劉 華 ，黃激文 ，黃雄輝 ，何 林 ，岳丹丹

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630）

0 引言

中國是世界上蔬菜種植種類最多、種植面積最大的國家。統(tǒng)計資料顯示，2016年我國的蔬菜種植面積約為2 166.9萬hm2，產(chǎn)量約為80 005萬t；其中，葉類蔬菜的種植面積約占總面積的32%，產(chǎn)量占蔬菜總產(chǎn)量的30%左右[1]。目前，葉類蔬菜在耕整地、播種、移栽、灌溉及植保等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機(jī)械化程度相對較高，而葉菜收獲作業(yè)大多依靠人工完成，存在勞動強(qiáng)度大、效率低等問題。在蔬菜生產(chǎn)過程中，收獲作業(yè)耗時占整個作業(yè)過程的40%[2]，人工收獲成本約占蔬菜生產(chǎn)總成本的60%。

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和農(nóng)村富余勞動力向非農(nóng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移，葉菜生產(chǎn)勞動力短缺和老齡化趨勢越來越嚴(yán)重，生產(chǎn)用工成本增加，誰來種菜的問題日益突出[3-4]，加快葉菜收獲裝備的研發(fā)已成為蔬菜產(chǎn)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)的迫切需要[5]。本文針對葉類蔬菜的生長特點(diǎn)和農(nóng)藝要求，對葉菜收獲關(guān)鍵技術(shù)和部件進(jìn)行研究，研制了一種電動履帶自走式葉菜收獲機(jī)，該機(jī)作業(yè)效率高、葉菜損傷率低、適應(yīng)性好，適合空心菜、莧菜、芹菜等莖葉類蔬菜的機(jī)械化收獲作業(yè)。

1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

4YL-130型履帶自走式葉菜收獲機(jī)主要包括毛刷撥禾裝置、往復(fù)切割裝置、帶式輸送裝置、履帶行走裝置、收集箱、蓄電池、直流電機(jī)、控制系統(tǒng)與機(jī)械升降裝置，整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 4YL-130型履帶自走式葉菜收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

4YL-130型履帶自走式葉菜收獲機(jī)在進(jìn)行莖葉類蔬菜收割時，采用蓄電池作為整機(jī)動力源，電機(jī)將蓄電池的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動收獲機(jī)在田間行走[6]。采用蓄電池作為動力源，整機(jī)重量輕、結(jié)構(gòu)簡單。4YL-130型履帶自走式葉菜收獲機(jī)主要通過電動往復(fù)切割裝置實現(xiàn)葉菜的莖葉切割；通過行走系統(tǒng)和撥禾輪的雙重作用實現(xiàn)蔬菜的推入，使蔬菜切割后能夠順暢地進(jìn)入輸送裝置；通過皮帶輸送裝置將切割后的蔬菜運(yùn)輸?shù)绞占?，實現(xiàn)蔬菜適時卸出。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

4YL-130型履帶自走式葉菜收獲機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 4YL-130型履帶自走式葉菜收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 切割裝置的設(shè)計

本設(shè)計為適應(yīng)不同品種葉菜的收獲需求，采用雙動刀往復(fù)式切割裝置[7]，該裝置主要由上動刀、下動刀、刀架、雙凸輪滑槽驅(qū)動機(jī)構(gòu)、軟軸、電機(jī)等組成，具體情況如圖2、圖3所示。上、下動刀經(jīng)過連接板通過螺栓安裝在刀架上，鋼絲軟軸的兩端分別與直流電機(jī)輸出軸、雙凸輪滑槽驅(qū)動機(jī)構(gòu)輸入軸連接，雙凸輪安裝在上、下動刀的滑槽內(nèi)，帶動動刀做往復(fù)直線運(yùn)動，上、下動刀運(yùn)動方向始終相反，對刀架的附加作用力相互抵消，保證了刀架及整機(jī)的工作平穩(wěn)性。切割裝置安裝在皮帶輸送裝置的下前端，由電動推桿調(diào)節(jié)輸送裝置前端的離地間隙，從而調(diào)節(jié)葉菜收獲時的割茬高度。

圖2 往復(fù)式切割裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 雙凸輪滑槽驅(qū)動機(jī)構(gòu)示意圖

切割器切割蔬菜時，不可避免地要與泥土、沙土接觸，為提高刀片的耐腐蝕和耐磨性能，選用不銹鋼材料制作的光刃刀片，刀片相鄰刀尖間距為35 mm。為保證割刀能夠正常切割，割刀運(yùn)動時的平均速度應(yīng)不低于0.6 m/s，否則會出現(xiàn)將作物撕裂、扯斷、拔出及割刀堵塞等現(xiàn)象[8]。在本設(shè)計中，針對整機(jī)負(fù)荷較小、行進(jìn)速度較慢的工作條件，取割刀平均速度V=1.0 m/s。刀片運(yùn)動時，若頻率過低容易出現(xiàn)漏割現(xiàn)象；雖然割刀切割頻率越高切割越順利，但切割頻率越高，切割器的慣性越大，機(jī)器會因此產(chǎn)生很大的振動，造成零件的磨損等不良現(xiàn)象。通過對運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行分析和研究，取割刀最高頻率50 s-1，可以保證割茬整齊及切割質(zhì)量穩(wěn)定。根據(jù)割刀平均切割速度和頻率等參數(shù)和工作要求，選擇轉(zhuǎn)速1 600 r/min、功率156 W的直流電機(jī)驅(qū)動割刀往復(fù)運(yùn)動，該裝備不產(chǎn)生燃燒廢氣，可以有效地減少對菜園環(huán)境的污染，提高蔬菜品質(zhì)。

2.2 撥禾裝置的設(shè)計

撥禾裝置的主要作用是把待割的葉菜莖稈向切割器的方向引導(dǎo)，并在進(jìn)行切割時對莖稈進(jìn)行扶持，同時將切割完的葉菜向輸送裝置推送，防止葉菜堆積在割刀上[9]。本設(shè)計中，撥禾裝置由底盤支架、限位桿、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、撥禾輪、升降機(jī)構(gòu)、支撐架等組成，如圖4所示。撥禾輪通過支撐架安裝在輸送裝置上方，直流電機(jī)通過鏈輪傳動系統(tǒng)驅(qū)動撥禾輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)扶持和推送葉菜作業(yè)。

圖4 撥禾裝置結(jié)構(gòu)示意圖

撥禾輪采用柔性尼龍毛刷滾筒結(jié)構(gòu)形式，尼龍絲按徑向成束成排直接嵌在輥筒上。針對葉菜物理特性，參考行走和切割作業(yè)速度，撥禾輪直徑選擇460 mm，撥禾輪轉(zhuǎn)速選擇60 r/min。撥禾輪工作時，柔性尼龍絲滾筒接觸葉菜能減少慣性沖擊，可以有效減少對葉菜品相的損害，減少對葉片的損傷。撥禾輪驅(qū)動機(jī)構(gòu)由電機(jī)、鏈輪、鏈條等組成，電機(jī)通過鏈輪傳動帶動撥禾輪軸轉(zhuǎn)動進(jìn)行回轉(zhuǎn)撥禾作業(yè)。通過絲杠螺母和圓柱導(dǎo)軌組合而成的升降機(jī)構(gòu)，可以調(diào)整撥禾輪離地高度，適應(yīng)多種葉菜的收獲扶持和撥送作業(yè)要求。

2.3 輸送裝置的設(shè)計

針對葉類蔬菜柔軟易損傷的物理特性，選用帶式輸送裝置，將割刀切割下來的蔬菜通過輸送帶運(yùn)送到后面的收集箱。設(shè)計的帶式輸送裝置主要由底盤支架、輸送架、側(cè)擋板、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、輸送帶、驅(qū)動輥、從動輥、張緊機(jī)構(gòu)、機(jī)架轉(zhuǎn)軸、電動推桿等組成，如圖5所示。驅(qū)動機(jī)構(gòu)電機(jī)帶動換向齒輪箱輸出軸轉(zhuǎn)動，齒輪箱輸出軸通過驅(qū)動輥帶動皮帶和從動輥轉(zhuǎn)動，輸送帶由下向上運(yùn)動，實施蔬菜運(yùn)送作業(yè)。前從動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(zhuǎn)，避免與泥土接觸，同時保證蔬菜能順利交接，不僅阻力小，而且節(jié)省電池動力；后驅(qū)動輥采用PVC管，表面滾花處理，重量輕、摩擦系數(shù)高；輸送帶選用寬、厚均3 mm的棉帆布，質(zhì)量輕、延伸率低、表面粗糙、粘著性好，葉菜在輸送過程中不易打滑，可以順暢有序地向后輸送至收集箱。

圖5 輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖

為了傳動穩(wěn)定可靠，在輸送帶驅(qū)動輥的安裝位置設(shè)置了滑軌式張緊機(jī)構(gòu)，當(dāng)輸送帶在使用過程中產(chǎn)生延長時，可便捷地進(jìn)行人工張緊。輸送帶機(jī)架后下方的轉(zhuǎn)動軸通過兩端軸承與底盤兩側(cè)機(jī)架轉(zhuǎn)動連接，前下部通過2個鉸鏈與安裝在底盤兩側(cè)的2個電動推桿連接；在電動推桿同步的推力作用下，輸送帶繞轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)輸送帶傾角和前端離地間隙的實時調(diào)整，能夠更好地完成切割和輸送作業(yè)，降低葉菜收獲損失。

2.4 行走裝置的設(shè)計

行走裝置的作用是實現(xiàn)葉菜收獲機(jī)在收獲作業(yè)時的正常行走和在田間、道路的轉(zhuǎn)移[10]。為簡化結(jié)構(gòu)，設(shè)計的行走裝置采用電動履帶式行走機(jī)構(gòu)，整機(jī)接地壓力小、轉(zhuǎn)彎半徑小、操作方便靈活，適宜在南方多石地、濕軟的地面上行駛，并有較好的越障能力，滿足多種環(huán)境下葉菜收獲的行走作業(yè)要求。

本設(shè)計中，履帶行走裝置主要由履帶、機(jī)架、驅(qū)動輪、防偏刀、導(dǎo)向輪、電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、電池等組成，如圖6所示。行走裝置采用履帶后置驅(qū)動方式，驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪采用精鑄件加工而成，選用寬110 mm的高花橡膠窄履帶，解決在平坦或壟間菜園的行走問題；行走裝置動力源采用純電動模式，蓄電池和直流電機(jī)動力經(jīng)鏈輪、鏈條傳動到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)通過牙嵌嚙合傳遞到減速機(jī)構(gòu)后，動力經(jīng)減速機(jī)構(gòu)輸出軸傳遞到驅(qū)動輪，驅(qū)動履帶實現(xiàn)行走作業(yè)。為保證收獲作業(yè)有一定的動力輸出，動力電池采用2個135F51R鉛酸蓄電池串聯(lián)，輸出電壓為24 V；底盤機(jī)架采用薄壁型材料焊接成型，最大限度地降低了整機(jī)重量，提升了動力系統(tǒng)的續(xù)航時間和能力，提高了收獲作業(yè)效率。

圖6 履帶行走裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 田間試驗

4YL-130型履帶自走式葉菜收獲機(jī)在廣州白云區(qū)蔬菜生產(chǎn)基地進(jìn)行了田間性能試驗，如圖7所示。田間性能試驗項目：葉菜收獲機(jī)行走速度、割茬高度、作業(yè)效率。

圖7 樣機(jī)田間試驗

3.1 試驗條件

1）試驗地：試驗菜田平整無磚頭、石塊；試驗菜田長80 m，寬42 m；土壤為沙壤土質(zhì)地，堅實度為83.5 kPa；測區(qū)長度為20 m，并有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定區(qū)。

2）試驗作物品種：空心菜，空心菜平均株高為300.3 mm，平均種植密度為68 株/m2；種植模式為壟面種植，壟頂寬1 200 mm，壟距1 500 mm，壟高200 mm；株行距150 mm×200 mm。

3.2 試驗結(jié)果

田間性能試驗后，分析4YL-130型履帶自走式葉菜收獲機(jī)試驗結(jié)果，取平均值進(jìn)行統(tǒng)計，整機(jī)主要性能指標(biāo)如表2所示。

表2 4YL-130型履帶自走式葉菜收獲機(jī)性能試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可知，樣機(jī)性能參數(shù)達(dá)到設(shè)計要求，整機(jī)小巧輕便，能順暢完成芥菜、空心菜等葉菜收獲作業(yè)；采用窄履帶式行走底盤適合壟間行走，進(jìn)行葉菜收割作業(yè)；割刀離地間隙24 mm～180 mm可調(diào)，適用于不同高度葉菜的無序收獲；采用滾筒尼龍毛刷撥禾方式，葉菜收獲損失低、損傷少；收獲作業(yè)效率達(dá)0.069 hm2/h，與人工收獲相比，收獲效率大幅提高。

4 結(jié)論

針對南方莖葉類蔬菜的生長特點(diǎn)和種植農(nóng)藝要求，研制了一種電動履帶自走式葉菜收獲機(jī)。田間試驗結(jié)果顯示，該機(jī)采用履帶底盤行走裝置，菜地通過性能好，有較好的越障能力；采用蓄電池和直流電動機(jī)提供動力，減少對蔬菜生長環(huán)境的污染，節(jié)能環(huán)保；采用毛刷滾筒撥菜裝置和皮帶輸送機(jī)構(gòu)，對葉菜損傷小，收獲損失率低；整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、作業(yè)效率高、蔬菜損傷率低、操控靈活，可以滿足南方地區(qū)芥菜、莧菜、空心菜等葉菜的機(jī)械化收獲作業(yè)需求。