鏈輪提升式葉菜收割機的研究

劉 洪，張 凱

(南京信息工程大學 自動化學院，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，已成為部分農民增收致富的重要經濟作物[1]。中國蔬菜的種植歷史已經有幾千年了，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械收割為主。我國由于起步比較晚，蔬菜收獲機械的研究緩慢，葉菜類蔬菜的機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的綠葉收割設備為主[4]，據統計人工收割成本占整個種植成本的30%左右[5]。

1 設計思路

收割機是一體化收割農作物的機械，現今，我國有不少種類的收割機設備，但是大都是大型的收割設備，主要應用于大型農場的收割工作，在小型葉菜收割機上存在較大欠缺[6]，尤其是在面對不同大棚內的不同收割環(huán)境時適用機型更顯得缺乏。

目前，小青菜收割機的傳送系統主要是采用傳送帶對切割下來的小青菜進行傳送。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)。于是計了一種具有鏈輪提升機構的綠葉菜收割裝置。

2 葉菜收割機總體結構設計

葉菜收割機主要由切割裝置、輸送裝置、高度調整裝置、驅動系統等組成。整個收割流程簡述:先通過高度調節(jié)機構來調節(jié)割刀高度，然后打開電機驅動撥禾輪和傳送帶開始運動。當收割機開始向前運動時，葉菜經割刀的切割和撥禾輪的撥動落到傳送機構上，最后由鏈輪提升結構傳動輸送至收納盒中。其總體設計如圖1所示。

1.主輪；2.高度調節(jié)機構；3.割刀；4.撥禾輪；5.傳送機構；6.側板；7.收納盒

3 收割機的關鍵部件三維設計

3.1 驅動系統

本葉菜收割機的驅動系統主要由多個電機、蓄電池以及主輪等部件構成。其中蓄電池固定安裝在機架托板底部的控制箱中，為電機提供能源。割刀裝置、撥禾輪、鏈輪提升機構處均配有一臺直流電機。根據各部分機構要求搭配不同轉速、功率的直流電機，確定合適轉速比，其中割刀裝置、撥禾輪、鏈輪輸送機構、行走機構所選擇的電機功率分別為：600,60,300,600 W。

3.2 割刀裝置

為了簡化收割機的結構并保證其適應性，本文最終選擇了往復式切割裝置。本割刀裝置主要以直流電機為動力來源，通過曲柄連桿機構實現傳動(其中曲柄由偏心輪代替)，通過偏心輪的轉動使連桿帶動割刀發(fā)生往復運動，從而到達對葉菜根莖進行切割的目的。往復式切割器通過上下兩部分的動刀片相向的往復運動，從而產生剪切作用，完成對葉菜的切割工作，上下刀頭分別固定在刀桿上，與外驅動機構相連接，電機通過傳動軸將動力傳遞到偏心裝置，傳動系統將回轉變?yōu)楦畹兜耐鶑椭本€運動。

為了利于切割，減少切割阻力，割刀刀片形狀設計為梯形形狀，而所切割的綠葉菜根莖直徑一般較小，所以刀片設計為：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°帶有倒角的結構。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，機器會因此產生很大的振動，造成零件的磨損等不良現象。通過對運動參數進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量穩(wěn)定。其割刀裝置具體三維結構如圖2所示。

圖2 割刀裝置三維圖

3.3 帶有鏈輪提升機構的輸送裝置

輸送裝置為葉菜收割機的重要組成部分，負責將切割后的葉菜輸送至收集筐中。本收割機的輸送裝置主要由撥禾輪和鏈輪提升機構構成。其中鏈輪提升機構三維結構如圖3所示。

圖3 鏈輪提升機構

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

為了達到輕量高效的目的，本文設計了鏈輪提升機構來代替?zhèn)鹘y的皮帶輪機構。鏈輪提升機構主要由主動軸、從動軸、鏈條、鏈輪和撥齒安裝板構成。鏈輪安裝在主動軸上，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。當葉菜經由撥禾輪推動進入撥齒安裝板時，主動軸通過鏈輪使得固定在鏈條上的撥齒安裝板發(fā)生移動，而撥齒安裝板的撥齒部分垂直于安裝板并且為波浪形狀，這使葉菜在上面運輸時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，撥齒安裝板之間會有一些寬度為5 mm的縫隙，當有泥土隨著葉菜進入輸送裝置時，這些縫隙能保證泥土隨著葉菜的運動而從板間縫隙排出。

3.4 高度調節(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，割刀的高度不應為一個固定值，于是設計安裝了一種如圖4的高度調節(jié)裝置來進行調節(jié)。高度調節(jié)裝置的設計為螺桿手輪，通過轉動手輪，使割刀更加貼近地面完成不同高度的收割作業(yè)。其內部與滑臺相連，滑臺一端固定在轉向輪上，滑臺可調節(jié)部分與機架相連，當順時針或逆時針旋轉螺桿手輪時，通過螺桿和滑塊的上下移動使整個機架和割臺隨之升降，進而實現對割刀高度進行調節(jié)。更好適應不同蔬菜切割高度的需要，從而實現對蔬菜的準確切割。根據實地需求本文設計的收割機切割高度可調范圍大約為10 cm左右。

圖4 高度調節(jié)裝置三維圖

4 試驗結果

鏈輪提升式葉菜收割機整機裝配后質量大約為150 kg。在裝配后，選擇了南京市六合區(qū)的一戶農家農田作為試驗地，分別以不同的行進速度、不同的撥齒安裝板轉速、不同擋位的割刀往復運動速度進行了多次試驗，收割機的試驗地作業(yè)情況如圖5所示。

圖5 收割機試驗過程圖

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

5 結論

基于鏈輪提升式而設計了一款葉菜收割機，論述了葉菜收割機的設計思路、關鍵部件設計，最后進行樣機試驗測定，通過試驗驗證了收割機到達預期目標，并為小型葉菜收割機提供了新的研究方向。

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