摘要：因受制于多山地丘陵地貌，目前我國存在胡蘿卜采收仍以人工為主，采收效率低的問題。鑒于此，提出研發(fā)一種行間距可調的多行夾拔式胡蘿卜收獲機，將夾拔裝置模塊化，通過自由移動拆卸夾拔模塊，實現(xiàn)收獲行間距可調，擴大農(nóng)藝使用范圍。該收獲機通過手扶拖拉機提供動力，主要由攏纓部件、疏土裝置、夾拔裝置、往復割刀切纓裝置、風機除纓裝置、運輸收集裝置構成，集多功能于一體，并具有體積小、通用性強、結構簡單、收獲效率高等優(yōu)點。

關鍵詞：胡蘿卜；小型收獲機；多行收獲；可調收獲行距；往復切割

中圖分類號：S225.7 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）20-0033-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.20.007

0 引言

我國的胡蘿卜種植面積和收獲總量均為世界第一，但其收獲機械化發(fā)展程度低，受制于我國多山地丘陵[1-2]，以及不同地區(qū)、不同人的種植農(nóng)藝差異這兩大因素，至今大部分地區(qū)仍采用人工采收的方式，效率低下[3-5]。本收獲機設計出于對這兩大因素的考慮，通過夾拔裝置模塊化實現(xiàn)收獲行間距可調，克服種植農(nóng)藝差異。收獲機整體結構緊湊、體積小，適應各種地區(qū)，收獲功能齊全，并且最多可一次性收獲三行胡蘿卜，收獲效率高。

1 總體結構設計

本收獲機采用夾拔模塊同整機為一條直線的方式，切下后的纓子無法直接向后拋灑，故在夾拔裝置末端加裝擋板，再用風機提供風力吹除纓子。整機為純機械組成，未使用電力驅動，動力由搭載了8.5 kW常州單缸風冷柴油機192F的手扶拖拉機提供，其結構如圖1所示。

收獲機以攏纓部件、疏土裝置、夾拔裝置、往復割刀切纓裝置、風機除纓、運輸收集這六大模塊為主要框架，輔以其他零件構成，機體總長2 000 mm，寬1 200 mm，高1 600 mm，夾拔裝置模塊化設計，通過導軌滑塊來實現(xiàn)行間距可調可拆卸。

2 可調夾拔模塊結構設計

為實現(xiàn)多行夾拔間距可調，需將夾拔裝置模塊化，單組模塊的整體結構如圖2所示，其主要由攏纓部件、疏土裝置、夾拔裝置構成，對應攏纓、疏土、夾拔三大收獲功能。

2.1 可調間距結構實現(xiàn)

將夾拔裝置模塊化，會遇到如何實現(xiàn)夾拔裝置的移動、如何給夾拔裝置提供動力，以及前輪壓到旁側未收獲胡蘿卜的問題，在此采用如下方法實現(xiàn)。

2.1.1 移動問題

通過使用圓柱導軌解決裝置移動問題。圓柱導軌適用于精度要求不高、低速的場合，且在徑向有較好的承載力，制造價格便宜，結合機架尺寸等因素，考慮采用SBR25導軌滑塊裝置，導軌長度比機架長度小約一個滑塊，以便拆卸。并且滑塊帶有鎖緊手柄，方便固定調整位置，如圖3所示，支撐梁通過螺栓固連，滑軌移動，實現(xiàn)間距可調。

2.1.2 傳動問題

解決了移動問題后，需要考慮主動帶輪提供動力并使傳動部分能夠移動。從能夠進行遠距離傳動且傳遞較大力矩，便于拆卸和適應惡劣環(huán)境等因素綜合考慮，選擇鏈傳動，其整體結構如圖4所示，通過使用滑鍵將主動鏈輪安裝于主傳動軸上，以便進行滑移。

2.1.3 前輪距離問題

若前輪間距固定，則可能會壓到近旁還未采摘的胡蘿卜，所以需要能改變前輪間距的裝置，在此使用充氣萬向輪，可以很好地解決該問題。

2.2 攏纓部件設計

夾持拔取式收獲過程中，胡蘿卜纓子與傳送帶接觸產(chǎn)生摩擦力使其脫離土壤。由于胡蘿卜生長環(huán)境復雜，纓子狀態(tài)各異，且存在倒伏現(xiàn)象，若接觸的纓子數(shù)過少，可能導致拔力不足或脫落，影響收獲效率，因此加裝攏纓部件至夾拔裝置前端至關重要，如圖5所示。

圖5中攏纓器設計為類圓錐狀，與胡蘿卜莖點接觸，減小摩擦，能有效聚攏纓子。最后通過調整螺栓可旋轉和移動攏纓器，以調整敞口角度，適應不同纓葉茂密程度，提高攏纓效果。

2.3 疏土裝置設計

胡蘿卜在土壤中生長，受土壤緊密包裹和摩擦力影響，直接拔出時力度難以掌握，易導致漏拔或莖部斷裂，而加裝疏土裝置可以很好地減少漏拔現(xiàn)象，即通過擾動土壤，破壞緊固結構，使胡蘿卜在土壤中受到的摩擦和束縛減小，從而更易被拔出。

為便于疏土裝置隨夾拔裝置移動，且考慮到強度問題，選擇采用類三角支撐設計其結構。如圖6所示，疏土裝置主要由疏土鏟、氣彈簧、鏟臂、支承架所構成。為了能承受更大的力，在拐彎處加了兩個支撐桿，氣彈簧通過銷軸與鏟臂和支承架相連接，再通過拉線來遠程進行氣彈簧的伸長/縮短控制，使得鏟子能夠抬升進行鏟土作業(yè)，疏土鏟通過螺栓與鏟臂相連接，通過調節(jié)螺栓孔可微調入土深度。

2.4 夾拔裝置設計

2.4.1 整體結構設計

拔取式胡蘿卜收獲機的核心是夾拔裝置，其決定了胡蘿卜能否被正確收獲。整體的夾拔裝置設計如圖7所示，其由兩條撓性回轉皮帶、拔持力自動調節(jié)裝置、張緊裝置、主動輪等組成。主動輪置于最后，動力通過減速器傳遞，出于對拔持力和長距離輸送的考慮，在裝置每邊加裝4個張緊裝置，其中最前端的裝置能自動調節(jié)拔持力大小。

2.4.2 自動調節(jié)拔持力裝置設計

皮帶在拔取、運輸胡蘿卜過程中，單靠帶輪與纓子之間的摩擦力是不夠可靠的，需要對其進行張緊才能保證收獲的可靠性。如圖8所示，裝置由連接板、單臂彎曲扭轉彈簧、銷軸、支座板組成，從動輪通過螺栓固定于連接板上，而連接板又由銷軸連接于支座板上，為可以活動的部件，在扭轉彈簧提供的轉矩作用下向中心靠攏，當胡蘿卜纓喂入夾拔裝置時，纓子會撐開從動輪，而在作用力與反作用力下扭轉彈簧提供的扭矩會將胡蘿卜纓子夾得更緊，起到自動調節(jié)夾拔力的作用。

3 除纓運輸模塊機械結構設計

3.1 往復割刀切纓裝置設計

胡蘿卜切纓裝置市場主流設計分為兩種：圓盤割刀式和拉拽式[6]。但本設計的切纓裝置要能隨夾拔裝置移動，或者能一次切割多行，所以這兩種對本收獲機均不適用。常用的農(nóng)業(yè)機械切割裝置還有一種為往復切割式，其結構簡單、工作可靠、切割質量好，并且結構緊湊，動力提供方式剛剛好符合本設計需求，故將其選為設計對象。

目前研究的往復割刀整體分為動定刀片，切割的物體處于兩者缺口處，并在動刀片運動下進行切割，如圖9所示。但胡蘿卜莖較為粗壯，且受限于尺寸，并考慮到夾拔裝置是移動可調的，故只能采用平口的切刀。本設計往復割刀切纓裝置三維模型如圖10所示。

由圖10可知，光滑平板通過螺釘固聯(lián)于機架上，切割刀片被壓板通過扭轉彈簧緊緊壓附在光滑平板上，限制了垂直方向上的位移，保證其不脫離。驅動軸旋轉帶動凸輪旋轉，每當驅動軸旋轉一圈，切割刀片就在凸輪提供的橫向推力作用下進行一次左右位移，進行切割?？紤]到過長的刀片不易生產(chǎn)和拆卸維修，故將其分為四段，更換刀片時只需將彈簧摳出機架上的凹槽，即可取出更換刀片。

3.2 鼓風機除纓裝置設計

由于整體設計為一條直線式，切纓裝置切下的纓子無法直接向后端拋灑出去，故在夾拔末端加裝了隔擋裝置，并于一側安裝波紋管，通過鼓風機提供風力，將切下的纓子吹至另外一側，整體結構如圖11所示。

3.3 運輸收集裝置設計

如圖12所示，運輸裝置采用L型運輸輥裝置，通過減速箱提供動力，傳輸輥為雙鏈輪的標準件，裝置的末尾為收集小推車，與機架相連。為保證胡蘿卜不從輥的縫隙中掉下，選取的輥直徑為50 mm，兩個輥之間的中心距離為70 mm，即縫隙距離為20 mm，而正常生長的胡蘿卜直徑在30～40 mm不等，故不會掉落。由于其運轉速度需要同整機行進速度相適應，故取輥的線速度V輥=1.2V進。由于同一時間所運輸?shù)暮}卜數(shù)量不會很多，一般在10～20根，而一根胡蘿卜的重量僅為150 g左右，故對輥產(chǎn)生的載荷不會很高，無須校核。

4 結束語

本課題組研發(fā)了一種行間距可調的小型多行夾拔式胡蘿卜收獲機，通過手扶拖拉機提供動力，主要由攏纓部件、疏土裝置、夾拔裝置、往復割刀切纓裝置、鼓風機除纓裝置、運輸收集裝置等構成，收獲機的整個工作流程為：作業(yè)前，操作人員先通過導軌滑塊將夾拔模塊調到合適位置后啟動機器，在行進過程中位于最前端的攏纓部件將分散倒伏的胡蘿卜纓子聚攏，同時下方的疏土裝置疏松土壤破壞胡蘿卜和土壤的緊固結構，而稍后到達的夾拔裝置將胡蘿卜拔出并往后運輸，往復割刀切割使纓果分離，切除的纓子被風機吹落，而胡蘿卜則落至傳輸輥上，最終運輸至可分離推車中。該收獲機集攏纓、疏土、夾拔、切纓、除纓、運輸收集功能于一體，實現(xiàn)了高度自動化，具有很好的市場推廣使用價值。

[參考文獻]

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[4] 韓鳳.雙行拔取式胡蘿卜收獲機設計研究[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學，2012.

[5] 關睿.胡蘿卜聯(lián)合收獲機仿生單圓盤式對頂切割裝置設計與試驗[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學，2020.

[6] 曾功俊.胡蘿卜纓子的力學特性及拉拽式收獲部件研究[D].杭州：浙江理工大學，2016.

收稿日期：2024-06-12

作者簡介：林志偉（2004—），男，福建福清人，研究方向：機械設計制造。

通信作者：林權（1980—），男，福建福州人，碩士，教授，研究方向：機械設計制造。