魏國俊 夏利利 劉穎

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快、農(nóng)村勞動力轉移以及設施蔬菜生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，江蘇省蔬菜生產(chǎn)勞動力成本不斷提高，已占蔬菜生產(chǎn)總成本的50%以上，蔬菜機械化生產(chǎn)需求非常迫切［1］。目前，江蘇省設施農(nóng)業(yè)發(fā)展中存在農(nóng)機農(nóng)藝融合不夠、上下生產(chǎn)環(huán)節(jié)機具配套性差、蔬菜生產(chǎn)機械化技術裝備供應不足等問題，制約了蔬菜產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。本文針對國內成熟的蔬菜收獲機具較少、國外進口機具價格昂貴的現(xiàn)狀，研發(fā)了4VYF-120 型手扶式葉菜收獲機。該機作業(yè)效率高、蔬菜損傷率低，且操控靈活、綠色環(huán)保、輕量化，能滿足雞毛菜、小莧菜等短莖稈做畦種植蔬菜機收要求。

1 總體結構和工作原理

1.1 總體結構

機具總體結構如圖1 所示。該機主要由電動底盤行走系統(tǒng)、蔬菜輸送裝置以及位于蔬菜輸送裝置前端的切割器組成。

圖1 4VYF-120 型手扶式葉菜收獲機總體結構示意圖

1.2 工作原理

機具在進行莖葉類蔬菜收割時，通過電動底盤行走系統(tǒng)實現(xiàn)整機的田間行走，同時為其他裝置提供動力輸出以及控制信號輸出。采用鋰電池作為動力源，整機輕量化。通過電動往復切割器實現(xiàn)蔬菜的根部切割；通過行走系統(tǒng)實現(xiàn)蔬菜的推入，使蔬菜進入輸送裝置；通過蔬菜輸送裝置實現(xiàn)蔬菜的輸送收集。

2 關鍵零部件設計

2.1 切割器

切割器是蔬菜收獲裝備的關鍵部件。切割器切割蔬菜時，不可避免地要與泥土、沙土接觸，因而，其結構形式和耐磨性能要求很高。另外，動力消耗要非常低，否則不能適應電動輕便型蔬菜機的整體重量以及動力要求。綜合考慮，提出一種電動往復式切割器，具體結構見圖2。

圖2 電動往復式切割器三維模型圖

2.2 蔬菜輸送裝置

蔬菜收獲時，被前部切割器作用的物料要能及時、順暢地運送至后部的收集單元，輸送裝置的前部不干涉畦面，與割刀銜接順暢，驅動輥不打滑，動力消耗小。項目組在對多種設計方案進行對比驗證后，確定了后驅動采用滾花驅動輥，前張緊回轉采用強度高、摩擦系數(shù)低的鍍鉻圓鋼的結構形式。該裝置的主要技術特點是：

1）前支撐輥與輸送帶的接觸部分采用鍍鉻圓鋼，保證輸送帶在前部的最小半徑回轉，避免與泥土接觸，同時保證蔬菜能順利交接，阻力小，節(jié)省電池動力。

2）鍍鉻圓鋼后部增加了用薄壁型材焊接成型的強化梁，保證剛性；同時，放置了回轉鉸接點。該鉸接點處于后驅動輥與前驅動輥中心線的下方，實現(xiàn)了裝配時過死點后自動收緊。當有泥土卡在割刀與輸送帶之間不能自動排除時，可人工向下推動前支撐輥，排除泥土后迅速回位。

3）后驅動輥采用薄壁鋁管，表面滾花處理，重量輕，摩擦系數(shù)高。

4）輸送帶選用食品等級的2 膠2 布TPU 材質，無污染，質量輕，強度高，彎曲系數(shù)低。與蔬菜接觸的上表面有微小的菱形花紋，使得蔬菜在輸送過程中不易打滑，順暢有序向后輸送至收集單元。

5）輸送帶安裝在圖3 所示的支架上。該支架的設計遵從輕量化、無害化原則，與蔬菜接觸的部件采用304 不銹鋼材料，其它部件在保證強度的前提下，采用薄壁材質。在輸送帶驅動輥的安裝位置，設置了滑軌式張緊機構，當輸送帶在使用過程中產(chǎn)生延長后，可便捷地人工張緊。該機架后下部設計的關節(jié)軸承座，與行走底盤鉸接，前下部設置2 個鉸鏈，與安裝在底盤上的2 個電動推桿鉸接，在電動推桿的作用下，以關節(jié)軸承座為支點，實現(xiàn)上下升降，左右擺動仿形。

圖3 輸送帶、切割器安裝支架示意圖

2.3 電動底盤行走系統(tǒng)

電動底盤行走系統(tǒng)是步行式蔬菜收獲機的關鍵部件，它不僅要實現(xiàn)整機的田間道路行走，還為其他裝置提供動力輸出以及控制信號輸出［2］。

該底盤系統(tǒng)由行走驅動橋、高花橡膠輪胎、底盤機架、收集平臺、動力鋰電池、電路控制盒、電動推桿、操控儀表盤、剎車轉向系統(tǒng)等組成，見圖4。為降低成本，行走驅動橋采用了成熟的三、四輪電動車的機械部件，驅動電機增加了一級減速增扭裝置；高花橡膠驅動輪胎保證了整機在松軟的泥土中行走不打滑；動力電池采用48 V/40 A的動力鋰電池，質量較鉛酸蓄電池減少了近15 kg，充電速度提高了30%；收集平臺采用鋁合金花紋板，機架采用薄壁型材焊接成型，最大限度降低整機重量，提高動力系統(tǒng)的續(xù)航時間和能力。

2.4 整機集成

在關鍵零部件研發(fā)的基礎上，集成開發(fā)了4VYF-120 型手扶式葉菜收獲機，如圖5 所示。

2.4.1 主要技術參數(shù)

1）配套動力：48 V/40 A 鋰電池；

2）結構型式：手扶式；

3）行走方式：輪式；

4）轉向結構型式：鼓剎式；

5）變速方式：電動無極變速；

6）割刀形式：雙剪切式或回轉滑切式；

7）仿形形式：手控調節(jié)；

8）外形尺寸（長×寬×高）：2 550 mm×1 550 mm×1 200 mm；

9）整機質量：170 kg；

10）作業(yè)幅寬：1 200 mm；

11）輪距或軌距：1 450 mm（輪距）；

12）軸距：1 200 mm；

13）輪胎或履帶規(guī)格：400-12 農(nóng)用人字輪胎；

14）最小離地間隙：210 mm；

15）生產(chǎn)率：0.15～0.3 hm2/h。

圖4 電動底盤行走系統(tǒng)

圖5 整機實物圖

2.4.2 主要技術特點

1）綠色環(huán)保。該機采用鋰電池作為總動力源，放電時間長，充電快捷，同時避免了傳統(tǒng)發(fā)動機尾氣對蔬菜以及環(huán)境的污染。與蔬菜接觸的割刀、側板采用不銹鋼材質，輸送帶采用食品級別的PUC 材質，避免了重金屬以及化學原料對蔬菜的污染，保證蔬菜品質。

2）輕量化。該機采用動力鋰電池作為動力源。在保證整機強度的前提下，選用了輕質材料，同時通過零部件結構的優(yōu)化設計，使得整機質量控制在170 kg 以下。

3）適應性強。該機的主要工作部件，如割刀、輸送帶以及電動底盤行走系統(tǒng)均采用可調速電機驅動，因此可根據(jù)作物品種、特性、種植密度、高度調整適當轉速?？蛇x配帶仿形裝置的割臺，以適應蔬菜種植壟面不平的作業(yè)環(huán)境，提高了產(chǎn)品的適用性，也減少了收獲損失。

3 田間試驗

3.1 試驗地點

在泰州市海陵區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)進行了適應性試驗檢測（見圖6）。檢測項目為葉菜損失率、葉菜平均殘茬高度、生產(chǎn)率。

圖6 田間適應性試驗

3.2 試驗條件

1）試驗地：起壟種植。壟寬1 100 mm；壟高120 mm；壟溝下寬150 mm，上寬300 mm；壟溝中心距1 450 mm；壟面寬度方向平整度≤13 mm；壟面與壟溝底面平行度≤12 mm。

2）試驗菜品：小青菜（雞毛菜）。選取3 個1 m2區(qū)域，測得小青菜平均株高為254.3 mm，平均種植密度為1 950 株/m2。

3.3 試驗結果

葉菜損失率為3.4%，平均殘茬高度為15.8 mm，生產(chǎn)率為0.26 hm2/h。適用地區(qū)性能試驗結果符合DG 32/Z 007-2019《葉菜類蔬菜收獲機》專項大綱的要求。

4 結語

1）針對國內成熟的蔬菜收獲機具較少、進口機具價格昂貴的現(xiàn)狀，研制了一種莖葉類蔬菜收獲機。田間試驗及與用戶交流結果表明，該機作業(yè)效率高、蔬菜損傷率低、田間轉向靈活，能滿足雞毛菜、小莧菜等短莖稈做畦種植蔬菜的機收要求，已達到推廣應用的技術及質量水平。

2）該機具推廣中還存在一些不利因素，主要表現(xiàn)為：蔬菜種植環(huán)節(jié)中的起壟高度、畦面寬度、畦面平整度等沒有統(tǒng)一的標準，導致機具適應性還有待提高。蔬菜種植的土壤類型眾多，有沙瓤土、黃土、黏土等，沙瓤土中較大的砂礫會對切割刀帶來致命的損傷，板結的黏土非常不利于菠菜等切根蔬菜的土下切割收獲，機具在較松散的沙土或黃土中作業(yè)時會產(chǎn)生蔬菜連根拔起現(xiàn)象。蔬菜種植的后期管理，尤其是澆水環(huán)節(jié)，會對畦面幾何形狀產(chǎn)生較大影響，出現(xiàn)塌壟、壟溝積水下陷等現(xiàn)象，造成蔬菜切割作業(yè)不流暢。