馬玲巖 任付娥 毛 瑋 古福興

(青島理工大學(xué) 機械與電子工程系，山東 臨沂 273400)

根據(jù)實地調(diào)查，現(xiàn)階段大型超市所售菠菜和市民食用菠菜都留有根部，一方面有利于保鮮；一方面菠菜根營養(yǎng)豐富[1]，含有纖維素、維生素、礦物質(zhì)等。在農(nóng)業(yè)機械化的背景下[2-4]，現(xiàn)階段的菠菜收割機都是只能對菠菜的莖葉進行切割，對帶有根部菠菜的收割僅停留在手工收割階段。本文針對這種低效率、高成本現(xiàn)象提出了一款能夠?qū)Σげ说母窟M行切割的機器，用以滿足農(nóng)民現(xiàn)階段的需求。

1 研究背景

隨著人們生活水平的日益提高，市民對菠菜的需求日益升高。但是菠菜收割問題一直被人們忽略，通過實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段菠菜的收割主要靠人工進行，存在效率低、成本高的現(xiàn)象(圖1、圖2)。

圖1 手工收割一

圖2 手工收割二

另外，通過對不同地區(qū)的菠菜收割農(nóng)民進行訪談可知，農(nóng)民急需一臺能夠?qū)Σげ说母窟M行切割的機器。

2 國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)

2.1 國內(nèi)研究狀況

截至2020年3月底，國內(nèi)能夠?qū)Σげ说母窟M行切割的機器主要有兩種：一是通過下方的盤頭刀進行切割，把手進行切割深度控制的收割機[5](圖3)。但是由于盤頭刀地下切割阻力大，把手控制深度不精確，對菠菜進行切割時切散現(xiàn)象嚴重，而且一壟收割效率低，現(xiàn)階段主要用于對韭菜的收割，還未應(yīng)用于菠菜的收割。二是一種用于流水實施的菠菜收割機[6](圖4)，能夠?qū)Σげ说母窟M行切割，但是存在刀片阻力大，使用不方便且只適用于特定的土地，因而未得到廣泛應(yīng)用。

圖3 韭菜收割機

圖4 流水實施

2.2 國外研究狀況

目前國外對菠菜的收割[7]主要是根莖的收割，且只適用于大面積的露天種植，不適用于大棚種植，對于帶根菠菜的收割還停留在人工收割，如圖5為大型收割機。

圖5 國外大型收割機

綜上所述，現(xiàn)階段國內(nèi)外缺少一款適用于農(nóng)民需求的可以對菠菜的根部進行切割的機器，但是本文所提出的中小型帶根菠菜收割機能夠很好地解決這些問題。

3 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文提出的中小型帶根菠菜收割機主要包括收攏部分(圖6中5)，在對菠菜收割前進行收攏方便切割；收割部分(圖7中6和2)，由兩部分構(gòu)成，從兩側(cè)對菠菜進行傾斜切割，能夠減少前進阻力補償切割誤差；連接部分(圖6中3)主要由機架構(gòu)成，用以連接各個部分；調(diào)節(jié)部分(圖6中2)主要由調(diào)節(jié)桿和調(diào)節(jié)孔構(gòu)成，用以調(diào)節(jié)圖2整個裝置的高低；傳送系統(tǒng)(圖6中4)主要由傳送帶組成，用以傳送菠菜；主動力系統(tǒng)(圖1中1)為整個系統(tǒng)提供前進動力，為一小型微耕機。

圖6 整體圖

圖7 前端圖

3.2 重要結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于本文提出的中小型帶根菠菜收割機其核心結(jié)構(gòu)為收攏部分和收割部分，對于收攏部分有兩種組成。一種為三角式收攏裝置(圖8)，其左側(cè)內(nèi)部焊有后端收割刀(圖8中2)起補償切割作用，右側(cè)外部焊有橢圓形鐵絲(圖8中1)控制切割后菠菜的傾斜方向，能夠保證切割往相同的方向傾斜，最終實現(xiàn)較為整齊的排放，方便人工捆綁。

圖8 三角式

圖9 斜板式

另一種為斜板式收攏裝置(圖9)，在整個系統(tǒng)中只含有一個，其置于前端最右側(cè)是為節(jié)省材料而設(shè)計，內(nèi)側(cè)含有后端收割刀(圖9中1)起補償切割作用。

對于收割部分主要由兩部分構(gòu)成，一部分為主要切割部分(圖10中4)，其與套圈(圖10中1)是一個整體，與滾動軸承(圖10中2)呈過盈配合，而滾動軸承與軸(圖10中2)過盈配合，當受到前進的動力時實現(xiàn)刀片的旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對菠菜根部的切割。另一部分為后端收割刀(圖10中2、圖11中1)，用以補償主要切割部分未切下的菠菜。

圖10 切割部分

3.3 機器運作過程及圖片展示

中小型帶根菠菜收割機收割菠菜時，首先收攏部分將菠菜收攏，前端收割刀對其進行切割，隨著對菠菜根部的切割，橢圓形鐵絲使菠菜倒向一側(cè)?？紤]到在切割過程中存在遺漏情況，后端收割刀再次對菠菜的根部進行切割。收割完畢后，右側(cè)菠菜直接擺放在地面，中部及左側(cè)的菠菜通過傳送帶傳送至右側(cè)地面。圖12為仿真過程圖片以及實體模型圖片。

圖11 仿真過程模型

圖12 實體模型展示

4 結(jié)語

本文介紹的中小型帶根菠菜收割機，在結(jié)構(gòu)上做了重要改進，滿足了農(nóng)民收割菠菜的需求。截至2021年4月，已完成3D模型和實體模型制作，專利已進行申報，實用新型已授權(quán)，發(fā)明專利還在進行中，其仿真模型和實體模型良好。