單行大蒜聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

樊佳博，李 驊，傅杰一，齊新丹，丁元庚

（1.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；2.江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031；3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031）

0 引言

大蒜作為一種富含營養(yǎng)的根莖類作物，目前已成為我國主要的經(jīng)濟(jì)作物之一［1-6］。我國作為世界上重要的大蒜生產(chǎn)國和出口國，產(chǎn)量約占全球的70%。大蒜作為勞動(dòng)密集型的種植作物，收獲是其生產(chǎn)過程中極其重要的一環(huán)。但現(xiàn)階段我國大部分地區(qū)大蒜還是普遍采取人工挖掘、手動(dòng)切除根莖、裝袋收集的方式，機(jī)械化水平偏低［7］。大蒜人工收獲還存在一些難題：（1）收獲期較短，勞動(dòng)強(qiáng)度過高，效率低，損失嚴(yán)重；（2）愿意從事收獲作業(yè)的勞動(dòng)力日益減少，收獲成本逐漸提高，農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)收益大大下降，這些問題都制約了我國大蒜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

因此，大蒜機(jī)械化收獲的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。現(xiàn)今大蒜收獲機(jī)大致可分為分段式收獲機(jī)與聯(lián)合式收獲機(jī)2種類型［8-10］。分段式收獲機(jī)普遍用于大規(guī)模收獲，該收獲模式主要以歐美等發(fā)達(dá)國家為主。典型的分段式收獲機(jī)有美國的GW4400四行大蒜挖掘機(jī)和GL2400兩行大蒜撿拾機(jī)，前者進(jìn)行大蒜的挖掘、去土，后者完成撿拾，兩者通過配套作業(yè)完成收獲。日本公司Sasiki研制的分段式機(jī)型通過與切秧機(jī)的配合將大蒜的蒜秧切除，實(shí)現(xiàn)大蒜挖掘、去土等功能［11-13］。分段式機(jī)型普遍都需要多個(gè)機(jī)械部件配合作業(yè)，成本偏高、效率低下，不適合在我國大規(guī)模推廣使用。

聯(lián)合式收獲機(jī)則主要適用于中小規(guī)模種植收獲，主要在日本、韓國等人口密集型國家使用。聯(lián)合式收獲機(jī)以法國ERME公司生產(chǎn)的切秧式和打捆式收獲機(jī)和日本洋馬公司的HZ-1聯(lián)合收獲機(jī)為代表［14-16］。但這些機(jī)型都需要后期人工進(jìn)行撿拾和切莖作業(yè)，且蒜頭含土量較多，作業(yè)效率不高。近年來，我國結(jié)合國外成熟技術(shù)也相繼研制了4DBL-2型半喂入自走式大蒜聯(lián)合收獲機(jī)、4S-85型全喂入自走型大蒜聯(lián)合收獲機(jī)等多種機(jī)型，但普遍處于樣機(jī)或中試階段，作業(yè)的質(zhì)量、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面還需要提升［17-20］；同國外成熟的技術(shù)相比還存在較大差距，難以投入大規(guī)模使用，同時(shí)，現(xiàn)有機(jī)器普遍為中大型多行收獲機(jī)，無法滿足我國中小農(nóng)戶的生產(chǎn)需求［21-23］。

針對這些問題，設(shè)計(jì)一款適用于我國中小種植規(guī)模的單行大蒜聯(lián)合收獲機(jī)，有利于提高大蒜的收獲效率，減輕中小型農(nóng)戶的勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)而推動(dòng)適應(yīng)國內(nèi)多種收獲需求的大蒜收獲機(jī)的全面發(fā)展。本文設(shè)計(jì)的單行大蒜聯(lián)合收獲機(jī)機(jī)型填補(bǔ)了國內(nèi)中小型種植收獲機(jī)機(jī)型的空缺，對促進(jìn)國內(nèi)大蒜收獲自動(dòng)化、智能化的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 單行大蒜聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu) 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的單行大蒜聯(lián)合收獲機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、振動(dòng)挖掘裝置、夾持輸送裝置等部件組成，如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶與變速箱輸入端傳動(dòng)，再通過變速箱輸出端分別與行走系統(tǒng)和振動(dòng)挖掘裝置相連接，通過與不同齒輪嚙合來實(shí)現(xiàn)變速功能；升降裝置設(shè)置于前輪上方，通過旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)高度；扶禾裝置在前輪正前方；振動(dòng)挖掘裝置安裝于整機(jī)機(jī)架下方；夾持輸送裝置在整機(jī)左側(cè)；切割裝置位于夾持輸送尾部；集蒜箱安裝于切割裝置下方，易于收集掉落的蒜頭。該機(jī)可一次性完成單行大蒜的扶禾、振動(dòng)挖掘、夾持輸送、蒜秧切除、收集蒜頭等功能。該機(jī)型體積小、成本低、維修方便，可以滿足中小種植農(nóng)戶的收獲需求。

圖1 大蒜收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.1.2 工作原理 機(jī)器作業(yè)時(shí)，通過分禾扶禾裝置將蒜秧秧葉分開且扶起；挖掘鏟通過振動(dòng)松土并在前進(jìn)過程中將大蒜根須部位鏟斷；成熟的植株被夾持輸送帶向后傳輸?shù)倪^程中從土壤中拔出；在夾持輸送過程中通過機(jī)器本身的振動(dòng)抖落掉大蒜根部的部分土壤，由安裝于夾持輸送裝置末端的對齊切秧刀將蒜秧切除；切下的大蒜受重力作用掉入集蒜箱中，完成整個(gè)收獲過程。其具體工作流程如圖2所示。

圖2 大蒜收獲機(jī)工作流程圖

1.1.3 技術(shù)參數(shù) 根據(jù)大蒜的種植模式和農(nóng)藝要求，整機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 大蒜聯(lián)合收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)

1.2.1 分禾扶禾裝置的設(shè)計(jì) 分禾扶禾裝置用于在前進(jìn)過程中將各行的植株分開，并將田間倒伏的植株扶起往上引導(dǎo)送入夾持輸送機(jī)構(gòu)。該裝置固定于前支架兩側(cè)，該裝置選型為鶴咀尖型，在實(shí)際作業(yè)時(shí)，該裝置插入土中約10 mm分開各行的植株并扶起倒伏的植株，該裝置可以根據(jù)地形、土壤類型等條件調(diào)節(jié)入土的深度及角度。

1.2.2 振動(dòng)挖掘裝置的設(shè)計(jì) 挖掘鏟作為收獲機(jī)中的關(guān)鍵部件之一，對收獲的質(zhì)量和效果有很大的影響，在工作中還需要避免雜草纏繞和壅土等問題。挖掘鏟主要用于將土壤鏟松，以便于后續(xù)夾持輸送機(jī)構(gòu)對大蒜的夾持收獲作業(yè)。

依據(jù)大蒜種植的方式及其生長習(xí)性，挖掘方式選擇為振動(dòng)挖掘方式。因作業(yè)模式為單行收獲，所以挖掘鏟需一次性完成鏟松土壤和切根斷須的過程。為了讓松土過程順利進(jìn)行，該挖掘鏟要有一定的入土角度，便于減少阻力。由于工作環(huán)境惡劣，挖掘鏟材料應(yīng)采取65Mn材質(zhì)，通過高溫淬火后，提高挖掘鏟的耐磨性、韌性和耐腐蝕性。在輸送過程中需保證挖掘鏟的自清潔能力與松土性能，故將挖掘鏟設(shè)計(jì)為對稱式多邊形傾斜平面，結(jié)構(gòu)簡單，便于制造與后期的維護(hù)更換。挖掘鏟與振動(dòng)機(jī)構(gòu)連接安裝于機(jī)架底部，通過多方位的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)疏松土壤與挖掘大蒜作業(yè)。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 挖掘鏟結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 挖掘鏟工作參數(shù)的確定 挖掘鏟的主要參數(shù)包含鏟刀長度L、鏟刀寬度B、鏟刀挖掘的深度H。

（1）鏟刀長度L。鏟刀長度主要與大蒜生長深度以及鏟刃斜角有關(guān)。經(jīng)過實(shí)地測量，發(fā)現(xiàn)徐州當(dāng)?shù)卮笏馍L深度一般為16~27 mm。為保證收獲過程中不損傷大蒜，挖掘深度應(yīng)大于大蒜生長深度，并可以針對大蒜不同的生長深度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。鏟刀長度公式為：

式（1）中：H為挖掘深度（mm）；θ為鏟刃斜角（ °）。

（2）鏟刀寬度B。為了在挖掘過程中減少挖掘土壤的能耗以及避免損傷到鄰行的蒜秧，在鏟刀寬度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到當(dāng)?shù)卮笏夥N植的行距和株距，在保證大蒜全部挖出的前提下盡可能少地挖掘土地和避免傷害到鄰行大蒜。根據(jù)實(shí)地測量和收集數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)卮笏夥N植的平均行距為200 mm，株距為130 mm。所以將鏟刀寬度設(shè)定為B=180 mm。

（3）挖掘鏟刃斜角θ。挖掘鏟刃斜角是挖掘鏟工作面與作業(yè)土地之間的夾角，該夾角是決定整機(jī)工作質(zhì)量的重要因素。θ過小，挖掘鏟無法順利入土，底部易磨損并且生銹嚴(yán)重，其使用壽命會(huì)大大縮短；θ過大，挖掘鏟入土過深，易翻土，但無法順利切斷根須。經(jīng)過參考諸多文獻(xiàn)及實(shí)地考察，選取θ=15°~30°。

1.2.4 夾持輸送裝置的設(shè)計(jì) 夾持輸送裝置是大蒜收獲機(jī)的重要組成部分，其工作性能對后續(xù)有序夾持輸送和切根作業(yè)有直接影響，對整機(jī)效率起關(guān)鍵作用。它將挖掘出的大蒜秧葉夾持拔出，并往后輸送至切秧機(jī)構(gòu)。夾持輸送過程中最關(guān)鍵的是夾持力大小的控制，過大易造成大蒜在輸送過程中被夾斷，直接掉落在地上，無法完成后續(xù)切根收集工作；過小則易造成夾持不住而直接掉落，影響收獲效率。故本文設(shè)計(jì)一種柔性夾持輸送裝置，其中夾持輸送帶采用軟橡膠材料制成，既能保證有足夠的夾緊力將蒜秧夾持住，又不會(huì)在夾持過程中夾斷蒜秧。夾持帶內(nèi)側(cè)為等腰梯形凸起，可以有效增大接觸面積、增加摩擦力，防止在作業(yè)時(shí)夾持帶松動(dòng)而脫離帶輪。在工作過程中，主動(dòng)帶輪帶動(dòng)夾持帶運(yùn)動(dòng)，其中限位輪和張緊裝置可以有效地保證一定的拉伸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)夾持帶的摩擦傳動(dòng)。在限位輪和張緊裝置的作用下，大蒜呈直線輸送，可以避免受力不均導(dǎo)致的蒜秧破損，為后續(xù)的切根收集做好準(zhǔn)備。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 夾持輸送機(jī)構(gòu)示意圖

1.2.5 夾持輸送裝置工作參數(shù)的確定 （1）夾持輸送裝置帶速度及傾角的確定。夾持輸送裝置在作業(yè)過程中其與地面的夾角是固定不變的，合理的傾角有利于大蒜的夾持輸送。傾角過小，易造成蒜秧的堵塞且影響后期的切根收獲；傾角過大，則無法保證夾持力，影響工作質(zhì)量。傾角的選取還應(yīng)考慮夾持輸送裝置的絕對速度與機(jī)器作業(yè)時(shí)前進(jìn)速度的比值。在實(shí)際收獲中，由于挖掘鏟的振動(dòng)松土?xí)?dǎo)致疏松的蒜秧有一定的傾斜角度，經(jīng)過多次測量發(fā)現(xiàn)，一般傾角γ為5°~10°，夾持輸送裝置最好的夾持狀態(tài)是與傾斜的蒜秧呈垂直夾持。皮帶相對速度（VP）由機(jī)器的變速箱決定，是相對于機(jī)器前進(jìn)速度來確定的。皮帶相對速度公式為：

式（2）中：V0為整機(jī)前進(jìn)速度（m/s）；α為夾持輸送裝置傾角（°）；K為整機(jī)前進(jìn)速度與夾持輸送裝置速度的比值；γ為疏松蒜秧的傾角（°）。

由公式（2）可知，夾持輸送裝置傾角大小對夾持輸送效率有很大影響，并且要考慮到后期切根收集工作的需求。綜合《農(nóng)業(yè)機(jī)械制造常用計(jì)算大全》，將本機(jī)夾持輸送裝置傾角設(shè)定為20°。在此設(shè)定下夾持輸送裝置可以保證達(dá)到較好的效果，有效地避免作業(yè)過程中的堵塞現(xiàn)象。

（2）夾持輸送裝置夾持力的確定。通過對夾持輸送過程受力分析（圖5）可知：夾持輸送可分為兩段過程，夾持過程中大蒜未從土壤中完全脫離，會(huì)受到土壤粘結(jié)力的影響，阻力較大，所需的夾持力較大；在輸送過程中大蒜已脫離土壤，只需保證夾持力大于大蒜重力及少部分土壤重量，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將夾持力大小的設(shè)定偏向于第一階段，只要保證第一階段的順利夾持就能保證整體夾持輸送的質(zhì)量和效率。

圖5 夾持輸送過程受力分析圖

在夾持第一階段中，因前期振動(dòng)挖掘過程中部分大蒜根須已被切斷且受挖掘鏟的影響，部分土壤與大蒜粘結(jié)在一起。為便于理論計(jì)算，設(shè)定1/3的土壤與大蒜粘結(jié)，且無損傷現(xiàn)象。夾持力公式為：

式（3）中：F為總夾持力（N）；G0為大蒜莖稈和鱗莖總質(zhì)量（N）；G′為粘結(jié)在大蒜上的土壤質(zhì)量（N）；Ff為大蒜鱗莖與土壤的阻力（N）。

2 田間試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及方法

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模貉芯空麢C(jī)行進(jìn)速度、挖掘鏟傾角和挖掘鏟挖掘深度3個(gè)因素對大蒜聯(lián)合收獲機(jī)收獲效果的影響，并從中選出最優(yōu)參數(shù)組合。

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為江蘇省徐州市豐縣首羨鎮(zhèn)。該試驗(yàn)田土壤為沙壤土，種植蒜種為白蒜。使用游標(biāo)卡尺、土壤堅(jiān)實(shí)度測量儀、土壤水分測定儀等工具測量蒜株物理特性，以及土壤堅(jiān)實(shí)度和含水率等特征參數(shù)，測量結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)田大蒜物理特性及土壤狀況

實(shí)驗(yàn)方法：以3個(gè)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)測試單元，每個(gè)區(qū)域長10 m。在完成試驗(yàn)后人工挑選出未成功切頭的大蒜、收獲過程中損傷的大蒜以及在土壤中未被收獲的大蒜。分別進(jìn)行稱重，依據(jù)整機(jī)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，得出測試結(jié)果。本試驗(yàn)進(jìn)行3因素3水平的正交試驗(yàn)，選取試驗(yàn)因素和水平如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素與水平

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)正交旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)使用Design-Expert軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分組，以整機(jī)行進(jìn)速度、挖掘鏟傾角、挖掘深度3個(gè)因素為自變量，以未成功切頭率、損傷率、漏收率作為評判指標(biāo)（因變量），試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。計(jì)算公式為：

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

式（4）中：M為試驗(yàn)大蒜總質(zhì)量（kg）；M1為試驗(yàn)中成功收獲的大蒜質(zhì)量（kg）；M2為試驗(yàn)中未成功切頭的大蒜質(zhì)量（kg）；M3為試驗(yàn)中已挖掘但機(jī)械損傷的大蒜質(zhì)量（kg）；M4為試驗(yàn)中未挖掘的大蒜質(zhì)量（kg）；P1為大蒜未成功切頭率（%）；P2為大蒜損傷率（%）；P3為大蒜漏收率（%）。

通過方差分析（表5~表7）可知，回歸模型的P值均小于0.05，說明模型顯著，這些回歸模型具有較高的可靠性。整機(jī)行進(jìn)速度的P值體現(xiàn)出對大蒜漏收率存在顯著影響，挖掘鏟傾角的P值體現(xiàn)出對大蒜未成功切頭率、損傷率、漏收率均存在顯著影響，挖掘深度的P值體現(xiàn)出對大蒜漏收率存在顯著影響。試驗(yàn)因素對未成功切頭率的影響從大到小依次為：挖掘鏟傾角、整機(jī)行進(jìn)速度、挖掘深度；對損傷率的影響從大到小依次為挖掘鏟傾角、整機(jī)行進(jìn)速度、挖掘深度；對漏收率的影響從大到小依次為整機(jī)行進(jìn)速度、挖掘鏟傾角、挖掘深度。從回歸模型的P值可以看出3個(gè)回歸項(xiàng)存在交互影響，說明這3個(gè)因素的擬合回歸實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較高的可靠性。

表5 大蒜未成功切頭率回歸模型的方差分析結(jié)果

表7 大蒜漏收率回歸模型的方差分析結(jié)果

表6 大蒜損傷率回歸模型的方差分析結(jié)果

采用Design-Expert軟件分析出的最佳參數(shù)組合為：整機(jī)行進(jìn)速度0.2500 m/s、挖掘鏟傾角19.8240°、挖掘深度101.4530 mm。考慮到整機(jī)，參數(shù)最終取整機(jī)行進(jìn)速度0.2500 m/s、挖掘鏟傾角20°、挖掘深度100 mm。采取以上參數(shù)組合在田間進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，大蒜未成功切頭率為1.81%，大蒜損傷率為1.37%，大蒜漏收率為1.72%。

3 結(jié)論

根據(jù)國內(nèi)大蒜的收獲要求，設(shè)計(jì)出單行大蒜聯(lián)合收獲機(jī)，可一次性完成單行大蒜的挖掘、夾持輸送、切秧切根、收集蒜頭等功能。通過3因素3水平正交實(shí)驗(yàn)，得出該樣機(jī)取得最佳收獲效果的參數(shù)組合：整機(jī)行進(jìn)速度0.2500 m/s、挖掘鏟傾角20°、挖掘深度100 mm；通過田間收獲試驗(yàn)，得到未成功切蒜率為1.81%，損傷率為1.37%，漏收率為1.72%，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。