)設(shè)計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)計輔助對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)計了一種采用左鋸齒圓盤和右凹面圓盤重疊設(shè)置的大白菜切割裝置，分析確定了切根過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的初始工作參數(shù)。

(2)設(shè)計了一種柔性夾持導(dǎo)向裝置，分析了大白菜在夾持輸送過程中不掉落、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)計了一種傾斜輸送提升裝置，分析了其輸送運動的動態(tài)過程，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)液壓傳動系統(tǒng)的方案，并對切割裝置和夾持導(dǎo)向裝置驅(qū)動液壓馬達(dá)的類型進(jìn)行了選擇計算。

(5)研制了單行履帶自走式大白菜收獲機(jī)樣機(jī)，提出了田間試驗與性能檢測的方法，并完成了田間檢測試驗，田間試驗結(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)計要求，基本具備大白菜機(jī)械化收獲的能力。