小型大蒜聯合收獲機設計與試驗

徐文藝，張　華，張志起，周　進，崔中凱

(山東省農業機械科學研究院，濟南　250100)

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小型大蒜聯合收獲機設計與試驗

徐文藝，張華，張志起，周進，崔中凱

(山東省農業機械科學研究院，濟南250100)

摘要：針對大蒜收獲難、勞動強度高、各地種植模式不統一的問題，設計了一種適合中小地塊的小型大蒜聯合收獲機，并闡述了該機的總體配置及主要部件的結構。該機主要由行走底盤、傳動系統、扶禾裝置、挖掘裝置、夾持裝置、蒜秧定位裝置、切割裝置、橫向輸送裝置、集蒜箱及液壓系統等組成，可一次完成大蒜挖掘、夾持輸送、切莖、蒜頭收集和蒜秧拋送等工作。田間試驗表明：收凈率達到98.4%，損傷率0.65%，總損失率2.25%，生產率為0.035hm2/h；具有體積小、結構緊湊、操作方便、損傷率小等特點，為提高大蒜機械化收獲水平提供了參考。

關鍵詞：大蒜；聯合收獲機；設計；試驗

0引言

大蒜屬百合科蔥屬，現代醫學研究證實大蒜集100多種藥用和保健成分于一身，具有較高的經濟價值。中國是大蒜種植、加工、生產、出口的主要國家之一，大蒜生產歷史悠久、品質優良，深受國內外消費者青睞[1-4]。大蒜屬于勞動密集型栽培作物，各生產環節均需大量人工作業，收獲環節是其生產過程中勞動強度最大和占用農時最多的環節，存在季節性強、收獲損失大、效率低等問題，已成為制約大蒜產業健康發展的主要瓶頸[5-7]。

我國的大蒜機械化收獲發展起步較晚，水平較低，大多數地區都采用傳統的人工收獲方式，借助自制的簡易扁鏟人工挖掘，少數地區采用了挖掘犁或挖掘機，但仍需大量人工完成后續作業[8-9]。大蒜聯合收獲機仍處于樣機試制試驗階段，主要適用于大面積種植地塊，大多為多行收獲，體積龐大、價格昂貴。國外研制開發的大蒜收獲機具有工作效率低、價格昂貴和經濟性差等特點，不適合在我國推廣應用[10-11]。目前，我國大蒜種植模式以中小地塊為主，大型聯合收獲機對路況、地形要求較高，難以進入中小地塊作業，無法適應多樣的種植模式，制約著其推廣和應用。

針對上述情況，設計了一種體積小、結構緊湊、操作方便和損傷率小的小型大蒜聯合收獲機。

1總體結構及工作原理

該機主要由行走底盤、傳動系統、扶禾裝置、挖掘裝置、夾持裝置、蒜秧定位裝置、切割裝置、橫向輸送裝置、集蒜箱及液壓系統等組成，結構如圖1所示，主要參數如表1所示。發動機安裝在底盤中部，座椅在發動機上方，變速箱安裝在發動機后方。發動機通過皮帶傳動裝置連接到變速箱輸入端，變速箱輸出端與底盤驅動輪連接；升降支架在底盤左部，通過銷軸與機架鉸接；夾持裝置固定到升降支架上，扶禾器在夾持裝置前方，挖掘鏟在夾持裝置前部下方，限深裝置在夾持裝置前部右方，蒜秧定位裝置在夾持裝置后下方，切割裝置在蒜秧定位裝置后方，橫向輸送裝置在切割裝置后方，集蒜箱在橫向輸送裝置右下方。

1.扶禾器　2.限深裝置　3.挖掘鏟　4.機架　5.夾持裝置

工作時，挖掘裝置將蒜頭與土壤分離，通過扶禾器和撥禾輪將蒜秧送入到夾持裝置，蒜秧在向后夾持輸送的過程中在蒜秧定位裝置的作用下調整夾持位置；隨后，由切割裝置進行蒜莖切割，使蒜頭留莖長度一致，切下的蒜頭通過橫向輸送裝置輸送到集蒜箱中，蒜秧被均勻的拋送到田中。通過調整限深裝置和挖掘裝置，可適用于不同地區不同品種的大蒜收獲。

該機的主要特點：采用履帶底盤，有效減輕土壤壓實；由機械系統驅動行走，液壓系統驅動夾持裝置和橫向輸送裝置，功率分配合理，能有效保證作業時間；整機體積小、質量輕、結構緊湊、操作方便、便于運輸；整機適應性強，可適用于不同地區不同品種的大蒜收獲。

表1　小型大蒜聯合收獲機主要參數

2關鍵部件結構

2.1　傳動系統

該機采用小型履帶底盤，履帶中心距630mm，履帶寬度150mm，采用小型汽油發動機，額定功率7.5kW。此底盤體積小、質量輕、機動靈活、工作時對行穩定，有效解決了大型機進地難的問題，大大縮短了地頭轉向調整時間。

該機傳動路線分為兩路，包括機械傳動系統和液壓傳動系統。機械傳動系統由發動機動力輸出軸通過帶傳動傳遞到變速箱，由變速箱通過齒輪傳動傳遞到履帶底盤行走裝置，實現整機行走功能，通過皮帶張緊壓輪產生的摩擦力來控制傳動離合；液壓系統由發動機動力輸出軸通過帶傳動傳遞到齒輪泵，為液壓系統提供動力。液壓系統原理圖如圖2所示。

1.液壓油箱　2.齒輪泵　3.手動控制閥　4.升降油缸　5.液壓馬達

液壓馬達為夾持裝置和橫向輸送裝置提供動力；升降油缸可實現工作裝置的升降，通過手動控制閥對液壓系統進行操控。液壓傳動的各種元件可根據需要方便靈活地來布置，省去了龐大的機械傳動系統，且操縱控制方便，可實現大范圍的無級調速，自動實現過載保護，提高了整機的自動化程度。

2.2　扶禾裝置

扶禾裝置布置在夾持裝置前端，主要完成大蒜秧苗的分禾、扶正、引導，使作物有序進入夾持裝置，輔助實現大蒜植株的夾持輸送，并且能夠扶起倒伏的大蒜秧苗。其主要由左扶禾器和右扶禾器組成，如圖3所示。

1.左扶禾器　2.右扶禾器

扶禾器鉸接在夾持裝置前方，且扶禾器上安裝有壓桿，壓桿兩端分別鉸接在扶禾器與夾持裝置升降支架上，通過壓縮彈簧的壓緊作用使扶禾裝置對地面保持適當的壓力。收獲機進行收獲作業時，扶禾器始終緊貼地面前行，可將倒伏的大蒜秧苗扶起，以避免出現漏拔現象。

2.3　挖掘裝置

挖掘裝置是大蒜聯合收獲機的關鍵部件之一，影響著收獲的質量和效果，同時還要避免纏草和壅土現象。挖掘鏟主要用于將蒜頭與土壤進行分離，結構型式為L型鏟，如圖4所示。其減小了鏟面觸土面積，有效降低挖掘阻力。

(a)　主視圖　　　　　　　　　　　　　(b)　左視圖

鏟面為平面，結構簡單，制造方便，安裝在升降支架前部下方，利用底部水平刀刃作用，從土層中切斷大蒜須根和泥土的聯系。由于單行收獲，挖掘鏟僅需一次鏟松1行，在避免漏挖的基礎上，鏟面寬度減小。為了進一步減小挖掘鏟的挖掘阻力，取挖掘鏟的傾角為20°。

工作時，挖掘鏟的后部頂到底盤的機架上，使底盤承受前進時的挖掘阻力，避免了升降支架在工作過程中受力，可有效提高機具壽命，保證收獲過程中的對行準確性。

2.4　夾持裝置

夾持裝置的主要功能是將扶禾裝置輸送的秧苗通過夾持帶的夾持力將挖掘裝置鏟松的大蒜秧苗拔出地面，并向后輸送至蒜秧定位裝置和切割裝置。為了使夾持帶保持較大且均勻的夾持力，在夾持架與夾持帶之間布置有多個張緊輪。夾持裝置結構如圖5所示。液壓馬達輸出軸與夾持裝置主動軸連接，帶動主動軸轉動，齒輪和主動帶輪同軸，主動軸帶動齒輪轉動，通過齒輪傳動使主動帶輪轉向相反，主動帶輪通過夾持帶使從動帶輪轉向相反；在從動帶輪上安裝有撥禾輪，將蒜秧撥入到夾持裝置中，從而夾持蒜秧向后運動。

本夾持裝置夾持帶采用2聯組普通V帶，有效降低了大蒜損傷，維修更換較為方便。理論上夾持帶輪直徑越大越有利于大蒜秧苗導入夾持，但帶輪直徑過大則工作部件的外形尺寸增大。由于大蒜種植行距較小，過大的工作部件會影響到未收獲行的大蒜，綜合以上考慮并結合試驗，取夾持帶輪直徑為112mm。

根據大蒜植株的特性，夾持位置越靠近蒜頭部位，抗拉強度越大，莖稈不易折斷，有利于夾持作業。夾持裝置前端夾持點離地面高度決定了對大蒜植株的夾持部位，夾持點離地面高度越低越有利于夾持；但夾持高度過低有可能碰傷大蒜或因地面不平導致帶輪與地面發生干涉。考慮到方便后續蒜秧定位裝置和切割裝置的準確作業，經過測量和反復試驗取夾持點離地高度為100mm。

收獲機進行收獲作業時，夾持裝置與地面保持一定的傾角，為了保證順利挖拔和夾持可靠，根據經驗并結合試驗取傾角為30°。機器的田間通過性主要取決于夾持裝置的升降程度，加大升降油缸行程且將油缸安裝位置靠近夾持裝置鉸支點可有效提高機器的田間通過性。

(a)　主視圖

(b)　右視圖

2.5　切割裝置

切割裝置是大蒜聯合收獲機的關鍵部件之一，直接影響到蒜頭的收獲質量，除了實現蒜頭與莖稈分離，同時還要使蒜頭留莖長度一致。由于大蒜通過夾持裝置拔起輸送時，蒜秧的夾持位置不完全一致，如果不對夾持位置調整而進行蒜秧切割作業，將導致大蒜留莖長度參差不齊，因而有必要在切割前對夾持位置進行調整。為此，在夾持裝置中后部安裝有蒜秧定位裝置，位于夾持帶下方。如圖5所示，通過蒜秧定位裝置調整莖稈的夾持位置，大蒜莖稈在夾持輸送過程中進入蒜秧定位裝置，在導向板和夾持帶的作用下大蒜植株被向上拉動，將蒜頭頂端貼緊導向板底部，從而使蒜頭頂端對齊，然后經過切割裝置完成蒜頭與莖稈分離。

割刀為雙圓盤割刀，與夾持裝置采用同一動力，安裝調整方便，簡化了傳動路線，結構更加緊湊。圓盤割刀安裝時刃口相反，且割刀周邊開有鋸齒形豁口。

由于圓盤割刀與夾持裝置主動帶輪同軸，因此割刀切口方向與夾持帶方向平行，在蒜秧定位裝置導向板的作用下使蒜秧運動方向與割刀平面有了一定的角度，達到斜切的效果，降低了功率消耗。結合留莖長度的考慮和試驗效果，割刀平面與導向板的角度為10°~15°。

3樣機試驗

3.1　試驗條件及方法

樣機由山東華興機械股份有限公司生產，依據GB/T 5262-2008《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》等相關國家標準，分別在實驗室和山東廣饒縣進行了試驗。試驗地點地表平整，坡角不大于5°，土壤類型為壤土。

試驗時樣機行進速度為1.2km/h，測定區長度為20m，重復進行3次試驗。記錄每次試驗測試區大蒜總株數、收集到集蒜箱的個數、大蒜損傷個數，以及試驗所用時間等數據。

3.2　試驗結果及分析

根據所得試驗數據，經計算得出大蒜收獲機的性能參數如表2所示。

表2　小型大蒜聯合收獲機性能參數

試驗表明：該機器能夠實現大蒜聯合收獲的各項作業功能，試驗指標達到或超過設計要求；收獲過程較為順暢，大蒜損傷率較低。大蒜總損失率主要因夾持裝置的漏拔導致，與大蒜植株倒伏和收獲時對行不準確有關。在樣機的試驗過程中還發現存在以下問題：

1)樣機收獲輸送部件采用側向配置，能獲得較好的視野，方便收獲時的對行調整；但此種配置方式對一側作物只能進行單向收獲，影響作業效率，這也是其它采用側向配置的根莖類收獲機共同存在的問題[12]。收獲作業時只能采用兩側來回交替收獲，避免機器在收獲作業時出現空行程，節省收獲時間，減輕機器對土壤的壓實。

2)挖掘裝置將蒜頭與土壤進行分離后，蒜秧在進入夾持裝置時喂入不均勻，影響后續的蒜秧定位和切莖作業，導致留莖長度不一致，當大蒜植株倒伏嚴重時更加明顯，在后續的研究中還需要進一步優化。

4結論

1)針對大蒜收獲難、勞動強度高及各地種植模式不統一的問題，設計了一種適合中小地塊的小型大蒜聯合收獲機。其體積小、結構緊湊、操作方便，可一次完成大蒜挖掘、夾持輸送、切莖、蒜頭收集及蒜秧拋送等工作，收凈率達到98.4%，損傷率0.65%，總損失率2.25%，生產率為0.035hm2/h。

2)該機采用分路傳動系統，由機械傳動系統和液壓控制系統2部分組成，功率分配合理，有效保證工作時間；工作部件采用液壓控制系統，提高了整機的自動化程度。

3)夾持裝置和切割裝置一體化設計，簡化了傳動路線，具有結構簡單、夾持可靠、制造容易及使用方便等優點。

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Abstract ID:1003-188X(2016)11-0186-EA Design and Experiment of Small Garlic Combine

Xu Wenyi， Zhang Hua， Zhang Zhiqi， Zhou Jin， Cui Zhongkai

(Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences，Jinan 250100，China)

Abstract：Aiming at garlic harvest difficulty, high labor intensity and various planting pattern, this article designs one small-sized garlic combine harvester and describes the overall configuration and main components structure. It is mainly composed of walking chassis, drive system, stalk guiding device, digging device, clapping device, garlic plants positioning device, cutting device, lateral transport, garlic collecting box and hydraulic system. This machine can complete garlic digging, clapping and transporting, stem cutting, garlic collecting and plants throwing at one time. The prototype harvesting tests in field showed that garlic collecting rate was 98.4%,garlic damage rate was 0.65%, total loss rate was 2.25%,the productivity of combine reached 0.035hm2/h.The machine has advantages of small size, compact structure, easy operating and less damage rate which provides a reference for improving garlic harvest mechanization level.

Key words：garlic； combine； design； experiment

中圖分類號：S225.7+9

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0186-04

作者簡介：徐文藝(1987-)，男，濟南人，助理工程師，(E-mail)xuwenyi168@163.com。通訊作者：張華(1976-)，男，濟南人，高級工程師，(E-mail)zhanghua126@sina.com。

基金項目：山東省農機裝備研發創新計劃項目(2015YS203)

收稿日期：2015-10-14