高　龍，弋景剛,孔德剛，袁永偉

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，河北 保定　071001)

?

小型智能葉菜類蔬菜收割機設(shè)計

高龍，弋景剛,孔德剛，袁永偉

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，河北 保定071001)

摘要：目前，我國大部分葉菜類蔬菜收獲作業(yè)基本靠人工完成，收割效率低，且對蔬菜損傷較大。針對葉菜類蔬菜收割存在的問題，通過使用功能樹對機器功能進行分析，設(shè)計了一種小型智能自動化葉菜類蔬菜收割機。該機能夠根據(jù)蔬菜種類的不同，智能調(diào)節(jié)收割蔬菜的割幅寬度與割茬高度，并采用了電池直流驅(qū)動技術(shù)、絲桿升降技術(shù)、雙向絲杠技術(shù)和分級傳動技術(shù)。該收割機收割效率高，可保證蔬菜的收割品質(zhì)，滿足國內(nèi)大部分地區(qū)葉菜類蔬菜收割的需要。

關(guān)鍵詞：蔬菜收割機；割幅調(diào)整；割茬調(diào)整

0引言

據(jù)最新資料顯示：2014年，我國蔬菜面積達到0.2億hm2多，年產(chǎn)量超過7億t，人均占有量500kg多，均居世界第一位[1]。其中，設(shè)施蔬菜面積達386.2萬hm2，葉菜占設(shè)施蔬菜的50%[2]。由于不同葉菜類蔬菜之間的生態(tài)學(xué)特性各異，葉菜類蔬菜的統(tǒng)一收獲有著較大的難度，其收獲作業(yè)基本依靠人工完成；但葉菜生長周期短，收割即時性強、勞動強度大、人工收割質(zhì)量難以控制，直接影響蔬菜品質(zhì)，降低了葉菜價值[3]。隨著勞動力價格不斷上漲，人工收割費用占蔬菜成本大幅度提高，市場急需一種智能化葉菜收割機械[4]。為此，設(shè)計了一種智能自動化葉菜類蔬菜收割機，能夠根據(jù)蔬菜種類及收割要求的不同，對割幅和割茬高度進行智能調(diào)節(jié)，并對關(guān)鍵工作部件進行了優(yōu)化設(shè)計。該機充分利用電力資源， 盡可能地減輕機器作業(yè)時對環(huán)境的污染，使其滿足國內(nèi)大多數(shù)地區(qū)的葉菜類蔬菜的收割要求。

1裝置方案擬定

為了能較好地設(shè)計出小型智能自動化葉菜類蔬菜收割機的各部分功能，對收割機的功能進行功能樹[5]的分析，分析結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　功能樹

根據(jù)創(chuàng)造方法的相關(guān)原理，建立能完成功能樹內(nèi)的各個功能形態(tài)學(xué)矩陣[6]，如表1所示。

根據(jù)形態(tài)學(xué)矩陣?yán)碚?為實現(xiàn)功能樹內(nèi)的功能，可以有2×3×3×3×2×3=324種方案。通過對國內(nèi)外市場上的類似產(chǎn)品的分析，對比各種執(zhí)行方式的優(yōu)劣并考慮到小型智能自動化葉菜類收割機的成本、裝配的難易和可靠性等要求，確定最終方案選擇為盤式驅(qū)動力輪行走、輸送帶輸送蔬菜、雙向絲杠割副調(diào)節(jié)、絲桿升降割茬調(diào)節(jié)、圓盤式切割器切割蔬菜，以及人工手動啟停控制的方案。

表1　收割機形態(tài)學(xué)矩陣

2總體結(jié)構(gòu)

葉菜類蔬菜收割機采用蓄電池做直流電源；在收割機的前端設(shè)置割茬高度調(diào)整機構(gòu)，由直流電機與絲桿升降機組成，絲桿升降機由直流電機驅(qū)動進行上下移動；前端底部裝有割幅調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)裝置，由電機進行驅(qū)動，也可由人工對割幅進行微調(diào)；收割機的中部設(shè)置了蔬菜輸送機構(gòu)，由兩級輸送機構(gòu)組成，分別由兩個直流電機進行動力輸入；行走則由直流電機直接驅(qū)動行走輪進行移動；收割機尾部設(shè)有蔬菜收集箱對蔬菜進行收集。割茬調(diào)整機構(gòu)、分禾器、割幅調(diào)整機構(gòu)、輸送機構(gòu)、輸送直流電機、前進扶手、控制箱、行走輪及收集箱全部裝在機架上，由直流電機驅(qū)動的割刀布置在割幅調(diào)整機構(gòu)上，如圖2所示。

1.扶手　2.輸送電機　3.輸送機構(gòu)　4.絲桿升降機　5.直流電機

如圖2所示：直流電機與絲桿升降器直接連接，二者安裝在機架的前端;分禾器安裝在機架的前端中部；割幅調(diào)整機構(gòu)安裝在機架的前端下部，割刀則布置在割幅調(diào)整機構(gòu)上的割刀放置器上；輸送機構(gòu)前端安裝在割幅調(diào)整機構(gòu)的前端，中部布置在機架中部上，尾部則安裝在機架的尾部；蓄電池放置在機架的中下部；驅(qū)動輪布置在蓄電池的下部與機架相連；控制箱安裝在機架的中部右側(cè)；蔬菜收集箱安裝在機架的尾部，前進扶手與機架的尾部的凸起處相連。

工作時，確定好收割蔬菜種類，由控制箱發(fā)出信號，幅寬調(diào)整機構(gòu)與絲桿升降機進行運動，使割刀運動到合適的收割位置，二者動作停止。此時，割刀開始工作，行走輪在直流電機的驅(qū)動下開始進行行走；輸送機構(gòu)在輸送電機的帶動下進行動作，輸送機構(gòu)中先由一級輸送裝置將收割的蔬菜進行空間90°翻轉(zhuǎn)并運送到二級輸送裝置上；二級輸送裝置將蔬菜輸送到蔬菜收集箱中。

3關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1　割幅調(diào)整機構(gòu)

割幅調(diào)整機構(gòu)由主調(diào)整機構(gòu)與微調(diào)機構(gòu)組成。主調(diào)整機構(gòu)主要包括直流電機、雙向絲杠及割刀放置器。微調(diào)整機構(gòu)包括小型雙向絲杠、手輪及幅寬控制器，如圖3所示。

圖3　割幅調(diào)整機構(gòu)

整個調(diào)整機構(gòu)安裝在收割機支架的前端；直流電機通過聯(lián)軸器與雙向絲杠進行連接，雙向絲杠上的方形螺母與割刀放置器連接在一起。直流電機轉(zhuǎn)動時，雙向絲杠轉(zhuǎn)動，帶動方形螺母進行直線移動，從而實現(xiàn)了收割行距的調(diào)整。微調(diào)機構(gòu)中的小型雙向絲杠上的方形螺母直接固定幅寬控制器，通過搖動兩側(cè)的手輪對幅寬控制器的間距進行調(diào)整。微調(diào)機構(gòu)的主要作用是依靠人工對不同的蔬菜的夾持輸送寬度進行調(diào)整。

3.2　割茬高度調(diào)整機構(gòu)

割茬高度調(diào)整機構(gòu)由直流電機、絲桿升降器及行走輪等組成，如圖4所示。直流電機與絲桿升降器直接連接，兩個絲桿升降器之間由同步軸連接，絲桿升降器的絲桿下端分別安裝行走輪。

圖4　割茬調(diào)整機構(gòu)

割茬調(diào)整機構(gòu)根據(jù)不同葉菜類蔬菜的種類與生長狀況，確定出不同的割茬高度?？刂蒲b置給出確定的信號，直流電機轉(zhuǎn)動，帶動絲桿升降機進行升降運動，從而實現(xiàn)不同的種類與不同生長狀況的蔬菜具有不同的割茬高度。

3.3　輸送機構(gòu)

輸送機構(gòu)由一級輸送機構(gòu)與二級輸送機構(gòu)組成：一級輸送機構(gòu)主要包括前端豎置輸送小輪、橫置輸送輪及條形帶等;二級輸送機構(gòu)包括前后輸送輪、寬型輸送帶等，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　輸送機構(gòu)

一級輸送機構(gòu)安裝在蔬菜收割機的前端，條形帶一端安裝在豎置輸送小輪上，相鄰兩帶的另一端則分別放在上下兩個橫豎輸送輪上，可使用相鄰兩帶之間的夾持力輸送蔬菜。一級輸送機構(gòu)的主要作用是將收割上來的葉菜類蔬菜夾持輸送并將豎直蔬菜橫向放倒后送至二級傳送機構(gòu)；二級輸送機構(gòu)則將從一級輸送機構(gòu)輸送上來的蔬菜輸送至較高位置并將其拋入收集箱中。

4蔬菜輸送速度的確定

輸送機構(gòu)是聯(lián)系割刀和收集箱的橋梁，其速度快慢直接影響整機的工作性能。輸送機構(gòu)既不能被堵塞也不能浪費不必要的功率，同時要保證蔬菜在收集箱中有合適的堆放位置。為了更好地保證葉菜類蔬菜的收割品質(zhì)，有必要對輸送機構(gòu)的輸送速度進行計算，得到與整機行走速度相匹配的輸送速度。

4.1　一級輸送機構(gòu)速度計算

一級輸送機構(gòu)主要靠條形帶的夾持力進行蔬菜的輸送，輸送帶快則夾持蔬菜層薄，輸送帶慢則加持蔬菜層厚。這時輸送帶速度則應(yīng)該按指定的蔬菜堆疊厚度使輸送帶單位時間內(nèi)的蔬菜輸送量和機器收割量相等而確定[7]。即

VmBq1=Vsdq2

(1)

式中Vm—機器前進速度(m/s)；

q1—蔬菜生產(chǎn)密度(株/m3)；

B—割幅(m)；

Vs—一級輸送帶速度(m/s)；

d—蔬菜在輸送帶的夾持厚度(mm)；

q2—為蔬菜在輸送帶上的集聚密度(m/s)。

所以有

(2)

其中，k為蔬菜積集系數(shù)，k=q1/q2，k一般取18~33，d≤60mm。

4.2　二級輸送機構(gòu)計算

二級輸送帶上需要有一定的蔬菜堆疊厚度。通過分析其輸送原理可以得到二級輸送帶的速度Vd與夾持層的厚度h關(guān)系為

(3)

式中Vd—二級輸送帶的速度；

h—蔬菜在二級傳送帶上的堆疊高度。

同時，二級輸送帶的尾端為了將蔬菜拋入收集箱中，二級輸送帶還應(yīng)該滿足下列條件[8](見圖6)，即

圖6　蔬菜輸送帶上的受力分析圖

(4)

式中m—蔬菜的質(zhì)量(kg)；

r—輸送輪的半徑(mm)；

ω—輸送帶輪的角速度(rad/s)；

g—重力加速度(m/s2)；

α—輸送帶的傾角。

因此有

(5)

又因

Vd=rω

(6)

所以

(7)

當(dāng)cosα =1時為最不利的情況，其最低極限值為

(8)

其中，Vmin為輸送帶的最低極限值。所以綜上所述二級輸送帶的速度Vd大于Vmin。

通過理論計算可以得到一級輸送機構(gòu)輸送帶與二級輸送帶的速度的范圍值。由于不同葉菜類蔬菜之間的桿徑集聚系數(shù)q以及被輸送蔬菜的夾持層厚度d與堆疊高度h的不同，導(dǎo)致了輸送帶速度的值無法準(zhǔn)確得到。為了更好地保證葉菜類蔬菜的收割品質(zhì)，需要對收割機進行實地試驗來確定出輸送帶速度的準(zhǔn)確值。

5結(jié)論

通過使用功能樹進行分析，為滿足國內(nèi)大多數(shù)地區(qū)的葉菜類蔬菜收割，設(shè)計了小型智能自動化葉菜類蔬菜收割機，并確定該機使用蓄電池作為動力，以割幅調(diào)整機構(gòu)及割茬高度調(diào)整機構(gòu)，輸送機構(gòu)作為主要部件對葉菜類蔬菜進行收割。割幅與割茬調(diào)整機構(gòu)使得該機更好地滿足了實際作業(yè)需求，且具有更高的通用性。通過對輸送機構(gòu)速度的理論計算，確定出與行走速度相匹配的蔬菜輸送速度范圍值；但為了更好的保證蔬菜的收割質(zhì)量，需對整機進行實地試驗。

相比于傳統(tǒng)的葉菜類蔬菜收割機，本文所設(shè)計的小型智能自動化葉菜類收割機結(jié)構(gòu)簡單、制造加工容易、操作使用方便、工作效率高且能保證被收割蔬菜品質(zhì)。因此，蔬菜收割機具有很大的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Γ跈C器中個別零部件處需進一步的改進，整機需要進一步的試驗分析。

參考文獻：

[1]人民網(wǎng).我國蔬菜面積產(chǎn)量人均占有量均居世界第一[EB/OL].2014-05-25.http://scitech.people.com.cn/n/2014/0515/c1007-25019148.html.

[2]國務(wù)院.全國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2011-2015)[EB/OL].2012-01-13.http://scitech.people.com.cn/n/2014/0515/c1007-25019148.html.

[3]王俊，杜冬冬，胡金冰．蔬菜機械化收獲技術(shù)及其發(fā)展[J]．農(nóng) 業(yè) 機 械 學(xué) 報，2014，45(2)：81-87．

[4]陳永生，胡檜，肖體瓊，等．我國蔬菜生產(chǎn)機械化現(xiàn)狀及發(fā)展對策[J]．中國蔬菜，2015(10)：1-5.

[5]趙韓,黃康,陳科.機械系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:高等教育出版社，2005.

[6]劉思平,劉樹武.創(chuàng)造方法學(xué)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1998.

[7]中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊(上冊)[K].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2007.

[8]耿端陽，張道林，王相友，等.新編農(nóng)業(yè)機械學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011.

Design of a Small Intelligent Leafy Vegetable Harvester

Gao Long, Yi Jinggang, Kong Degang, Yuan Yongwei

(Mechanic and Electronics College, Agriculture University of Hebei, Baoding 071001，China)

Abstract：Currently, most of the harvesting operation of leafy vegetable was completed by manual work in china, which are inefficiency and serious damage to vegetable. To solve this problem，this paper design a small intelligent leafy vegetable harvesters.It can adjust the cutting width and cutting height to suit different kinds of vegetables.The machine utilizes some technologies that are lead screw for lifting ,the DC drive cage steering wheel,two-stage drive and Two-way lead screw. The machine get high harvesting efficiency, while ensuring the quality of the vegetables to meet harvesting requirements for vegetables in large part of china.

Key words：vegetable harvester; cutting width adjustment; cutting height adjustment

中圖分類號：S225.92

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0147-04

作者簡介：高龍(1991-)，男，河北唐山人，碩士研究生，(E-mail)skygaolong@126.com。通訊作者：弋景剛(1961-)，男，河北滄州人，教授，(E-mail)yjg@hebau.edu.com。

基金項目：河北省科技支撐計劃項目(15227209D)；河北省蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(2014)

收稿日期：2015-08-27