徐文藝，張　華，張志起，周　進(jìn)，崔中凱

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南　250100)

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小型大蒜聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

徐文藝，張華，張志起，周進(jìn)，崔中凱

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南250100)

摘要：針對(duì)大蒜收獲難、勞動(dòng)強(qiáng)度高、各地種植模式不統(tǒng)一的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種適合中小地塊的小型大蒜聯(lián)合收獲機(jī)，并闡述了該機(jī)的總體配置及主要部件的結(jié)構(gòu)。該機(jī)主要由行走底盤、傳動(dòng)系統(tǒng)、扶禾裝置、挖掘裝置、夾持裝置、蒜秧定位裝置、切割裝置、橫向輸送裝置、集蒜箱及液壓系統(tǒng)等組成，可一次完成大蒜挖掘、夾持輸送、切莖、蒜頭收集和蒜秧拋送等工作。田間試驗(yàn)表明：收凈率達(dá)到98.4%，損傷率0.65%，總損失率2.25%，生產(chǎn)率為0.035hm2/h；具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、損傷率小等特點(diǎn)，為提高大蒜機(jī)械化收獲水平提供了參考。

關(guān)鍵詞：大蒜；聯(lián)合收獲機(jī)；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)

0引言

大蒜屬百合科蔥屬，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究證實(shí)大蒜集100多種藥用和保健成分于一身，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。中國(guó)是大蒜種植、加工、生產(chǎn)、出口的主要國(guó)家之一，大蒜生產(chǎn)歷史悠久、品質(zhì)優(yōu)良，深受國(guó)內(nèi)外消費(fèi)者青睞[1-4]。大蒜屬于勞動(dòng)密集型栽培作物，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)均需大量人工作業(yè)，收獲環(huán)節(jié)是其生產(chǎn)過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度最大和占用農(nóng)時(shí)最多的環(huán)節(jié)，存在季節(jié)性強(qiáng)、收獲損失大、效率低等問(wèn)題，已成為制約大蒜產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的主要瓶頸[5-7]。

我國(guó)的大蒜機(jī)械化收獲發(fā)展起步較晚，水平較低，大多數(shù)地區(qū)都采用傳統(tǒng)的人工收獲方式，借助自制的簡(jiǎn)易扁鏟人工挖掘，少數(shù)地區(qū)采用了挖掘犁或挖掘機(jī)，但仍需大量人工完成后續(xù)作業(yè)[8-9]。大蒜聯(lián)合收獲機(jī)仍處于樣機(jī)試制試驗(yàn)階段，主要適用于大面積種植地塊，大多為多行收獲，體積龐大、價(jià)格昂貴。國(guó)外研制開發(fā)的大蒜收獲機(jī)具有工作效率低、價(jià)格昂貴和經(jīng)濟(jì)性差等特點(diǎn)，不適合在我國(guó)推廣應(yīng)用[10-11]。目前，我國(guó)大蒜種植模式以中小地塊為主，大型聯(lián)合收獲機(jī)對(duì)路況、地形要求較高，難以進(jìn)入中小地塊作業(yè)，無(wú)法適應(yīng)多樣的種植模式，制約著其推廣和應(yīng)用。

針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)了一種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便和損傷率小的小型大蒜聯(lián)合收獲機(jī)。

1總體結(jié)構(gòu)及工作原理

該機(jī)主要由行走底盤、傳動(dòng)系統(tǒng)、扶禾裝置、挖掘裝置、夾持裝置、蒜秧定位裝置、切割裝置、橫向輸送裝置、集蒜箱及液壓系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要參數(shù)如表1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在底盤中部，座椅在發(fā)動(dòng)機(jī)上方，變速箱安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)后方。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)裝置連接到變速箱輸入端，變速箱輸出端與底盤驅(qū)動(dòng)輪連接；升降支架在底盤左部，通過(guò)銷軸與機(jī)架鉸接；夾持裝置固定到升降支架上，扶禾器在夾持裝置前方，挖掘鏟在夾持裝置前部下方，限深裝置在夾持裝置前部右方，蒜秧定位裝置在夾持裝置后下方，切割裝置在蒜秧定位裝置后方，橫向輸送裝置在切割裝置后方，集蒜箱在橫向輸送裝置右下方。

1.扶禾器　2.限深裝置　3.挖掘鏟　4.機(jī)架　5.夾持裝置

工作時(shí)，挖掘裝置將蒜頭與土壤分離，通過(guò)扶禾器和撥禾輪將蒜秧送入到夾持裝置，蒜秧在向后夾持輸送的過(guò)程中在蒜秧定位裝置的作用下調(diào)整夾持位置；隨后，由切割裝置進(jìn)行蒜莖切割，使蒜頭留莖長(zhǎng)度一致，切下的蒜頭通過(guò)橫向輸送裝置輸送到集蒜箱中，蒜秧被均勻的拋送到田中。通過(guò)調(diào)整限深裝置和挖掘裝置，可適用于不同地區(qū)不同品種的大蒜收獲。

該機(jī)的主要特點(diǎn)：采用履帶底盤，有效減輕土壤壓實(shí)；由機(jī)械系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)行走，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)夾持裝置和橫向輸送裝置，功率分配合理，能有效保證作業(yè)時(shí)間；整機(jī)體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、便于運(yùn)輸；整機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)，可適用于不同地區(qū)不同品種的大蒜收獲。

表1　小型大蒜聯(lián)合收獲機(jī)主要參數(shù)

2關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)

2.1　傳動(dòng)系統(tǒng)

該機(jī)采用小型履帶底盤，履帶中心距630mm，履帶寬度150mm，采用小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，額定功率7.5kW。此底盤體積小、質(zhì)量輕、機(jī)動(dòng)靈活、工作時(shí)對(duì)行穩(wěn)定，有效解決了大型機(jī)進(jìn)地難的問(wèn)題，大大縮短了地頭轉(zhuǎn)向調(diào)整時(shí)間。

該機(jī)傳動(dòng)路線分為兩路，包括機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出軸通過(guò)帶傳動(dòng)傳遞到變速箱，由變速箱通過(guò)齒輪傳動(dòng)傳遞到履帶底盤行走裝置，實(shí)現(xiàn)整機(jī)行走功能，通過(guò)皮帶張緊壓輪產(chǎn)生的摩擦力來(lái)控制傳動(dòng)離合；液壓系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出軸通過(guò)帶傳動(dòng)傳遞到齒輪泵，為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

1.液壓油箱　2.齒輪泵　3.手動(dòng)控制閥　4.升降油缸　5.液壓馬達(dá)

液壓馬達(dá)為夾持裝置和橫向輸送裝置提供動(dòng)力；升降油缸可實(shí)現(xiàn)工作裝置的升降，通過(guò)手動(dòng)控制閥對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行操控。液壓傳動(dòng)的各種元件可根據(jù)需要方便靈活地來(lái)布置，省去了龐大的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，且操縱控制方便，可實(shí)現(xiàn)大范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，提高了整機(jī)的自動(dòng)化程度。

2.2　扶禾裝置

扶禾裝置布置在夾持裝置前端，主要完成大蒜秧苗的分禾、扶正、引導(dǎo)，使作物有序進(jìn)入夾持裝置，輔助實(shí)現(xiàn)大蒜植株的夾持輸送，并且能夠扶起倒伏的大蒜秧苗。其主要由左扶禾器和右扶禾器組成，如圖3所示。

1.左扶禾器　2.右扶禾器

扶禾器鉸接在夾持裝置前方，且扶禾器上安裝有壓桿，壓桿兩端分別鉸接在扶禾器與夾持裝置升降支架上，通過(guò)壓縮彈簧的壓緊作用使扶禾裝置對(duì)地面保持適當(dāng)?shù)膲毫ΑＪ斋@機(jī)進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)，扶禾器始終緊貼地面前行，可將倒伏的大蒜秧苗扶起，以避免出現(xiàn)漏拔現(xiàn)象。

2.3　挖掘裝置

挖掘裝置是大蒜聯(lián)合收獲機(jī)的關(guān)鍵部件之一，影響著收獲的質(zhì)量和效果，同時(shí)還要避免纏草和壅土現(xiàn)象。挖掘鏟主要用于將蒜頭與土壤進(jìn)行分離，結(jié)構(gòu)型式為L(zhǎng)型鏟，如圖4所示。其減小了鏟面觸土面積，有效降低挖掘阻力。

(a)　主視圖　　　　　　　　　　　　　(b)　左視圖

鏟面為平面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，安裝在升降支架前部下方，利用底部水平刀刃作用，從土層中切斷大蒜須根和泥土的聯(lián)系。由于單行收獲，挖掘鏟僅需一次鏟松1行，在避免漏挖的基礎(chǔ)上，鏟面寬度減小。為了進(jìn)一步減小挖掘鏟的挖掘阻力，取挖掘鏟的傾角為20°。

工作時(shí)，挖掘鏟的后部頂?shù)降妆P的機(jī)架上，使底盤承受前進(jìn)時(shí)的挖掘阻力，避免了升降支架在工作過(guò)程中受力，可有效提高機(jī)具壽命，保證收獲過(guò)程中的對(duì)行準(zhǔn)確性。

2.4　夾持裝置

夾持裝置的主要功能是將扶禾裝置輸送的秧苗通過(guò)夾持帶的夾持力將挖掘裝置鏟松的大蒜秧苗拔出地面，并向后輸送至蒜秧定位裝置和切割裝置。為了使夾持帶保持較大且均勻的夾持力，在夾持架與夾持帶之間布置有多個(gè)張緊輪。夾持裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。液壓馬達(dá)輸出軸與夾持裝置主動(dòng)軸連接，帶動(dòng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪和主動(dòng)帶輪同軸，主動(dòng)軸帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)使主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)向相反，主動(dòng)帶輪通過(guò)夾持帶使從動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)向相反；在從動(dòng)帶輪上安裝有撥禾輪，將蒜秧?yè)苋氲綂A持裝置中，從而夾持蒜秧向后運(yùn)動(dòng)。

本夾持裝置夾持帶采用2聯(lián)組普通V帶，有效降低了大蒜損傷，維修更換較為方便。理論上夾持帶輪直徑越大越有利于大蒜秧苗導(dǎo)入夾持，但帶輪直徑過(guò)大則工作部件的外形尺寸增大。由于大蒜種植行距較小，過(guò)大的工作部件會(huì)影響到未收獲行的大蒜，綜合以上考慮并結(jié)合試驗(yàn)，取夾持帶輪直徑為112mm。

根據(jù)大蒜植株的特性，夾持位置越靠近蒜頭部位，抗拉強(qiáng)度越大，莖稈不易折斷，有利于夾持作業(yè)。夾持裝置前端夾持點(diǎn)離地面高度決定了對(duì)大蒜植株的夾持部位，夾持點(diǎn)離地面高度越低越有利于夾持；但夾持高度過(guò)低有可能碰傷大蒜或因地面不平導(dǎo)致帶輪與地面發(fā)生干涉?？紤]到方便后續(xù)蒜秧定位裝置和切割裝置的準(zhǔn)確作業(yè)，經(jīng)過(guò)測(cè)量和反復(fù)試驗(yàn)取夾持點(diǎn)離地高度為100mm。

收獲機(jī)進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)，夾持裝置與地面保持一定的傾角，為了保證順利挖拔和夾持可靠，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合試驗(yàn)取傾角為30°。機(jī)器的田間通過(guò)性主要取決于夾持裝置的升降程度，加大升降油缸行程且將油缸安裝位置靠近夾持裝置鉸支點(diǎn)可有效提高機(jī)器的田間通過(guò)性。

(a)　主視圖

(b)　右視圖

2.5　切割裝置

切割裝置是大蒜聯(lián)合收獲機(jī)的關(guān)鍵部件之一，直接影響到蒜頭的收獲質(zhì)量，除了實(shí)現(xiàn)蒜頭與莖稈分離，同時(shí)還要使蒜頭留莖長(zhǎng)度一致。由于大蒜通過(guò)夾持裝置拔起輸送時(shí)，蒜秧的夾持位置不完全一致，如果不對(duì)夾持位置調(diào)整而進(jìn)行蒜秧切割作業(yè)，將導(dǎo)致大蒜留莖長(zhǎng)度參差不齊，因而有必要在切割前對(duì)夾持位置進(jìn)行調(diào)整。為此，在夾持裝置中后部安裝有蒜秧定位裝置，位于夾持帶下方。如圖5所示，通過(guò)蒜秧定位裝置調(diào)整莖稈的夾持位置，大蒜莖稈在夾持輸送過(guò)程中進(jìn)入蒜秧定位裝置，在導(dǎo)向板和夾持帶的作用下大蒜植株被向上拉動(dòng)，將蒜頭頂端貼緊導(dǎo)向板底部，從而使蒜頭頂端對(duì)齊，然后經(jīng)過(guò)切割裝置完成蒜頭與莖稈分離。

割刀為雙圓盤割刀，與夾持裝置采用同一動(dòng)力，安裝調(diào)整方便，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)路線，結(jié)構(gòu)更加緊湊。圓盤割刀安裝時(shí)刃口相反，且割刀周邊開有鋸齒形豁口。

由于圓盤割刀與夾持裝置主動(dòng)帶輪同軸，因此割刀切口方向與夾持帶方向平行，在蒜秧定位裝置導(dǎo)向板的作用下使蒜秧運(yùn)動(dòng)方向與割刀平面有了一定的角度，達(dá)到斜切的效果，降低了功率消耗。結(jié)合留莖長(zhǎng)度的考慮和試驗(yàn)效果，割刀平面與導(dǎo)向板的角度為10°~15°。

3樣機(jī)試驗(yàn)

3.1　試驗(yàn)條件及方法

樣機(jī)由山東華興機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)，依據(jù)GB/T 5262-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，分別在實(shí)驗(yàn)室和山東廣饒縣進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)地表平整，坡角不大于5°，土壤類型為壤土。

試驗(yàn)時(shí)樣機(jī)行進(jìn)速度為1.2km/h，測(cè)定區(qū)長(zhǎng)度為20m，重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)。記錄每次試驗(yàn)測(cè)試區(qū)大蒜總株數(shù)、收集到集蒜箱的個(gè)數(shù)、大蒜損傷個(gè)數(shù)，以及試驗(yàn)所用時(shí)間等數(shù)據(jù)。

3.2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得出大蒜收獲機(jī)的性能參數(shù)如表2所示。

表2　小型大蒜聯(lián)合收獲機(jī)性能參數(shù)

試驗(yàn)表明：該機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)大蒜聯(lián)合收獲的各項(xiàng)作業(yè)功能，試驗(yàn)指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)要求；收獲過(guò)程較為順暢，大蒜損傷率較低。大蒜總損失率主要因夾持裝置的漏拔導(dǎo)致，與大蒜植株倒伏和收獲時(shí)對(duì)行不準(zhǔn)確有關(guān)。在樣機(jī)的試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題：

1)樣機(jī)收獲輸送部件采用側(cè)向配置，能獲得較好的視野，方便收獲時(shí)的對(duì)行調(diào)整；但此種配置方式對(duì)一側(cè)作物只能進(jìn)行單向收獲，影響作業(yè)效率，這也是其它采用側(cè)向配置的根莖類收獲機(jī)共同存在的問(wèn)題[12]。收獲作業(yè)時(shí)只能采用兩側(cè)來(lái)回交替收獲，避免機(jī)器在收獲作業(yè)時(shí)出現(xiàn)空行程，節(jié)省收獲時(shí)間，減輕機(jī)器對(duì)土壤的壓實(shí)。

2)挖掘裝置將蒜頭與土壤進(jìn)行分離后，蒜秧在進(jìn)入夾持裝置時(shí)喂入不均勻，影響后續(xù)的蒜秧定位和切莖作業(yè)，導(dǎo)致留莖長(zhǎng)度不一致，當(dāng)大蒜植株倒伏嚴(yán)重時(shí)更加明顯，在后續(xù)的研究中還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

4結(jié)論

1)針對(duì)大蒜收獲難、勞動(dòng)強(qiáng)度高及各地種植模式不統(tǒng)一的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種適合中小地塊的小型大蒜聯(lián)合收獲機(jī)。其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便，可一次完成大蒜挖掘、夾持輸送、切莖、蒜頭收集及蒜秧拋送等工作，收凈率達(dá)到98.4%，損傷率0.65%，總損失率2.25%，生產(chǎn)率為0.035hm2/h。

2)該機(jī)采用分路傳動(dòng)系統(tǒng)，由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)2部分組成，功率分配合理，有效保證工作時(shí)間；工作部件采用液壓控制系統(tǒng)，提高了整機(jī)的自動(dòng)化程度。

3)夾持裝置和切割裝置一體化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)路線，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、夾持可靠、制造容易及使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

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Abstract ID:1003-188X(2016)11-0186-EA Design and Experiment of Small Garlic Combine

Xu Wenyi， Zhang Hua， Zhang Zhiqi， Zhou Jin， Cui Zhongkai

(Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences，Jinan 250100，China)

Abstract：Aiming at garlic harvest difficulty, high labor intensity and various planting pattern, this article designs one small-sized garlic combine harvester and describes the overall configuration and main components structure. It is mainly composed of walking chassis, drive system, stalk guiding device, digging device, clapping device, garlic plants positioning device, cutting device, lateral transport, garlic collecting box and hydraulic system. This machine can complete garlic digging, clapping and transporting, stem cutting, garlic collecting and plants throwing at one time. The prototype harvesting tests in field showed that garlic collecting rate was 98.4%,garlic damage rate was 0.65%, total loss rate was 2.25%,the productivity of combine reached 0.035hm2/h.The machine has advantages of small size, compact structure, easy operating and less damage rate which provides a reference for improving garlic harvest mechanization level.

Key words：garlic； combine； design； experiment

中圖分類號(hào)：S225.7+9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0186-04

作者簡(jiǎn)介：徐文藝(1987-)，男，濟(jì)南人，助理工程師，(E-mail)xuwenyi168@163.com。通訊作者：張華(1976-)，男，濟(jì)南人，高級(jí)工程師，(E-mail)zhanghua126@sina.com。

基金項(xiàng)目：山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2015YS203)

收稿日期：2015-10-14