鐮刀型韭菜收割機的設計

□ 馬建國 □ 程佳衛 □ 姚運萍

蘭州理工大學 機電工程學院 蘭州 730050

隨著現代化機械進程的推進，農作物收獲機械化成為農業生產過程中的重要環節和必然要求。由于農作物和蔬菜等季節性強、時間緊、任務重，且易遭受雨、雪、風、霜的侵襲等特點，機械化的普及成為迫切必要。其次實現農作物和蔬菜的機械化收獲，對提高勞動生產率、減輕勞動強度、降低收獲損失、確保農民收益均有極其重要的意義。

我國的農業機械，從3 500年前發明的鐮刀，到如今的大型聯合收割機，經歷了漫長的發展，尤其是在新中國成立之后，先后經歷了20世紀50～60年代的入門階段，60～80年代的發展階段，80～90年代的利用、引進先進技術階段，尤其是90年代中后期，發展得更加迅速，各種農業機械不斷完善，農業產量大幅度提高。從此，我國收獲機械的發展進入了嶄新的階段。

1 設計要求與內容

韭菜收割機的難點在于要求收割機的刀片能緊貼地面，割完的韭菜茬離地高度不能過高，因為留茬過高不但會使菜農的收益受到嚴重的影響，同樣會使韭菜在后面清理雜物、施肥時容易遭到踩踏，影響下茬的生長。但割茬也不能太低，否則，損傷到韭菜根部，同樣會影響韭菜的下茬生長。

現有的類似鋸齒形或者圓盤形收割機，主要用來收割小麥、水稻、苜蓿等高度較高的單桿莖植物,不能滿足韭菜這種高度較低的簇生族植物的收割，也不能滿足韭菜收割時的割茬低、不凌亂等需求。為了彌補此不足，筆者創新設計了一款鏈式剪切型刀具，利用韭菜收割機器的運動，帶動傳動柱運動，而傳動柱又能帶動鏈輪和同步帶輪的轉動，繼而帶動鐮刀的剪切運動，完成韭菜的切割動作。而同步帶又能實現韭菜的傳送動作。

本設備可以邊走邊工作。實現韭菜的拔禾、扶正、剪割、傳輸等，方便捆綁及其后續動作的完成。另外，本設備只需手動推動，純機械設計，節能、環保。

2 結構設計

在設計過程中，對鐮刀、動力等機構進行了功能性設計，對同步帶、鏈條等部件進行了選型改造，使收割機模型更加合理。

2.1 整體設計

收割機器的動力機構采用人力推動、輪子帶動鐮刀的后驅驅動方式。當使用者根據自己的身高調整好機器高度后，推動機器行走，機器的四個輪子開始轉動，而作為驅動的兩個后輪轉動時，帶動后輪軸上的斜齒輪轉動，其與傳動柱上的斜齒輪形成交錯軸斜齒輪傳動，改變運動方向，將輪子垂直地面的滾動變換成平行地面的水平運動。這種水平運動帶動支撐鏈輪和傳動輪的傳動柱運動，從而使鏈輪旋轉，帶動安裝在鏈條上的刀片運行，在收割機前面兩個傳動柱上的鏈輪相切處，兩條鐮刀互相嚙合，進行剪切作物，當作物被剪斷后，在嚙合鐮刀、高低兩條同步傳輸帶作用下，被輸送到收集區，進行收集，機器完成動作，如圖1所示。

2.2 動力結構設計

設計的目的是應用于小型農戶壟植韭菜的收割，所以摒除了質量較大、使用費用較高的柴油機或電動機驅動裝置，這就從根本上降低了韭菜收割成本，提高了設備的推廣性價比。

本設備采用人力推動時，輪子滾動帶動機器的運行是純機械驅動方式。使用者可根據自己的使用高度調整好機器。當使用者推動機器行走時，機器的4個輪子開始轉動，驅動后輪軸運動，帶動后輪軸上的斜齒輪轉動，其與傳動柱上的斜齒輪形成交錯軸斜齒輪傳動，改變運動方向，帶動鐮刀運動，完成后續動作，如圖2、圖3所示。

2.3 鐮刀結構設計

鐮刀結構是本次設計的韭菜收割機中一個比較重要的部分，它將輪軸傳來的動力經過傳動柱上的鏈輪傳遞給鏈，并由鏈帶動鐮刀的運動，如圖4所示。

張大爺老兩口最近特別鬧心，因為兒子小軍年滿35歲了，年初給他下了最后通牒，今年必須結婚，并且在親戚朋友里廣而告之。眼下就快年底了，兒子卻一點動靜都沒有。最近，二老親自上陣，四處張羅給兒子介紹對象，可兒子并不領情，安排10次相親，頂多去兩三次，連回家的次數都變少了。老兩口吃不好、睡不香，儼然已經患上“兒女未婚恐懼癥”。

由鏈的輪廓選定齒數為20。節距p為9.525 mm，傳動比為1∶1，有中心距公式：

a=p[（L - z1+z2）+ （L - z1+z2）2-8 （ z2- z1）2] （1）
4p2p22π

式中：中心距a為450 mm。

筆者選擇了06c-1 35型鏈，其鏈節數Lp為：

式中：z1、z2分別為兩鏈輪的齒數；圓整后的鏈節數Lp為116節。

▲圖1 結構簡圖

▲圖2 傳動柱簡圖

▲圖3 后輪柱簡圖

鐮刀和鏈節具有相同的數目，首先將金屬薄型材料落料成長方形刀片，再機磨刀片非刃邊，接著壓背，而后依次加工過程是：淬火、回火、手工磨刃、拋光和清洗。為使刀片強度更高且不易產生變形，在每個刀片的非刃邊上焊接與刀片等長且垂直于刀片的薄型板，此薄型板的強度不易發生彎曲變形即可，然后在此薄型板上反向焊接一塊同鏈的外鏈板，將其夾固在外鏈板和內鏈板之間，將此鐮刀的所有易產生較大應力的垂直處用加強筋加固，如此，鐮刀便已制作完成。

當安裝好刀片的收割機沿著作物壟行走時，散亂的簇生作物將在撥禾片的作用下，沿著撥禾片的內壁被扶正，進入剪切區。隨著機器的前行，作物被同步帶緩緩夾住，被同步帶夾住后的作物就不會出現倒伏、傾斜等阻礙作物剪切的問題。當在動力作用下鏈輪帶動鏈條運動時，安裝在鏈條外鏈板和內鏈板之間的刀片運行，在收割機前部的兩個傳動柱上的鐮刀嚙合處形成剪切，逐步完成韭菜的切割動作。

2.4 輸送帶的設計

輸送帶的設計也是本產品的一大亮點，該韭菜收割機，采用了同步齒型帶傳動，如圖 2的傳動柱所示。同步帶具有傳動功率大、運行平穩、工作噪聲小、無需潤滑等多種優點，由于該設備中的帶傳動傳遞功率較大，但傳遞速率較小，前后傳動柱的距離為450 mm左右，為了減少帶與帶齒的磨損，所以同步帶的選擇型號為30xl。齒數為30，節徑為48.51 mm，外徑為48 mm，擋邊直徑為51 mm，擋邊內經3 mm，擋邊厚度為1 mm的同步帶。

如圖1所示，該產品的設計充分應用了傳動柱的結構，在傳動柱的兩頭各設計了一段同步帶輪，當機器在人力推動下，動力傳遞到傳動柱，傳動柱進行轉動，帶動左右、上下4條同步帶同時轉動。當韭菜被剪斷時，韭菜被左右上下4條、兩對同步帶同時夾緊，傳送過去，直到機器尾部離開嚙合區。當所種韭菜較稀疏時，或者韭菜長勢較弱小夾不緊時，鐮刀發揮其另一個作用——托住韭菜防止下漏。因為本設計鐮刀的優點還在于其前部兩個傳動柱進入嚙合區后，鐮刀將持續保持嚙合狀態，直到機器在尾部傳動柱，嚙合打開。

▲圖4 鐮刀結構簡圖

所設計的輸送帶不僅能保證所種韭菜較稠密時的傳輸問題，還能完美地解決長勢較弱韭菜的傳輸。

2.5 傳輸帶的固定

在整個機器的上方有一塊上蓋板，其上四角處各有一個螺紋孔，分別用來固定支撐傳動柱T型固定桿，4根T型桿與上蓋板用螺紋連接。收割機尾部的2個T型固定桿上各套有1根傳動柱，與上蓋板螺紋連接，T型桿的下端，有水平托臺用來托住鏈條，防止在傳動鐮刀運作的過程中出現脫鏈等問題。此外，機器前端和尾部之間的T型桿中間布置有一個連桿，連桿的中間位置設置了一個張緊輪，用于張緊鏈條，防止鏈條脫鏈，或者鏈條老化后出現脫鏈的問題等。

3 實驗效果

此收割機經實地實驗數據表明，鐮刀工作時，所剪切的韭菜茬高度隨韭菜地的高度不同而不同，韭菜壟有凹坑時，割茬最大高度為10 mm。當韭菜壟有凸嘴時，韭菜割茬最小高度將在0～5 mm內（以韭菜根與葉的分界處為基準0），正常割茬高度為5 mm。但是，韭菜地過于不平坦（100 mm的取樣長度內的地表最大高度Ry的平均值為50 mm以上）時，韭菜割茬高度將會在0～15 mm內變化，此時應該時刻注意設備的檢查與調整，保證鐮刀的鏈盒密封，防止泥土進入鐮刀，影響切割效果。

正常人的行走速度為5～7 km/h即1.39～1.94 m/s，當一個行走速度為6 km/h的使用者推動此韭菜收割機時，其切割速度約為4 km/h，而一般大棚里行距為180 mm的韭菜，單壟產量平均為0.5 kg/m。如果使用者以4 km/h的速度不停息地進行作業1 h，那么本收割機的切割量為2 000 kg。而每畝大棚行距為180 mm的韭菜每茬的產量約為1 000～2 000 kg。也就是說，使用此韭菜收割機，一畝的韭菜將在不到一個小時的時間內割完。

4 結束語

韭菜收割機作為一款需求量較大的小型農業機械設備。其設計性能的優劣直接影響到機器是否實用。筆者開發的小型收割機的刀片能緊貼地面，割完的韭菜茬離地高度較低。其次，裝備完全使用人力推動驅動的純機械設計，大大降低設計及其使用和維修費用，成本較低，批量生產將更加便宜，還可以較大程度地提高農戶的收益，具有較高的推廣價值。

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