高艷紅

（唐山學(xué)院河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過(guò)程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063000）

大白菜原產(chǎn)于我國(guó)，具有豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，是我國(guó)北方冬季的主要蔬菜，在全國(guó)范圍內(nèi)也是人們?nèi)粘Ｉ钪邢矏?ài)的蔬菜之一，大白菜在我國(guó)的種植面積也是最大的。目前，大白菜的種植地主要分布在河北、黑龍江、遼寧、山東、廣西、河南等地，隨著工業(yè)4.0的興起，蔬菜的機(jī)械化生產(chǎn)收獲方式越來(lái)越受到國(guó)家的重視[1]，大白菜的收割方式也逐步向機(jī)械化作業(yè)方向發(fā)展。在大面積的平地上種植大白菜，可由拖拉機(jī)進(jìn)行翻地、平地、起壟、播種、收割等連續(xù)機(jī)械作業(yè)，但在白菜的收獲過(guò)程中，人工作業(yè)量仍占到整個(gè)作業(yè)量的40%左右。而我國(guó)農(nóng)村田地大多數(shù)為小農(nóng)戶(hù)、小地塊種植模式，隨著城市化進(jìn)程的加快，農(nóng)村勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，對(duì)于小農(nóng)戶(hù)、小地塊的大白菜收獲更為不易。我國(guó)在大白菜收獲機(jī)械上的研究很少，大白菜的主要收獲方式還是靠人工進(jìn)行，白菜的拔取、切根、去老葉、裝箱等過(guò)程需要耗費(fèi)巨大勞動(dòng)力，同時(shí)存在收獲所需時(shí)間長(zhǎng)、人們勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，如果遇上惡劣天氣，則會(huì)導(dǎo)致人工作業(yè)擱置，白菜不能及時(shí)收獲，可能會(huì)導(dǎo)致大白菜凍傷，影響大白菜的存儲(chǔ)和食用?，F(xiàn)在我國(guó)的城市化進(jìn)程飛速發(fā)展，大量的農(nóng)村年輕勞動(dòng)力向大城市匯集，導(dǎo)致農(nóng)村勞動(dòng)力短缺。目前，農(nóng)村大白菜種植多以農(nóng)戶(hù)小規(guī)模、小地塊的方式，一些國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的大型機(jī)械設(shè)備并不適用，因此研究一種適用于小農(nóng)戶(hù)、小地塊的小型大白菜收獲機(jī)械是很有必要的[2]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

大白菜收獲機(jī)械化作業(yè)過(guò)程主要分為引拔、夾持、切根、傳輸、剝皮、裝車(chē)幾個(gè)過(guò)程，如果要完成全部的作業(yè)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)大白菜收獲機(jī)的體積很大，不能適應(yīng)小地塊的大白菜種植模式，所以將收獲過(guò)程簡(jiǎn)化為引拔、夾持、切根、傳輸、裝車(chē)，以適應(yīng)小地塊的種植模式，同時(shí)達(dá)到提高效率、減輕人工負(fù)擔(dān)的目的。

本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要包含引拔裝置、夾持輸送裝置、切割裝置、提升裝置和收集裝置五部分。首先通過(guò)引拔裝置將大白菜從地里引拔出來(lái)，再經(jīng)由夾持裝置將其固定住，通過(guò)切割裝置切去根部，由輸送裝置傳送到提升裝置，然后提升至收集裝置中。在夾持輸送裝置處設(shè)置切根裝置進(jìn)行切根[3]，這種收獲方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)切割刀即可，但對(duì)夾持傳輸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求較高[4]。

2 結(jié)構(gòu)和工作原理

機(jī)器前進(jìn)過(guò)程中，大白菜在引拔鏟的作用下慢慢向上拔出，并沿著引拔鏟的斜面向后移動(dòng)，接著由夾持皮帶夾持住并隨著皮帶運(yùn)動(dòng)，到達(dá)切割裝置時(shí)由切割刀將大白菜的根部切除，當(dāng)大白菜運(yùn)輸?shù)狡У哪┒藭r(shí)落入臨時(shí)收獲架處，再由提升機(jī)構(gòu)的提升臂將大白菜提升到高處，然后落入收集袋中，完成一次大白菜的收獲過(guò)程[4]。小型白菜收獲機(jī)整體裝配三維模型如圖1 所示。

圖1 小型大白菜收獲機(jī)整機(jī)圖

引拔裝置選用固定的導(dǎo)向引拔鏟，引拔鏟浮動(dòng)于收獲機(jī)前，可很好地收攏白菜葉，并將大白菜從土中拔出；夾持輸送裝置采用平帶夾緊，平帶能很好地將白菜的腰部包覆住，減少白菜的受力集中，從而避免引拔白菜在收獲過(guò)程中嚴(yán)重受損。輸送采用含有單側(cè)雙孔彎板的鏈條傳輸方式，能很好地符合本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)要求；切割裝置選用圓盤(pán)刀，圓盤(pán)刀適用于切割根莖較大的植物，并且圓盤(pán)刀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的作業(yè)方式[5-8]；提升裝置選用回轉(zhuǎn)立式鏈條提升裝置，在鏈條上安裝提升齒，以實(shí)現(xiàn)大白菜的提升。

3 小型大白菜收獲機(jī)主體部分設(shè)計(jì)

3.1 引拔鏟的設(shè)計(jì)

引拔鏟是將大白菜扶正并將大白菜的根部從土中引拔出來(lái)的裝置，安裝在機(jī)器的最前端，配合夾持傳輸機(jī)構(gòu)完成大白菜的收獲。為了將大白菜從土壤中拔取出來(lái)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中常用到的主要有圓盤(pán)式、螺旋錐式和鏟式等結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)拔取方式的不同，又可以分為垂直拔出和傾斜拔出。垂直拔取式結(jié)構(gòu)在功率消耗方面比傾斜拔出式的機(jī)構(gòu)要小，但拔取式的機(jī)構(gòu)很容易受到大白菜生長(zhǎng)情況、土地的濕度、土地的堅(jiān)實(shí)度影響，很容易發(fā)生將大白菜拔斷或者是拔不出的情況，所以這里選用傾斜鏟式的引拔裝置，將引拔鏟設(shè)計(jì)為固定的引導(dǎo)式，安裝在整個(gè)機(jī)器的正前方。隨著機(jī)器的前進(jìn)，左右兩側(cè)兩個(gè)引拔鏟插入大白菜的左右兩端，在前進(jìn)過(guò)程中，大白菜的底部隨著引拔鏟的斜面不斷地向后上方移動(dòng)，完成大白菜的引拔工作。要實(shí)現(xiàn)上述的工作過(guò)程，就要求引拔鏟的斜面和大白菜底部的摩擦力不能過(guò)大，還要有適當(dāng)?shù)膱A滑曲面，來(lái)保障大白菜的引拔過(guò)程，而且兩個(gè)引拔鏟之間的距離也要適當(dāng)，確保能將大白菜很好地拖住。

通過(guò)對(duì)引拔鏟作用的詳細(xì)分析和大白菜種植間距及大小的調(diào)查，設(shè)定引拔鏟與水平面的夾角為15o～30o，兩引拔鏟尖部的距離為85 mm，引拔鏟的長(zhǎng)度為200 mm，材料選擇Q275。

3.2 皮帶夾持傳輸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

皮帶夾持機(jī)構(gòu)的作用是將引拔鏟引拔出的大白菜葉球部夾持住，讓大白菜隨夾持平帶一起向斜上方運(yùn)輸，并且在夾持過(guò)程中通過(guò)切割裝置將大白菜的根部切除。夾持傳輸機(jī)構(gòu)的夾持部分由兩條平帶實(shí)現(xiàn)，為保證被夾持住的大白菜不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，影響切根的準(zhǔn)確性，使左右兩根夾持平帶帶速一致，故夾持傳輸機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)選用交叉平帶來(lái)完成。

考慮到大白菜的尺寸差異，在夾持平帶上設(shè)置張緊輪，可夾持不同大小的大白菜，以實(shí)現(xiàn)大白菜完成向上運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)動(dòng)過(guò)程[9]。

夾持過(guò)程用6 個(gè)彈簧調(diào)整夾持平帶對(duì)大白菜的夾持力，在保障不同大小的白菜均能被夾持平帶夾持住的前提下完成輸送?？紤]到彈簧的工作過(guò)程，此處選用圓柱螺旋壓縮彈簧。在彈簧工作時(shí)，彈簧的最小載荷發(fā)生在大白菜還沒(méi)被夾持時(shí)，根據(jù)夾持平帶的張緊力作用得到彈簧的受力，彈簧的最大載荷發(fā)生在大白菜被夾持后，根據(jù)加持平帶的張緊力和大白菜對(duì)彈簧的壓緊力之和，得到彈簧的受力從而設(shè)定彈簧的工作行程為5 mm。

3.3 提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

提升裝置是大白菜收獲機(jī)的重要組成部分，其主要作用是將前面夾持傳輸部件輸送過(guò)來(lái)的大白菜提升至高處的收集袋?？紤]到大白菜收獲機(jī)體積要盡可能地小一些，故采用回轉(zhuǎn)立式鏈條提升裝置。在鏈條上安裝提升齒，使已切根的大白菜置入提升齒上實(shí)現(xiàn)大白菜的提升，當(dāng)大白菜提升到鏈輪頂部時(shí)依靠自身的重力落入收集袋。

采用兩條16A 單側(cè)雙孔彎板的傳輸鏈條作為傳動(dòng)部件，通過(guò)提升齒將兩條傳輸鏈條中的雙孔彎板連接起來(lái)，從而達(dá)到提升大白菜的目的。

3.4 切割裝置的設(shè)計(jì)

考慮到大白菜的根莖較大，而且是單行單顆的收割方式，此處采用圓盤(pán)式收割方式，選擇圓盤(pán)鋸齒刀。

在圓盤(pán)式切割裝置中，切割方式的不同也會(huì)直接影響切割效果，常用的切割方式主要有正切和滑切。正切是指切割裝置的切刀刀刃的運(yùn)動(dòng)方向垂直于大白菜根部的切割方式，其中刀片的運(yùn)動(dòng)方向和刀片的切削刃相互垂直，當(dāng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，刀片僅在垂直于切削刃線的方向上移動(dòng)，而在沿著切削刃線的方向上沒(méi)有運(yùn)動(dòng)。根據(jù)刀片平面相對(duì)于被切割作物軸的方向，將正切又分為橫切、斜切和削切，不同切割方法產(chǎn)生的切割阻力和能耗也有很大差異。橫切過(guò)程中的剪切強(qiáng)度最高，其次是斜切，而削切過(guò)程中的剪切強(qiáng)度最低。與橫切相比，斜切時(shí)的切削阻力可降低30%～40%，削切時(shí)的切削阻力可降低55%～65%?；惺侵盖懈畹镀刂懈罹€垂直方向和沿著切割線方向的合運(yùn)動(dòng)。由于滑切的切割特點(diǎn)，使得其對(duì)根部的切削阻力小于橫截面?；瑒?dòng)切削角度也是影響滑動(dòng)切削效果的重要參數(shù)。根據(jù)不同作物莖的特性，合適的傾角可有效降低切割阻力并減少切割刀片的能耗。通常滑動(dòng)切削角度為20o～50o，可以在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行合理選擇[7,10-11]。

3.5 收集裝置的設(shè)計(jì)

收集裝置是將提升裝置提升上來(lái)的大白菜收集在一起的裝置，經(jīng)過(guò)對(duì)一些成熟的大白菜收獲機(jī)的研究發(fā)現(xiàn)，大型的大白菜收獲機(jī)能夠通過(guò)人力將收獲的大白菜放置到空間充足的車(chē)廂空間中[12]。而一些應(yīng)用中的小型大白菜收獲機(jī)，為了保證大白菜收獲機(jī)的靈活性并沒(méi)有設(shè)計(jì)大型的存儲(chǔ)空間，而是盡量縮小收集箱的體積，從而導(dǎo)致收獲到一定數(shù)目的大白菜后還需要再將大白菜取出，這樣的收獲過(guò)程大大影響了大白菜收獲的效率。通過(guò)對(duì)小型收獲機(jī)械研究發(fā)現(xiàn)，小型收獲機(jī)械的收集箱一般從側(cè)面打開(kāi)，將收獲的作物取出，這種方式雖然能一定程度地解決收獲效率的問(wèn)題，但大白菜收獲機(jī)的效率依然不盡人意。

通過(guò)對(duì)以上問(wèn)題的研究分析，筆者設(shè)計(jì)了一種袋式收集裝置?？梢岳棉r(nóng)戶(hù)家家都有的化肥袋作為收集裝置，通過(guò)夾持裝置將收獲袋夾持在機(jī)架上，當(dāng)收集袋中大白菜收集滿(mǎn)時(shí)，通過(guò)更換收集袋的方式提高收獲機(jī)的收獲效率，并實(shí)現(xiàn)大白菜的簡(jiǎn)單打包。

3.6 傳動(dòng)系統(tǒng)的選擇

在一般的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝置中，大多選擇的傳動(dòng)方式為皮帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)[13]，各種傳動(dòng)方式在使用過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)不盡相同。其中，皮帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、減震等優(yōu)點(diǎn)。鏈傳動(dòng)在傳動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有彈性滑動(dòng)，也不會(huì)像帶傳動(dòng)產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，還可以保持精確的傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率高且成本低，但只能在平行軸之間傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的效率高，結(jié)構(gòu)上相對(duì)緊湊，工作比較可靠，使用壽命長(zhǎng)，齒輪的傳動(dòng)比穩(wěn)定，但要求安裝精度高，價(jià)格貴，傳動(dòng)距離不宜過(guò)長(zhǎng)。根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要，選擇皮帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)相結(jié)合的傳動(dòng)方式。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)各種大白菜收獲機(jī)的分析，發(fā)現(xiàn)大型的、需要拖拉機(jī)作為動(dòng)力源的大白菜收獲機(jī)并不能滿(mǎn)足小農(nóng)戶(hù)、小地塊的收獲需求。針對(duì)這一問(wèn)題，為了降低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省勞動(dòng)力資源，提高收獲效率，筆者設(shè)計(jì)了小型大白菜收獲機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，確定了先引拔再夾持傳輸，在夾持傳輸過(guò)程中切根的技術(shù)路線，設(shè)計(jì)出能實(shí)現(xiàn)單行收獲過(guò)程的小型大白菜收獲機(jī)，可達(dá)到95%切根成功率，菜體的損傷率小于10%，大大滿(mǎn)足小農(nóng)戶(hù)要求。在節(jié)省勞動(dòng)力、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高收獲效率等方面都具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。