楊紅光，胡志超，彭寶良，王冰，張延化，于昭洋

(1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京市，210014； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，南京市，210014)

0 引言

大蒜機械化聯(lián)合收獲可以一次性完成大蒜植株的挖掘起拔、去土輸送、切莖和蒜頭收集等工序，是實現(xiàn)大蒜高質(zhì)、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是一個國家大蒜機械化生產(chǎn)水平的重要體現(xiàn)。我國大蒜種植面積大、范圍廣，大蒜主產(chǎn)區(qū)實現(xiàn)機械化聯(lián)合收獲是必然選擇。

在大蒜機械化收獲方面，美國、法國、西班牙、日本等研究早，技術(shù)裝備較為成熟[1-2]。但受大蒜品種和種植模式限制，國外相關(guān)技術(shù)裝備并不適用于當前我國大蒜收獲作業(yè)。而我國對大蒜機械化收獲技術(shù)裝備的研究相對較晚，理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)積累較為薄弱，而且早期的研究多集中在與手扶拖拉機和小四輪拖拉機配套使用的中小型大蒜挖掘機上[3-5]。彭寶良等[6]在前期相關(guān)研究基礎(chǔ)之上，率先研發(fā)出4DLB-2型半喂入自走式大蒜聯(lián)合收獲機，并開展了較多試驗研究工作[7-9]。隨后國內(nèi)多家科研單位對大蒜聯(lián)合收獲技術(shù)裝備開展研究。韓可[10]研發(fā)出一款4DS-6型大蒜聯(lián)合收獲機；寧金偉等[11]研發(fā)出一款單行打捆式大蒜聯(lián)合收獲機；馬凱等[12]研發(fā)出一款全自動6行大蒜聯(lián)合收獲機；趙東等[13]研發(fā)出一款4行模塊化大蒜聯(lián)合收獲機；崔軍等[14-16]分別研發(fā)出2行和6行大蒜聯(lián)合收獲機。

經(jīng)過學(xué)者們近年來的持續(xù)技術(shù)攻關(guān)，我國大蒜聯(lián)合收獲技術(shù)裝備不斷豐富，性能也進一步得到優(yōu)化提升。但是，當前1行或2行聯(lián)合收獲作業(yè)的大蒜收獲機械由于作業(yè)效率較低，已不能滿足我國大蒜機械化收獲需求；同時，大蒜打捆聯(lián)合收獲作業(yè)模式也不適宜當前我國大蒜生產(chǎn)需求。隨著我國人工老齡化問題的加劇，廣大蒜農(nóng)迫切需要性能可靠的大蒜多行(≥3行)聯(lián)合收獲機，來實現(xiàn)大蒜高效率、低人工勞動強度的收獲作業(yè)。大蒜多行聯(lián)合收獲成為大蒜機械化收獲的重要發(fā)展方向，大蒜多行聯(lián)合收獲技術(shù)裝備研發(fā)成為大蒜產(chǎn)業(yè)亟需解決的問題。秧果的歸集輸送是大蒜多行聯(lián)合收獲作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，既要保證整機結(jié)構(gòu)簡便，又要實現(xiàn)多行秧果的統(tǒng)一分別歸集輸送。而現(xiàn)有的大蒜多行聯(lián)合收獲機的秧果歸集輸送作業(yè)多采用兩套裝置完成，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計及布置方式，極易造成整機結(jié)構(gòu)復(fù)雜和動力浪費。因此，結(jié)合我國收獲期大蒜植株特性和多行大蒜同時收獲作業(yè)的實際需求，研發(fā)簡單實用的秧果歸集輸送裝置，為大蒜多行聯(lián)合收獲機的設(shè)計提供關(guān)鍵裝置支撐，對推動我國大蒜多行聯(lián)合收獲機械的研發(fā)應(yīng)用具有重要意義。

1 秧果集送裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

依據(jù)收獲期大蒜植株特性和多行大蒜同時收獲作業(yè)需求，設(shè)計的秧果集送裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由驅(qū)動部件、桿式輸送鏈、輸送鏈支撐架、防護側(cè)板、出料口等組成。其中，驅(qū)動部件由鏈輪、傳動軸和帶座軸承等組成，通過兩側(cè)軸承座與輸送鏈支撐架相連接，經(jīng)鏈輪帶動桿式輸送鏈運動；桿式輸送鏈整體結(jié)構(gòu)呈拐角形，包含水平段和豎直段，主要由兩條平行的回環(huán)鏈組成，兩條回環(huán)鏈之間安裝有間隔分布的桿條，桿條上安裝有向內(nèi)和向外的蒜頭歸集板和蒜秧歸集板，在桿式輸送鏈運動過程中分別實現(xiàn)蒜頭和蒜秧的歸集作業(yè)。輸送鏈支撐架包括主支撐架和張緊支撐架兩部分，主支撐架作用是支撐桿式輸送鏈形成拐角形結(jié)構(gòu)，張緊支撐架作用是調(diào)整桿式輸送鏈的張緊程度，滿足蒜秧和蒜頭的歸集輸送作業(yè)要求。

圖1 整體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Overall structure1.輸送鏈支撐架 2.出料口 3.驅(qū)動部件 4.桿式輸送鏈 5.防護側(cè)板

1.2 工作原理

多行大蒜聯(lián)合收獲時，每行大蒜植株依次歷經(jīng)挖掘起拔、夾持輸送、去土切莖等作業(yè)工序。一方面，被切下的蒜頭向下掉落，經(jīng)過橡膠導(dǎo)蒜滑板進入秧果集送裝置的桿式輸送鏈水平段內(nèi)側(cè)回環(huán)中，在蒜頭歸集板的撥擋作用下，隨輸送鏈逐步由水平段運動至豎直段，最后經(jīng)出料口進入后續(xù)作業(yè)環(huán)節(jié)；另一方面，被切下的蒜秧在割臺夾持輸送鏈末端的導(dǎo)秧機構(gòu)的引導(dǎo)作用下，傾斜向下落入秧果集送裝置的桿式輸送鏈水平段外側(cè)回環(huán)上，在蒜秧歸集板的撥擋作用下，隨輸送鏈運動，最后被成條鋪放在機器前進方向右側(cè)的田塊中。

2 秧果集送裝置設(shè)計分析

2.1 設(shè)計依據(jù)與原理

蒜秧和蒜頭的歸集輸送是多行大蒜聯(lián)合收獲作業(yè)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，我國已有的大蒜多行聯(lián)合收獲機蒜秧和蒜頭的歸集輸送多采用兩套裝置完成，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計及布置方式，極易造成整機結(jié)構(gòu)復(fù)雜和動力浪費。因此，本設(shè)計的秧果集送裝置的依據(jù)及原理如下。

1) 結(jié)構(gòu)簡便、性能可靠，同時消耗功率小。

2) 在確保結(jié)構(gòu)簡便的前提下，盡量通過一套裝置完成蒜秧和蒜頭的歸集輸送作業(yè)。

3) 在確保通過一套裝置實現(xiàn)蒜秧和蒜頭分別歸集輸送作業(yè)的前提下，充分考慮裝置整體尺寸大小及結(jié)構(gòu)型式，以便于與聯(lián)合收獲機其他作業(yè)機構(gòu)進行銜接和匹配安裝。同時，蒜頭的歸集輸送作業(yè)時應(yīng)確保不傷蒜和漏蒜。

2.2 整體結(jié)構(gòu)尺寸與安裝位置分析

秧果集送裝置主要作用是完成蒜秧和蒜頭的分別歸集輸送，是大蒜聯(lián)合收獲機(特別是大蒜多行聯(lián)合收獲機)的關(guān)鍵作業(yè)機構(gòu)。按照簡單實用的原則進行設(shè)計，將蒜秧和蒜頭歸集兩道工序通過一套裝置完成。為實現(xiàn)蒜秧和蒜頭的分別歸集輸送作業(yè)，將秧果集送裝置設(shè)計成拐角形結(jié)構(gòu)。結(jié)合整機結(jié)構(gòu)尺寸(履帶式行走底盤尺寸)、功能需求(作業(yè)行數(shù))及與其他部件相對安裝位置關(guān)系等，如圖2所示，設(shè)計秧果集送裝置桿式輸送鏈水平段的主體長度L1為1 500 mm、寬度C為220 mm、高度H1為260 mm，豎直段的主體長度L2為800 mm、寬度和水平段相同、高度H2為300 mm。

圖2 輸送鏈結(jié)構(gòu)尺寸Fig. 2 Structure size of conveying chain

在與聯(lián)合收獲機其他作業(yè)機構(gòu)銜接方面，設(shè)計的秧果集送裝置整體位于多行大蒜聯(lián)合收獲機割臺尾部，水平段滿幅寬分布于多行大蒜割臺夾持輸送鏈末端下側(cè)、豎直段分布于多行大蒜割臺夾持輸送鏈末端外側(cè)。秧果集送裝置及相關(guān)部分具體安裝位置如圖3所示，桿式輸送鏈水平段位于割臺夾持輸送鏈末端和導(dǎo)秧鏈下部，秧莖切割部件位于秧果集送裝置前側(cè)中下位置。通過割臺夾持輸送鏈末端的導(dǎo)秧機構(gòu)來調(diào)整蒜秧姿態(tài)，保證蒜秧傾斜或水平落入桿式輸送鏈水平段外側(cè)回環(huán)上，通過橡膠導(dǎo)蒜滑板保證將切下的蒜頭順利送入桿式輸送鏈水平段內(nèi)側(cè)回環(huán)中。

圖3 安裝位置Fig. 3 Installation position1.導(dǎo)秧機構(gòu) 2.夾持輸送鏈 3.蒜秧歸集板 4.蒜頭歸集板5.秧果集送裝置 6.秧莖切割部件

2.3 桿式輸送鏈主要參數(shù)設(shè)計分析

桿式輸送鏈是秧果集送裝置的核心部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對作業(yè)性能起決定性作用。其中，桿式輸送鏈的桿條間距、蒜秧和蒜頭歸集板的分布間距是主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。桿式輸送鏈的桿條除了具有輸送作用外，在運動的過程中也具有一定的去土效果，間距過大會造成蒜頭漏出，間距過小會影響去土性能。依據(jù)前面對大蒜鱗莖尺寸的測定，選取輸送鏈的桿條直徑為6 mm、間距為38 mm，既保證不漏蒜，又具有較好的去土效果。同時，考慮到剛被起挖的大蒜鱗莖較為鮮嫩，怕碰傷，因此在桿條上套裝橡膠軟管，減少鱗莖損傷。

蒜秧和蒜頭歸集板在桿式輸送鏈上的分布間距同樣影響作業(yè)效果。結(jié)合前面測定的蒜秧和蒜頭尺寸，以及臺架預(yù)試驗研究，如圖4所示。

圖4 歸集板尺寸Fig. 4 Collecting plate dimension

設(shè)計的蒜秧和蒜頭歸集板通過螺栓連接進行集成安裝，選定其分布間距E為200 mm。其中，蒜秧歸集板呈槽鋼型，高度h1為10 mm；蒜頭歸集板呈兩邊開口狀，高度h2為70 mm，兩側(cè)傾角α均為135°，低端有效歸集深度h3為10 mm、高端有效歸集深度h4為25 mm。

3 秧果集送裝置性能試驗

3.1 試驗條件

試驗于2020年5月在江蘇省射陽縣合德鎮(zhèn)友愛村大蒜種植基地進行，試驗地為砂壤土，面積>1.5 hm2。大蒜品種為射陽白蒜，直立性較好，無地膜覆蓋，種植株距100 mm、行距200 mm。在田地中，隨機選取50株大蒜植株對如圖5所示的蒜秧有效夾持高度L、假莖直徑d、鱗莖直徑D、鱗莖高度H進行測定。結(jié)果表明，蒜秧有效夾持高度45.6～58.4 mm、假莖直徑13.1～18.3 mm、鱗莖直徑43.8～65.2 mm、鱗莖高度34.5～45.9 mm。

圖5 大蒜植株參數(shù)Fig. 5 Garlic plant parameters

3.2 試驗方案與結(jié)果分析

將研發(fā)試制的秧果集送裝置安裝于自制的多行大蒜聯(lián)合收獲樣機上，以聯(lián)合收獲機為試驗臺架，選取4行收獲作業(yè)模式，以蒜秧和蒜頭收集率為指標驗證秧果集送裝置的性能。試驗時通過人工方式喂料，結(jié)合前期相關(guān)研究[17-18]和多行大蒜聯(lián)合收獲預(yù)試驗研究，割臺夾持輸送鏈運動速度取0.7 m/s、秧莖切割部件刀片刃口線速度取2.0 m/s、秧果集送裝置輸送鏈線速度取0.87 m/s，蒜秧喂入夾持高度取200～280 mm。為保證物料特性和田間一致，試驗采取人工現(xiàn)場拔秧的方式，試驗用大蒜植株物料從被拔起至進行試驗的時間間隔控制在30 min內(nèi)。試驗時由4名試驗員同時將大蒜植株逐個連續(xù)喂入聯(lián)合收獲機割臺夾持輸送鏈中，進行后續(xù)作業(yè)。試驗共3組，每組喂入大蒜200株(每位試驗員喂入50株)，試驗結(jié)束后統(tǒng)計每組未完成歸集輸送的蒜秧和蒜頭數(shù)量，計算蒜秧和蒜頭收集率，取3組試驗的平均值作為最后試驗結(jié)果。結(jié)果如表1所示，蒜秧平均有效收集率98.17%、蒜頭有效收集率100%。

表1 臺架試驗結(jié)果Tab. 1 Bench test results

如圖6所示，為了更好地檢驗設(shè)計的秧果集送裝置的性能，結(jié)合田間種植大蒜植株參數(shù)的測定和臺架試驗研究，選取4行大蒜進行田間收獲性能試驗，機器前進速度取0.6 m/s、挖掘機構(gòu)作業(yè)深度取100 mm、其他參數(shù)與臺架試驗相同，每個試驗測區(qū)收獲作業(yè)長度為3 m，人工預(yù)先將測區(qū)內(nèi)蒜秧倒伏嚴重而影響起拔夾持的大蒜植株清除， 統(tǒng)計測區(qū)內(nèi)未被歸集輸送的蒜秧和蒜頭數(shù)量。結(jié)果如表2所示，設(shè)計的秧果歸集輸送裝置可用于多行大蒜聯(lián)合收獲機上，作業(yè)過程流程、結(jié)構(gòu)合理、性能可靠，蒜秧平均有效收集率97.01%、蒜頭有效收集率100%，滿足多行大蒜聯(lián)合收獲對秧果收集輸送的作業(yè)要求。

圖6 田間收獲試驗Fig. 6 Field harvest test

表2 田間試驗結(jié)果Tab. 2 Field test results

田間收獲試驗測定的蒜秧收集率略低于臺架試驗的結(jié)果，其主要原因是臺架試驗過程中人工拔取試驗物料，在此過程中未選用長勢較小的大蒜植株。而田間試驗過程中每行大蒜中不可避免會含有長勢較弱的大蒜植株，這類大蒜植株在被夾持輸送、切莖和蒜秧引導(dǎo)下落過程中極易出現(xiàn)掉落，影響收集效果。同時，試驗過程中發(fā)現(xiàn)部分蒜秧未被成功收集的主要原因是在大蒜植株完成切莖作業(yè)向后運動時，導(dǎo)秧機構(gòu)未能及時調(diào)整蒜秧下落姿態(tài)，而導(dǎo)致蒜秧假莖先行下落，插入歸集輸送裝置鏈桿中，被帶著一起做旋轉(zhuǎn)運動，然后逐漸被甩出掉落，后續(xù)將對此部分導(dǎo)秧機構(gòu)進行優(yōu)化改進，以期實現(xiàn)更好地蒜秧引導(dǎo)收集效果，進一步提高蒜秧收集率。

4 結(jié)論

針對我國現(xiàn)有大蒜多行聯(lián)合收獲秧果歸集輸送作業(yè)分別采用兩套裝置完成，而極易造成整機結(jié)構(gòu)復(fù)雜和動力浪費的問題，設(shè)計一種適用于大蒜多行聯(lián)合收獲機的一體式秧果歸集輸送裝置。

1) 秧果歸集輸送裝置通過一條雙面帶歸集板的桿式輸送鏈來分別完成蒜頭和蒜秧的歸集輸送作業(yè)，根據(jù)收獲期大蒜植株特性和多行大蒜同時收獲的作業(yè)要求，確定了裝置呈拐角形結(jié)構(gòu)。其中，關(guān)鍵部件桿式輸送鏈水平段和豎直段的主體長度分別為1 500 mm和800 mm、寬度同為220 mm、高度分別為260 mm和300 mm，輸送鏈的桿條直徑為6 mm、間距為38 mm。

2) 以蒜秧收集率和蒜頭收集率為試驗指標，開展的臺架試驗和田間試驗，結(jié)果表明，一體式秧果歸集輸送裝置結(jié)構(gòu)簡單合理、性能可靠，蒜秧平均有效收集率分別為98.17%和97.01%、蒜頭有效收集率為100%。