韭菜聯合收獲機的設計與試驗

辛 璐,張 梅,荀桂森,王家勝

(青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266109)

0 引言

目前,國內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與裝備研究較早,日本川崎公司研發的風送式葉菜收獲機,采用高速往復式雙動刀切割方式,利用高壓氣流將割后葉類蔬菜吹送到收集袋中,實現了無損傷輸送,適宜收獲小葉類蔬菜。韓國的波特蘭公司研發的MT系列葉菜收獲機,采用往復式割刀,割后經輸送帶運送收集[5]。意大利HORTECH公司開發了SLIDE TW蔬菜收獲機,采用環狀鋸齒帶刀自定心切割技術,割臺高度自動可調,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,江蘇大學研制了一種三葉菜機械收獲裝置,采用往復式割刀切割三葉菜,并在風機風管的作用下將三葉菜直接吹送至后方收集箱中收集[7]。農業農村部南京農業機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,目前市場上應用主要是從韓國引進的手扶式單行收割機,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,針對現有韭菜收割機當前韭菜機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,結合國內韭菜種植模式和農藝要求,設計了一種韭菜聯合收獲機,可將韭菜收獲與打捆工序集成化,從而進一步提高韭菜收獲的效率。

1 整機結構及工作原理

機器采取單行收獲方式,電動自走式結構,整機由扶禾器部件、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,機器的輪距為0.25m,整機結構尺寸長×寬×高為2.8m×0.7m×1.0mm,如圖1所示。

圖1 韭菜聯合收獲機結構簡圖Fig.1 Schematic of Chinese chive combine harvest

工作過程中,隨著機器前進,扶禾器部件將單行韭菜秧苗與鄰行分開后扶起,并對其聚攏導引喂入到夾持輸送裝置;在夾持帶輔助夾持下,回轉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旋轉至水平狀態,之后被拋放至間歇輸送裝置;待韭菜累計到設定量,將韭菜傳送至半圓形集束歸集裝置進行歸集呈束,呈束韭菜被送入打捆裝置進行打捆,完成收獲作業。

2 關鍵部件結構設計

2.1 扶禾器部件的設計

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

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

2.2 切割部件設計

作物莖稈常用的切割器分為往復式切割器和回轉式切割器兩種類型[12-13]:往復式切割器利用動刀片與定刀片相對往復運動產生的剪切作用切斷禾株,適合寬幅收獲,缺點是傳動結構較復雜,往復運動因慣性變化引起的振動會影響部件壽命和作業穩定性[14-15];回轉式切割器結構較簡單,但需要較高的切削速度才能切斷禾株[16]。本文所設計收獲機為單行收獲,結構空間布置緊湊,且韭菜在夾持輔助下完成切割,因此選用回轉式切割器。切割裝置整體結構如圖3所示。工作時,切割器通過電動機驅動,經傳動軸和錐齒輪帶動切割刀旋轉。

切割刀采用四星齒式回轉刀(見圖4),每個星齒的側切削刃在旋轉過程中完成對韭菜植株的切割。切割刀的最大回轉直徑為

Dmax=D+2L

(1)

式中Dmax—切割刀的最大回轉直徑(m);

D—切割刀基圓直徑(m);

L—星齒有效切割長度(m)。

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

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 切割裝置結構簡圖Fig.3 Structural diagram of cutting unit

圖4 四星齒回轉刀Fig.4 Four star tooth rotary cutter

在相鄰星齒切削間隔時間,機器的前進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—圓盤刀轉速(r/min);

v—機器前進速度(m/s);

N—星齒數(個)。

為確保工作效率,要求機器工作時前進速度v=1.5m/s,并將N=4個、L=0.04m帶入式(3),得到n≥562r/min。電機選型為24V直流電機(H8D24-60D),最高轉速1500r/min,滿足設計要求。

2.3 夾持輸送部件設計

夾持輸送部件主要由一組主動帶輥、兩組從動帶輥和兩組夾持輸送帶組成,如圖5所示。工作時,主動帶輥同時帶動兩組夾持輸送帶完成切割后韭菜的夾持輸送。其中,從動帶輥I與主動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逐漸翻轉為水平狀態;從動帶輥II則與主動帶輥的軸線平行,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

主動帶輥及輸送帶結構如圖6所示。主動帶輥中間帶動夾持輸送帶I,兩側帶動兩條夾持輸送帶II。夾持輸送帶由兩層不同材料構成,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,避免損傷植株。主動帶輥中間輥直徑D1=0.15m,寬度L2=0.18m,兩側輥直徑D2=0.18m,寬度L1=0.10m。

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

2.4 集束打捆關鍵部件設計

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作業,為完成韭菜呈束打捆,設計如圖7所示流程控制策略。首先,由間歇輸送裝置在停止狀態下將夾持輸送裝置傳送來的韭菜進行定量歸集,再由間歇輸送裝置在運動狀態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,同時間歇輸送裝置在停止狀態下進行定量歸集,重復下一輪的流程。

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 間歇輸送裝置結構

間歇輸送裝置(見圖8)由步進電機驅動輸送帶間歇運動,通過程序可控制間歇停留時間的長短,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動的距離,根據韭菜尺寸及試驗,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 集束歸集裝置結構

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,集束器在推送氣缸的作用下可沿推送滑軌往復滑動,實現將歸集呈束的韭菜送到打捆裝置完成打捆。根據韭菜呈束量,集束器的結構尺寸長×寬×深為0.4m×0.2m×0.3m。

2.4.4 打捆裝置結構原理

打捆裝置主要由儲帶裝置、送帶裝置、打捆帶道、熱熔裝置、傳動總成及控制機芯等部分組成,如圖10所示。其基本工作原理如下:當集束歸集裝置將收集好的韭菜束輸送至打捆帶道內,光電器將檢測信號發送給控制器,控制器發送指令,送帶輪將打捆帶道內的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,完成韭菜打捆作業。

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 臺架性能試驗

3.1 試驗設備與材料

為了驗證韭菜聯合收獲機的結構和功能,構建了韭菜聯合收獲機室內試驗平臺,如圖11所示。該臺架除了行走裝置外,其結構按照上述各關鍵部件的設計參數進行加工組裝。另外,利用速度可調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試驗臺架模擬田間收割作業。

試驗材料為“獨根紅”韭菜,植株長350～450mm,莖粗3.2～3.6mm。

3.2 試驗指標與結果

通過試驗評價韭菜收獲機的工作性能,評價指標包括齊茬率、損傷率和損失率。其中,齊茬率是指韭菜收割后,韭菜割茬達到設定高度±5mm范圍的韭菜植株數量占總收獲株數的百分比。損傷率是指收獲過程中損傷韭菜的質量占收獲韭菜總質量的百分比。損失率是指機收過程中漏收與掉落韭菜的質量占收獲總質量的百分比。

圖11 室內試驗平臺Fig.11 Indoor test bed

按照以上指標定義進行臺架重復試驗,每次試驗重復進行3次,取平均值,對試驗數據進行統計計算,結果如表1所示。

整機臺架試驗表明:收獲機能較低損傷、較高質量地完成韭菜齊茬收割、有序輸送和集束打捆的聯合收獲功能,作業性能指標達到了機器的設計要求和韭菜收獲農藝要求。

4 結論

1)結合韭菜種植模式,設計了一種韭菜聯合收獲機,整機采用電動自走式結構,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)構建了韭菜聯合收獲機室內試驗平臺,臺架性能試驗表明:收獲齊茬率93.1%,損傷率2.6%,損失率1.8%,收獲機能夠較低損傷、較高質量的完成韭菜齊茬收割、有序輸送和集束打捆的聯合收獲功能,作業性能指標達到了機器的設計要求和韭菜收獲農藝要求。