朱容芳

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，530004，廣西南寧)

隨著種植規(guī)模化、集約化，傳統(tǒng)的人工收獲方式已經(jīng)無(wú)法滿足大白菜大面積生產(chǎn)的需要[1]。Kanam M等[2]人研制出了一種大白菜收獲機(jī)，主要對(duì)大白菜收獲機(jī)的拔取裝置和切割裝置進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，采用旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)切刀切掉包葉，不利于大白菜的保存。Hachiya M 等[3]人研發(fā)一種甘藍(lán)收獲機(jī)械，通過(guò)雙圓盤(pán)拔取裝置將甘藍(lán)從土壤里拔出后，向后續(xù)工作裝置傳輸，先經(jīng)過(guò)割刀進(jìn)行切根處理，不適用于中小型規(guī)模種植的收獲。因此，針對(duì)小型農(nóng)戶、小型農(nóng)場(chǎng)的白菜收割需求，基于三維建模軟件UG 設(shè)計(jì)出一種自走式大白菜收獲裝置，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省人工，對(duì)提高丘陵地區(qū)的小規(guī)模種植的白菜收獲效率具有重要意義。

1 設(shè)計(jì)要求及性能指標(biāo)

1.1 設(shè)計(jì)要求

所設(shè)計(jì)的大白菜收獲裝置要求針對(duì)小田地、丘陵地區(qū)的中小型農(nóng)場(chǎng)、中小型農(nóng)戶、小型種植基地等，故其體積、質(zhì)量不能太大，成本不能太高，需要盡量降低成本，以免增加農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。所設(shè)計(jì)的大白菜收獲裝置在技術(shù)上需要滿足以下要求：①能夠安全有序地收獲大白菜；②能夠精確切割大白菜并分別計(jì)數(shù)；③不應(yīng)造成白菜的大面積損傷；④能夠快速準(zhǔn)確地切割下大白菜并進(jìn)行收集；⑤結(jié)構(gòu)可靠、安全，易于操作與維修。

1.2 性能指標(biāo)

達(dá)到以下要求：切割準(zhǔn)確率100%；收獲準(zhǔn)確率＞99%；收獲速度＞45 棵/min。

2 結(jié)構(gòu)與原理

利用三維建模軟件UG 所設(shè)計(jì)的大白菜收獲裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示，其原理是：裝置以一定速度前進(jìn)，單行收獲白菜，壓頂輪1 壓緊白菜頂部，圓盤(pán)切刀3 從莖上部直接將白菜從土地里切割下來(lái)，脫離了土壤的白菜在撥葉輪的作用下傾倒在水平傳送帶6 上，由機(jī)構(gòu)的兩側(cè)傳送帶4 和5 扶正傳輸，而后傳送到后面的收集裝置中，如此循環(huán)工作。為了檢測(cè)白菜收獲效率，在傳送帶末端添加計(jì)數(shù)傳感器。

圖1 大白菜收獲裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

3.1 切割裝置

根據(jù)對(duì)大白菜特性的研究，本設(shè)計(jì)采用圓盤(pán)回轉(zhuǎn)式的割刀。圓盤(pán)回轉(zhuǎn)式切刀繞其軸線在水平面內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，割茬較為齊整，同時(shí)工作平穩(wěn)，震動(dòng)較小?？紤]到圓盤(pán)切割器的結(jié)構(gòu)組成和功率消耗分布，為了減少損耗，結(jié)合本設(shè)計(jì)技術(shù)要求和收獲切割效率，根據(jù)裝置行走速度為0.5 m/s，故將切割器轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為n=100 r/min，刀片數(shù)量設(shè)計(jì)為m=5。

（1）刀片結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 刀片結(jié)構(gòu)圖

（2）為了滿足設(shè)計(jì)需求，合理配置刀具，安全安裝刀具，刀盤(pán)設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

（3）將5 把刀片用10 個(gè)M12 螺栓安裝固定在刀盤(pán)上，并配置墊片，如圖4 所示。

圖4 圓盤(pán)和刀片裝配結(jié)構(gòu)圖

3.2 壓頂輪

壓頂輪的作用在于在切割時(shí)給予白菜一個(gè)壓頂支撐保護(hù)作用，并且壓頂輪在旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的過(guò)程中能夠?qū)Π撞说南蚝髠鬏斶\(yùn)動(dòng)起到一個(gè)輔助作用。壓頂輪位于割刀的正上方，軸線平行于地面,能夠協(xié)助割刀切割白菜，其材料選用橡膠，由于橡膠與鋼摩擦系數(shù)較大，故每片輪葉上使用兩顆M8 的螺釘將其固定在輪轂上，實(shí)現(xiàn)輪葉與輪轂的連接。裝置前進(jìn)速度0.5 m/s，白菜間隔為420 mm，即切割白菜的速度為1.19 棵/s，即71.4 棵/min，壓頂輪的工作要求是每轉(zhuǎn)一圈需要壓頂5棵白菜，切割5 棵白菜所需時(shí)間為4.2 s，即壓頂輪旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間4.2 s，即轉(zhuǎn)速為14.3 r/min。壓頂輪的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 壓頂輪結(jié)構(gòu)圖

3.3 撥葉輪

撥葉輪的作用在于將切割下的白菜傳送到傳輸裝置中，其結(jié)構(gòu)和材料與壓頂輪相似，在此不作贅述。撥葉輪位于圓盤(pán)割臺(tái)的兩側(cè)，為了達(dá)到最好的工作狀態(tài)以及不影響割刀的正常工作，撥葉輪的安裝位置應(yīng)位于割刀上方30 mm 處。根據(jù)撥葉輪的結(jié)構(gòu)特征，計(jì)算出撥葉輪的速度應(yīng)與壓頂輪的速度保持一致，轉(zhuǎn)速均為14.3 r/min，保證白菜均勻受力。撥葉輪的結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 壓頂輪結(jié)構(gòu)圖

3.4 傳輸裝置

白菜被切割以后，由撥葉輪和壓頂輪共同作用將其向后傳送至傳輸裝置。傳輸裝置主要由兩部分組成。第一部分是水平傳送帶，其處于未工作狀態(tài)時(shí)平行于地面，采用寬度220 mm 的普通平帶，如圖7 所示；帶輪直徑為63 mm,轉(zhuǎn)速為303 r/min 。第二部分是位于割刀兩側(cè)的傳送帶，為了減少對(duì)白菜的損傷以及能夠更快速簡(jiǎn)便地傳送白菜至收集機(jī)構(gòu)，將兩側(cè)的傳送帶面設(shè)計(jì)為間隔帶橢圓形凹面，根據(jù)白菜的形態(tài)特征，凹面橢圓的長(zhǎng)軸近似為白菜的高度即500 mm，短軸近似為白菜的直徑即200 mm，凹面深度20 mm，如圖8 所示；兩條皮帶的內(nèi)側(cè)帶面的距離略小于白菜的直徑，以便能夾緊白菜；帶輪直徑為140 mm,轉(zhuǎn)速為136 r/min。

圖7 水平傳送帶

圖8 割刀兩側(cè)傳送帶

整個(gè)傳輸裝置的工作原理是：當(dāng)白菜被切割后由撥葉輪和壓頂輪傳送至水平傳送帶端部處時(shí)，由于撥葉輪和壓頂輪的持續(xù)作用，白菜將傾倒在水平傳送帶上，由于水平傳送帶具有1 m/s 的初速度，兩側(cè)帶凹面的傳送帶與水平傳送帶具有相同的速度為1 m/s，所以白菜能夠在傳送帶上快速完成傳輸過(guò)程。在傳送帶末端與收集裝置的中間區(qū)域連接有計(jì)數(shù)器，以便檢測(cè)白菜的收獲效率。

4 整機(jī)裝配

根據(jù)前面的研究設(shè)計(jì)結(jié)果，得到了各關(guān)鍵部位以及割臺(tái)的設(shè)計(jì)圖，使用三維建模軟件UG 軟件進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，得到的裝配圖如圖9 所示。

圖9 大白收獲切割裝置裝配圖

為了方便運(yùn)輸和便于管理，將大白菜收獲機(jī)設(shè)置為兩個(gè)狀態(tài)——工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)，兩者的轉(zhuǎn)換依靠固定在機(jī)架上的液壓千斤頂手動(dòng)操作。處于工作狀態(tài)時(shí)，前輪行進(jìn)方向與割刀工作平臺(tái)不平行，如圖10 所示；處于非工作狀態(tài)時(shí)，前輪行進(jìn)方向與割刀工作平臺(tái)平行，如圖11 所示。

圖10 工作狀態(tài)下的裝置圖

圖11 非工作狀態(tài)下的裝置圖

通過(guò)壓頂輪、撥葉輪和圓盤(pán)割刀的共同作用，將白菜從土地里面切割下來(lái)并進(jìn)行傳送。確定壓頂輪、撥葉輪的轉(zhuǎn)速為14.3 r/min，整機(jī)前進(jìn)速度為0.5 m/s，割刀轉(zhuǎn)速為100 r/min，通過(guò)計(jì)算，切割白菜的速度為1.19棵/s，傳輸速度為1.19 棵/s，滿足設(shè)計(jì)要求中的效率要求；帶凹面的具有彈性的皮帶，在傳輸過(guò)程中既保護(hù)了白菜不受損傷，又能夠增加傳輸過(guò)程中摩擦力，降低功率，最大限度保持白菜的完整性；計(jì)數(shù)器能夠?yàn)闄z測(cè)準(zhǔn)確性和效率提供數(shù)據(jù)來(lái)源。整個(gè)設(shè)計(jì)滿足技術(shù)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

以白菜收獲為研究對(duì)象，根據(jù)白菜的收獲效率及損耗要求，確定大白菜收獲裝置的技術(shù)指標(biāo)，據(jù)此確定收獲裝置的工作原理和技術(shù)方案，利用三維建模軟件UG 設(shè)計(jì)了自走式大白菜收獲裝置的關(guān)鍵部件——切割裝置、壓頂輪，撥葉輪、傳輸裝置的結(jié)構(gòu)、尺寸及工作速度，通過(guò)計(jì)算，結(jié)果表明整個(gè)設(shè)計(jì)滿足技術(shù)要求。此設(shè)計(jì)對(duì)針對(duì)小型農(nóng)戶、小型農(nóng)場(chǎng)的白菜收割機(jī)械的研究具有借鑒意義。