王方艷，孫光全，尚書旗

4CL-1型自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)的研制

王方艷，孫光全，尚書旗※

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，青島 266109）

針對大蔥收獲勞動力短缺和有效收獲機(jī)具匱乏的問題，該文結(jié)合國內(nèi)大蔥種植的農(nóng)藝要求和種植模式，設(shè)計(jì)了一種自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)。該機(jī)由行走系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、組合挖掘裝置、鏈桿清送裝置、除土裝置、夾送裝置、扭鋪裝置等組成，可一次性完成大蔥的挖掘、清土、升運(yùn)、鋪放等作業(yè)。整機(jī)傳動系統(tǒng)分為機(jī)械傳動部分和液壓傳動部分。機(jī)械傳動部分實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)行走系統(tǒng)及挖掘收獲系統(tǒng)的動力協(xié)調(diào)，液壓傳動實(shí)現(xiàn)挖掘收獲系統(tǒng)的位置調(diào)整、夾送裝置的轉(zhuǎn)速控制、扭鋪裝置的轉(zhuǎn)速控制；旋松刀組與V型挖掘鏟組成的挖掘裝置，實(shí)現(xiàn)對土壤的分層松碎及挖掘；桿式輸送鏈完成大蔥輸送及其黏附土壤的初次清理及抬升，清土輥完成大蔥根部殘余土壤的二次清除；柔性夾持輸送帶與清土裝置配合，完成大蔥的有效喂入及柔性夾持；扭送機(jī)構(gòu)及鋪放機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大蔥由豎直向水平方向的改變，并完成大蔥的有序鋪放。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)條件下的收凈率為99.50%，損傷率為1.40%，損失率為0.70%，生產(chǎn)效率為0.049 hm2/h，約為人工收獲的12倍。該機(jī)工作性能穩(wěn)定可靠、作業(yè)效果好，可為大蔥收獲技術(shù)及裝備的研發(fā)提供參考。

收獲機(jī)；挖掘；設(shè)計(jì)；自走式；大蔥

0 引 言

大蔥是重要的調(diào)味蔬菜，主要集中在河南、山東、河北等省份種植，常年種植面積約4.67×105hm2。其中，山東大蔥享譽(yù)海外，種植面積約占全國的1/6。但大蔥培土起壟的種植方式給收獲作業(yè)帶來很大困難[1]。當(dāng)前，大蔥收獲以簡單挖掘配合人工抖土完成，人工收獲作業(yè)效率低，勞動強(qiáng)度大。農(nóng)忙時節(jié)的勞動力短缺及收獲成本增高，已經(jīng)影響到種植戶的經(jīng)濟(jì)效益。隨著大蔥種植規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的人工收獲及簡單的機(jī)械挖掘已經(jīng)不能滿足大蔥產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要。研發(fā)性能穩(wěn)定、多功能的大蔥聯(lián)合收獲裝備已成為當(dāng)前大蔥機(jī)械化收獲作業(yè)的關(guān)鍵。

國外大蔥聯(lián)合收獲技術(shù)及裝備相對成熟，可實(shí)現(xiàn)大蔥打稍、挖掘、除土、夾送、堆放等作業(yè)[2-5]。歐美研制的大蔥聯(lián)合收獲機(jī)以平作的韭蔥為主，日韓研制的大蔥聯(lián)合收獲裝備以火山灰質(zhì)土壤種植的大蔥為收獲對象。作業(yè)環(huán)境及大蔥種植品種的差異，使得國外機(jī)具未能在國內(nèi)推廣應(yīng)用。國內(nèi)對大蔥收獲技術(shù)及裝備的研究還處于起步階段，分段式收獲基本成熟，能夠完成大蔥的簡單挖掘，而聯(lián)合收獲還處于試驗(yàn)階段，還需要不斷提升優(yōu)化。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的一種雙行大蔥收獲機(jī)，整體體積較大、功耗大，且未對收獲期大蔥進(jìn)行收獲作業(yè)性能校驗(yàn)[6]。雙行收獲的作業(yè)模式，與中國大蔥多樣化栽植的種植方式，存在對行挖掘困難、轉(zhuǎn)彎半徑大、適應(yīng)性及推廣性有待提升的問題。中國土壤條件的多樣化、大蔥品種差異及栽植農(nóng)藝的多樣性，給機(jī)械化收獲帶來了挑戰(zhàn)。目前，中國還沒有性能穩(wěn)定的大蔥聯(lián)合收獲機(jī)可用于大蔥生產(chǎn)收獲環(huán)節(jié)。在山東省新舊動能轉(zhuǎn)化的大背景下，工作性能穩(wěn)定可靠的大蔥聯(lián)合收獲裝備的研發(fā)已經(jīng)迫在眉睫。因此，結(jié)合大蔥的種植農(nóng)藝及種植品種特性，以單行大蔥收獲為研究目標(biāo)，提出適宜的挖掘收獲方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)，完成大蔥聯(lián)合收獲機(jī)的研發(fā)，對提高收獲機(jī)具的適應(yīng)性及推動大蔥機(jī)械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

4CL-1型大蔥聯(lián)合收獲機(jī)由行走系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、挖掘裝置、清送裝置、夾送裝置、扭鋪裝置等組成，可一次性完成大蔥的挖掘、清土、升運(yùn)、鋪放等作業(yè)。其中，旋松刀組與V型鏟構(gòu)成組合挖掘裝置；桿式輸送鏈與清土輥構(gòu)成清送裝置。大蔥聯(lián)合收獲機(jī)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

作業(yè)時，借助調(diào)整液壓油缸控制挖掘深度及導(dǎo)向輪的位置，通過左右導(dǎo)向輪輔助對行，依托橡膠履帶行走系統(tǒng)跨壟前行。旋松刀組將蔥壟兩側(cè)土壤旋松并分別拋向兩外側(cè)，配合V型鏟完成大蔥的分層、分步挖掘。挖切下的大蔥在桿式輸送鏈的輸送下抬升并完成初次清土后被夾持輸送。后方的清土輥對大蔥根部的土壤進(jìn)行二次滾動清土。在扭送機(jī)構(gòu)及鋪放機(jī)構(gòu)的作用下，大蔥由豎直夾送到橫向輸送，完成有序平鋪。在整個收獲過程中，各機(jī)構(gòu)相互作用位置及參數(shù)合理設(shè)置，并在液壓馬達(dá)及行走控制系統(tǒng)的帶動下，完成大蔥的低阻挖掘及有序輸送。4CL-1型大蔥聯(lián)合收獲機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

1.導(dǎo)向輪 2.旋松刀組 3.V型鏟 4.桿式輸送鏈 5.清土輥 6.行走系統(tǒng) 7.液壓油箱 8.科林DK-35發(fā)動機(jī) 9.夾送裝置 10.扭送裝置 11.鋪放裝置

表1 4CL-1自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)主要參數(shù)

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及參數(shù)

2.1 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)由機(jī)械傳動系統(tǒng)和液壓傳動系統(tǒng)組成。機(jī)械傳動系統(tǒng)為機(jī)器的行走提供動力，液壓傳動系統(tǒng)為挖掘裝置的升降，夾送裝置的升降及帶輪的轉(zhuǎn)動，扭鋪裝置的轉(zhuǎn)動提供動力。整個傳動系統(tǒng)采用分路傳動的方式。動力由發(fā)動機(jī)輸出分3路，一路經(jīng)發(fā)動機(jī)主軸輸出到變速箱，再通過帶傳動將動力傳遞到行走系統(tǒng)，驅(qū)動履帶式底盤前進(jìn)；一路經(jīng)發(fā)動機(jī)輸出軸輸出，通過帶傳動變速分別為旋松刀、桿式輸送鏈及清土輥提供動力；最后一路經(jīng)發(fā)動機(jī)輸出軸輸出，通過帶傳動驅(qū)動液壓泵轉(zhuǎn)動，經(jīng)手動換向閥的調(diào)節(jié)為組合挖掘裝置的升降，夾持輸送帶、扭轉(zhuǎn)輸送帶及有序鋪放裝置提供動力。具體動力傳動系統(tǒng)如圖2所示。

1.旋松刀 2.桿式輸送鏈 3.清土輥 4.鏈輪 5.變速箱 6.皮帶輪

1.Rotary loosening knife 2. Rod conveyor chain 3.Cleaning roller 4.Sprocket 5.Gear box 6.Belt pulley

注：1為發(fā)動機(jī)與行走系統(tǒng)傳動比；2、3、4、5、6為發(fā)動機(jī)與旋松刀組的各級傳動比；7為發(fā)動機(jī)與液壓泵的傳動比。

Note:1is the ratio of engine to travel system;2,3,4,5,6are the transmission ratio of the engine and the rotary cutter group；7is the transmission ratio of the engine to the hydraulic pump.

1.手動換向閥 2.截止閥 3.升降油缸 4.換向閥 5.液壓馬達(dá)

大蔥聯(lián)合收獲機(jī)采用履帶行走系統(tǒng)。履帶底盤的驅(qū)動功率P、驅(qū)動力F、扭矩T滿足[7-8]

式中max為機(jī)具最大前進(jìn)速度，km/h；F為驅(qū)動力，N。

式中為爬坡角度，（°）；m為機(jī)具總質(zhì)量，kg。

式中T為驅(qū)動輪的扭矩，N·m；R為驅(qū)動輪半徑，mm；為安全系數(shù)，取1.1[9]

考慮田間實(shí)際工作情況及相似機(jī)具的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[6]，預(yù)估最大爬坡角度為20°。目前，國內(nèi)引進(jìn)的能夠承擔(dān)大蔥壟作收獲的機(jī)器只有日本的單行聯(lián)合收獲機(jī)，行走速度約為0.072～0.186 km/h,結(jié)合設(shè)計(jì)要求確定前進(jìn)速度為0.8 km/h，機(jī)具總質(zhì)量為950 kg，驅(qū)動輪半徑R為150 mm，得F為3 420 N，P為0.7 kW，T為282 N·m，驅(qū)動輪最大轉(zhuǎn)速為24 r/min。

在大蔥收獲過程中，樣機(jī)的挖掘、輸送動力消耗較多，根據(jù)各部件之間的運(yùn)動配合關(guān)系，預(yù)選用25.74 kW的科林DK-35發(fā)動機(jī)。根據(jù)發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為2500 r/min，旋松刀組工作時轉(zhuǎn)速為44 r/min，確定發(fā)動機(jī)與旋松刀組的傳動比為57:1。由驅(qū)動輪最大轉(zhuǎn)速24 r/min確定發(fā)動機(jī)與行走系統(tǒng)的傳動比為104:1。由液壓泵額定轉(zhuǎn)速確定發(fā)動機(jī)與液壓系統(tǒng)之間的傳動比7為7:6，具體傳動路線圖及各級傳動比如圖2所示。

2.2 組合挖掘裝置

大蔥起壟較高，一次挖掘難度較大。挖掘裝置作為大蔥收獲的核心部件，影響大蔥的挖掘效果及收獲質(zhì)量。目前，常用的挖掘裝置有振動鏟式、刀盤式及組合式等[10]。振動鏟式、刀盤式挖掘裝置入土效果與土壤松碎效果好，但易傷蔥且功耗大。組合挖掘裝置由位于大蔥壟兩側(cè)的旋松刀組與壟底的V型挖掘鏟組成，采用分步挖掘方式，可有效減少挖掘阻力，適度增加挖掘深度，對土壤的適用性較強(qiáng)，可提高大蔥的挖掘深度，有效降低挖掘鏟的挖掘阻力及工作適應(yīng)性。蔥壟兩側(cè)的土壤被旋松刀組旋松側(cè)拋，底部土壤被V型挖掘鏟切割和抬升。組合式挖掘裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

注：T為旋松刀組間距，mm；Y為刀盤間距，mm。

2.2.1 旋松刀組

旋松刀組分為左側(cè)和右側(cè)刀組，分別實(shí)現(xiàn)土壤的松動和向外拋送。兩側(cè)的旋松刀分別交錯均勻布置在各自的轉(zhuǎn)軸上，同一時刻兩側(cè)各有一把旋松刀入土，可平衡兩側(cè)旋松刀組對機(jī)架的側(cè)向力。

1）旋松刀結(jié)構(gòu)

旋松刀的刀刃口由正切刃和側(cè)切刃組成，作業(yè)時側(cè)切刃與正切刃先后切入土壤，通過對土壤進(jìn)行周期性擠壓、切削、破碎、拋甩，完成旋耕作業(yè)[11]，結(jié)構(gòu)如圖4所示。作業(yè)時，刀刃由刀片根部向外滑切入土，先由側(cè)切刃沿縱向切開土壤，再由正切刃從橫向切開土壤，切削阻力相對較小，不易纏草?？紤]大蔥壟形及種植深度，借鑒旋松刀的工作特性，選用等距螺線切刃旋松刀，以獲得較好的滑切效果。其側(cè)切刃為等進(jìn)螺線，且滿足

式中0為螺線起點(diǎn)直徑，mm；為螺線極角每增加1弧度，極徑的增量，mm；為螺線上升的任意極角，rad。

其中，0和由式（5）、（6）確定

式中為切土節(jié)距，mm；為耕深，mm；為旋松刀回轉(zhuǎn)半徑，mm。

（6）

式中ρ為等進(jìn)螺線終點(diǎn)處的極徑，mm；φ為等進(jìn)螺線終點(diǎn)的極角，rad。

其中，φ由式（7）確定

式中t為等進(jìn)螺線終點(diǎn)處的滑切角,要使側(cè)切刃在潮濕黏土中不纏草, 刀柄基部刃口的滑切角應(yīng)大于刃口曲線端點(diǎn)的滑切角，常取50°～60°[12]。

1.正切刃 2.側(cè)切刃 3.刀盤中心

1.Forward cutting edge 2.Side cutting edge 3.Cutter disc center

注：ρ為螺線終點(diǎn)處的極徑，mm；0為螺線起點(diǎn)極徑，mm；φ為螺線終點(diǎn)的極角，rad；為旋松刀回轉(zhuǎn)半徑，mm；t為螺旋線終點(diǎn)處的滑切角，rad；為橫彎半徑，mm；為旋松刀幅寬，mm。

Note:ρis the polar diameter at the end of the spiral, mm;0is the starting point diameter of the spiral, mm;φis the polar angle of the end point of the spiral, rad;is the radius of rotation of the loose knife, mm; tis the slip angle at the end of the spiral, rad；is the radius of the transverse bend, mm;is the width of the rotary cutter, mm.

圖4 旋松刀結(jié)構(gòu)

Fig.4 Structural sketch of rotary loosening knife

2）旋松刀布置關(guān)系

參照常用旋松刀的設(shè)計(jì)原則，確定每側(cè)刀組由2個刀盤6把旋松刀組成，每3把旋松刀均勻分布在同一個刀盤圓周，以保證土壤松碎均勻及拋送及時。兩側(cè)旋松刀組的安裝位置影響大蔥挖掘空間及后期挖掘質(zhì)量和功耗。兩側(cè)旋松刀組間距滿足

在保證不損傷大蔥的前提下，結(jié)合大蔥田間實(shí)際測量數(shù)據(jù)，=90 mm，=7.5 mm，=30 mm，確定兩側(cè)刀組間距=235 mm。同側(cè)2個刀盤的間距應(yīng)略大于旋松刀幅寬，則刀盤間距=55 mm。

旋松刀組的轉(zhuǎn)速滿足

式中為機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；為同一安裝平面內(nèi)均勻安裝刀片數(shù)；為旋松刀轉(zhuǎn)速，r/min；為切土節(jié)距，m。由大蔥田間生長狀態(tài)、作業(yè)環(huán)境及機(jī)具前進(jìn)速度，預(yù)定同一平面內(nèi)安裝刀片個數(shù)=3，求得轉(zhuǎn)速為44 r/min。

2.2.2 V型鏟

依據(jù)大蔥壟作種植及機(jī)具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，V型鏟分為封閉鏟面及柵條結(jié)構(gòu)。鏟面將含有大蔥的土垡從底部挖掘、抬升，降低挖掘阻力。柵條結(jié)構(gòu)可將散落松碎的土壤漏掉，減少土垡運(yùn)動過程中受到的摩擦力，輔助土垡向后輸送及抬升。挖掘鏟結(jié)構(gòu)如圖5所示。

注：B為挖掘鏟寬，mm；L1為鏟尖長度，mm；L2為挖掘鏟面長度，mm；L3為柵條長度，mm；γ為鏟面斜角，（?）；α為挖掘鏟入土角，（?）；P為土垡運(yùn)動所需力，N；N0為挖掘鏟對土壤的支持力,N；G為掘起物的重力,N；N1為鏟面對土壤的摩擦力,N。

1）挖掘鏟寬

受大蔥種植壟寬的影響，挖掘鏟寬滿足

式中，為挖掘偏量，mm

經(jīng)旋松刀組松碎后，根據(jù)旋松刀兩側(cè)刀組間距，蔥壟寬為235 mm，初定為30 mm，則為295 mm。

2）鏟面斜角

鏟面斜角決定鏟面的結(jié)構(gòu)形狀，影響鏟刃對土壤及大蔥須根的切割性能。為保證土壤或大蔥根被順利切割，并沿刃口滑走，提高挖掘鏟的自清能力，鏟面斜角應(yīng)滿足

式中為挖掘鏟與土壤的摩擦角，(°)。

鏟面斜角越大，則挖掘鏟切入土壤時與土壤接觸面積越大，增加機(jī)械功率的消耗。鏟面斜角變小，則鏟面變尖、變長，易發(fā)生曲鏟或傷蔥情況[17]。由土壤與鋼的摩擦系數(shù)tan=0.4～0.7，取tan為0.46,則為65°[18]。

3）鏟面入土角

鏟面入土角決定挖掘鏟的入土狀態(tài)及挖掘阻力。根據(jù)鏟面挖起的土垡受力建立平衡方程

1=0tan（13）

根據(jù)式（12）、（13）可得

由式（14）可知，隨著入土角的增大，挖掘土垡所需力增大，但入土角的減小，鏟面長度會增加[19]。為了適應(yīng)不同的土壤類型及工作條件，參考常用入土角的范圍20°～30°，確定挖掘鏟入土角為25°[20-21]。

為了保證挖掘鏟的工作穩(wěn)定性及大蔥收獲要求，借助平面鏟與柵條的結(jié)構(gòu)，完成土垡的挖掘及抬升。由挖掘鏟的幾何結(jié)構(gòu)，鏟尖長度1滿足

式中為挖掘鏟寬，mm；為鏟面斜角，（°）。

2.3 清送裝置

在大蔥挖掘后帶有大量的泥土，甚至碎石，需要進(jìn)行蔥土分離工作，以便于后續(xù)的夾持、輸送及鋪放工作。清送裝置由桿式輸送鏈和清土輥組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

清土輥為旋轉(zhuǎn)部件，主要由輥軸、輥筒和割刀組成。割刀為月牙形，采用雙螺旋線排列方式固定在滾筒上，保證清土輥運(yùn)動過程的動平衡。工作時，該裝置借助割刀破壞大蔥根須及土壤的纏連，通過清土輥與大蔥根部的接觸摩擦清除大蔥根部附著的土壤和根須。為保證清理過程順暢及結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)使其與大蔥根部的垂直距離與桿式輸送鏈的水平距離大小合適，即由垂直距離與水平距離確定其安裝位置，則清土輥筒直徑3滿足

式中3為割刀高度，mm。

因收獲期大蔥根須為50～80 mm，蔥白平均直徑為30 mm，則確定2為60 mm，割片分布螺線螺距為35 mm?？紤]蔥根與清土輥有效的接觸時間及割片布置數(shù)量，確定清土輥筒直徑3為80 mm。

1.連接板 2.柵條 3.鏈輪 4.清土輥筒 5.割刀

1.Connecting plate 2.Grid 3.Sprocket 4.Cleaning roller 5.Cutter

注：1為柵條間距，mm；1為柵條直徑，mm；3為清土輥筒直徑，mm；4為格條長度，mm；5為輸送長度,mm；3為割刀高度，mm.

Note:1is grid spacing, mm;1is grid diameter, mm;3is the diameter of cleaning roller, mm;4is grid length, mm;5is conveying length, mm;3is cutter height, mm.

圖6 清送裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.6 Structural sketch of clearing device

2.4 夾送裝置

夾送裝置位于挖掘裝置及清土裝置的后上方，為大蔥的有效清土、有序輸送及轉(zhuǎn)向鋪放做準(zhǔn)備。其主要由張緊輪、夾持帶、擺線馬達(dá)等組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

工作時，含有大蔥的土垡在桿式輸送鏈的帶動下運(yùn)移。大蔥向前傾斜，與水平面之間的夾角為90°-。夾持帶采用具有一定彈性的海綿環(huán)形帶，其與水平面之間的夾角為傾角。2根夾持帶相對轉(zhuǎn)動，借助大蔥與夾持帶的摩擦力，將大蔥喂入夾持輸送并脫離桿式輸送鏈。同時，在張緊輪及張緊彈簧的輔助下適應(yīng)不同直徑的蔥白尺寸。

注：D為張緊輪的直徑，mm；ψ為夾持帶之間的夾角，rad；φ為大蔥與夾持帶間的摩擦角，rad；B2為夾持帶厚度，mm。

通常收獲期大蔥的生長高度為700～800 mm，大蔥假莖長度為400～500 mm，蔥白培土部分平均長度為250 mm[22-24]。選用寬度2為75 mm的海綿環(huán)形帶對大蔥葉的分叉處夾持，并通過張緊輪和張緊彈簧調(diào)節(jié)夾送裝置的夾持力，保證整個夾送過程中大蔥不掉落、夾持力穩(wěn)定。經(jīng)初步試驗(yàn)，大蔥單株質(zhì)量0.5～0.75 kg，采用12～18 N彈簧壓力作用于加持帶，可滿足無損夾持要求[25-26]。但在夾送過程中，大蔥根部受到清土輥的清土力及運(yùn)動干擾，故夾持帶選用20 N的夾持力。

式中為大蔥與夾持帶間的摩擦角，（o）；為張緊輪的直徑，mm；為夾持帶厚度，mm。

為了保證大蔥順暢喂入夾持帶，對夾持帶的速度分析如圖8所示，且夾持帶速度2滿足

注：υ1為桿式輸送鏈的線速度, m·s-1；υ2為夾持帶線速度, m·s-1；β為夾持帶傾角，rad。

2.5 扭鋪裝置

扭鋪裝置由扭送機(jī)構(gòu)及鋪放機(jī)構(gòu)組成。工作中，大蔥通過夾送帶的扭送機(jī)構(gòu)完成方向改變，經(jīng)隔板式輸送帶的輸送有序掉落鋪放。其中，扭送機(jī)構(gòu)主要由液壓馬達(dá)、夾持帶、張緊輪組成，完成大蔥由豎直夾持向水平輸送的轉(zhuǎn)向，決定大蔥的鋪放及效果。大蔥開始喂入扭鋪裝置時，其運(yùn)動及受力方式與其進(jìn)入夾送裝置相似，參照式（18）計(jì)算，確定小帶輪直徑4為70 mm。其結(jié)構(gòu)及速度關(guān)系如圖9所示。為避免大蔥扭轉(zhuǎn)運(yùn)動過程的擁堵，扭送機(jī)構(gòu)的速度3滿足

由初步試驗(yàn)，選擇擺線馬達(dá)控制扭送機(jī)構(gòu)的夾持帶的轉(zhuǎn)速，并確定扭轉(zhuǎn)角度1為13°，以保證大蔥的順暢轉(zhuǎn)向。

注：1為扭轉(zhuǎn)角度，rad；2為隔板輸送帶的傾角，rad；3為隔板間距，mm；3為送機(jī)構(gòu)的速度，m/s；4為隔板高度，mm；4為小帶輪直徑，mm。

Note:1is torsion angle, rad;2is inclination angle of partition conveyor belt, rad;3is separator spacing, m m;3is the speed of the feeding mechanism,, m/s;4is separator height, mm;4is the diameter of small pulley, mm.

圖9 扭鋪裝置結(jié)構(gòu)圖

Fig. 9 Structural diagram of torsion paving device

鋪放機(jī)構(gòu)布置在扭送機(jī)構(gòu)的末端，通過多個均勻隔板避免大蔥輸送過程中的滾落[28-30]?？紤]整機(jī)的緊湊性及作業(yè)效果，確定隔板輸送帶的傾角2為28°。收獲期，經(jīng)田間實(shí)際測量大蔥長度多為700～800 mm，大蔥夾持位置為蔥白與蔥葉的交界處，故選擇隔送板的寬度6為600 mm、隔板高度4為100 mm，間距3為440 mm。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對4CL-1自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)的整機(jī)性能進(jìn)行考核，驗(yàn)證技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)是否設(shè)計(jì)合理,分析大蔥收獲作業(yè)中存在的問題及不足，并比較與人工收獲效果的差異。

3.2 試驗(yàn)條件及設(shè)備

在2017年11月20日在濰坊安丘市振來家庭農(nóng)場進(jìn)行收獲試驗(yàn)。田間土壤為壤土，土壤容重為1.26 g/cm3，土壤硬度為1 254 kPa，含水率為12.80%。大蔥品種為日本鋼蔥，植株高度為700~800 mm，平均株距為42 mm，蔥白平均直徑為30 mm；大蔥種植平均行距為800 mm，起壟平均高度為280 mm。試驗(yàn)設(shè)備為4CL-1型自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)1臺。根據(jù)大蔥生長及田間狀況，調(diào)整油缸伸縮長度，控制挖掘深度為300 mm，收獲行數(shù)為1行。試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行5次分別記錄每次試驗(yàn)所用時間、漏挖株數(shù)、損傷株數(shù)等數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)方法及指標(biāo)

參照《大蔥收獲機(jī)》（Q/0781QHL01-2017）作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及收獲實(shí)際情況，采用4CL-1型自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行大蔥田間收獲。隨機(jī)選擇5~7壟大蔥，每次選擇20 m為收獲測試區(qū)，分別記錄測試區(qū)大蔥作業(yè)總株數(shù)、漏挖株數(shù)、損傷株數(shù)，計(jì)算大蔥收獲主要性能指標(biāo)。

1）挖凈率

式中1為挖凈率，%；為大蔥總株數(shù)，棵；1為漏挖株數(shù)，棵。

2）損傷率

式中2為損傷率，%；2為損傷株數(shù)，棵。

3）損失率

式中3為損失率，%；3為收獲株數(shù)，棵。

隨機(jī)選擇20 m的收獲區(qū)，采用挖掘叉人工挖掘大蔥，并拔出大蔥抖土，分別記錄人工收獲大蔥的總株數(shù)、漏挖株數(shù)、損傷株數(shù)及工作時間，參照大蔥機(jī)械收獲指標(biāo)計(jì)算方法，得到人工大蔥收獲指標(biāo)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

樣機(jī)采用履帶式底盤適用于田間凹凸地表，行走穩(wěn)定性可靠，轉(zhuǎn)彎半徑為0.6 m，通過性好。收獲過程，大蔥可以被順利挖掘、夾持及輸送鋪放。人工收獲費(fèi)力費(fèi)時，收獲速度較慢，約為0.005 km/h，但收獲質(zhì)量較高。通過田間試驗(yàn)，研發(fā)的自走式大蔥收獲機(jī)行走流暢，操作簡便，收獲速度為0.061 km/h，生產(chǎn)率為0.049 hm2/h，約為人工收獲效率的12倍；與人工收獲效果相比，樣機(jī)收獲的挖凈率略低，損傷率及損失率略高，且各個指標(biāo)都滿足收獲要求，作業(yè)效果如表2所示。其中，1.40%的損傷率主要來自大蔥的喂入夾送帶損傷。0.70%的損失率源于大蔥轉(zhuǎn)向過程中遺落。由于大蔥種植較深，收獲機(jī)部件較多，受大蔥生長狀況的影響較大。大蔥生長高度不一，莖葉參差不齊，根須相互纏繞，給大蔥輸送位置的轉(zhuǎn)向及鋪放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。當(dāng)大蔥長度大于700 mm或夾持位置不當(dāng)時，大蔥在轉(zhuǎn)向過程中運(yùn)動不穩(wěn)，在其他大蔥的干擾下易發(fā)生掉落或鋪放不齊，并大蔥之間相互扯動產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。為此，在大蔥收獲允許的條件下，建議去除一定長度的大蔥葉梢，使得大蔥收獲高度一致，便于相關(guān)裝置的運(yùn)動及配合。

表2 作業(yè)效果

4 結(jié) 論

1）結(jié)合壟作大蔥的種植農(nóng)機(jī)及收獲需求，設(shè)計(jì)了自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)，可一次完成大蔥的挖掘、清土、夾持及鋪放作業(yè)。該機(jī)采用旋松刀與V型鏟的組合挖掘裝置實(shí)現(xiàn)分層的挖掘方式，解決了壟作大蔥挖掘難的問題，并有效降低了挖掘阻力；采用桿式輸送鏈與清土輥配合，實(shí)現(xiàn)大蔥的有效抬升及清土；采用柔性夾送帶減緩大蔥的擠壓損傷、借助張緊機(jī)構(gòu)適應(yīng)不同大蔥蔥白尺寸；采用扭鋪裝置將大蔥由豎直夾持變?yōu)槠戒佪斔?，彌補(bǔ)了現(xiàn)有大蔥收獲機(jī)械鋪放雜亂的問題。

2）田間試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)收獲質(zhì)量高、性能穩(wěn)定，挖凈率為99.50%，損傷率為1.40%，損失率為0.70%，生產(chǎn)效率為0.049 hm2/h，是人工收獲效率的12倍。

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Development of 4CL-1 self-propelled combine harvester for green onion

Wang Fangyan, Sun Guangquan, Shang Shuqi※

(,,266109,)

Based on the agronomic requirements and planting methods of domestic green onion planting, a self-propelled green onion combine harvester was designed. The machine is composed of walking system, transmission system, combined excavating device, clearing device, clamping conveyor, torsion paving device, and so on. It can complete the excavating, cleaning, lifting and laying of green onion at one time. Based on the theoretical analysis of power configuration requirements for the machine and motion relationship of each key component, the overall power of the machine and the gear ratio of each stage were determined, and the structural parameters of the key components were designed. The whole drive system consists of mechanical transmission part and hydraulic transmission part. The power coordination of walking system and excavating system is realized by the mechanical transmission part. The position adjustment of the excavating system, the rotation speed control of the clamping conveyor and the torsion paving device are realized by the hydraulic transmission. The combined excavating device composed of rotary loosening knife group and V-typeexcavating shovel, as the core part of green onion harvesting, affects the excavating effect and harvesting quality. That has a strong applicability to improve the excavatingdepth of green onion, realize step-by-step loosening and excavation of the soil, reduce excavation resistance and avoid harvesting congestion. The rotary loosening knife group completes the cutting of the soil on both sides, the V- type excavating shovel realizes the bottom excavation and lifting of the soil, the rod conveyor chain transports and lifts the green onions and the initial cleaning of the onion-attached soil, and the clearing roller remove residual soil from roots of green onion. The two-stage soil cleaning is composed of rod conveyor chain and soil cleaning roller to ensure the effect of soil cleaning and impurity removal. To alleviate the extrusion damage of green onion, the effective feeding and flexible clamping of green onion can be completed by clamping conveyor to adapt to different green onion sizes. Designing the speed of the rod conveyor chain, the forward speed of the machine and the clamping conveying speed, to understand the speed matching relationship among them, and ensure that the soil at the root of the green onion is cleaned and the clamping conveying is stable. The reversal conveying and laying mechanism can change the vertical clamping to horizontal conveying of green onion, and the orderly laying of green onion can be completed. The field test results show that the removal rate, damage rate, loss rate and productivity of the machine are 99.50%, 1.40%, 0.70% and 0.049 hm2/h,respectively. The machine solves the problems of large excavation resistance, unstable clamping and conveying, unclean root soil cleaning, disorderly laying, etc. This research can provide basis for design and development of green onion harvesting and equipment.

harvester; excavating; design; self-propelled; green onion

王方艷，孫光全，尚書旗. 4CL-1型自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)的研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(24)：39－47. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.005 http://www.tcsae.org

Wang Fangyan, Sun Guangquan, Shang Shuqi. Development of 4CL-1 self-propelled combine harvester for green onion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 39－47. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.005 http://www.tcsae.org

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.005

S225.92

A

1002-6819(2019)-24-0039-09

2019-08-22

2019-11-25

國家自然基金；基于有序運(yùn)移機(jī)理的大蔥低阻平穩(wěn)收獲方法的研究（51775290）。山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目：自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)研制（2018YF001-06）、自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)的研發(fā)（2016YF042）、山東省高等學(xué)校青創(chuàng)人才引育計(jì)劃團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目“高端現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新研發(fā)團(tuán)隊(duì)”

王方艷，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)及理論研究。Email：wfy_66@163.com

尚書旗，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)裝備研究。Email：sqshang@qau.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會會員：王方艷（E041500001M）。