溫室智能裝備系列之七十八溫室葉莖類蔬菜自動收獲機的設計

馬偉 王秀 秦貴

中國是蔬菜生產大國，其中葉菜占據著蔬菜消費的重要部分，是家庭飲食中不可缺少的蔬菜之一。到2008年，我國葉菜類作物的播種面積是（6.057×106 ）hm2，占蔬菜總播種面積的32.5%，葉菜產量占蔬菜總產量的30.5%，每年按7%左右的速度增長[1]，其中溫室內栽培葉莖蔬菜在反季節期間占到90%以上，而反季節栽培蔬菜產值占到整個蔬菜產值很大的比重。葉菜屬于新鮮食材，收獲環節受到采收周期短的限制，因此對采收的要求更高，用工量更大。但葉菜采收目前在我國仍然屬于手工收獲，其勞動強度極大且工作效率低。因此，設計一種莖葉類蔬菜通用采收機械，解決這一需求和生產的實際矛盾，對葉菜的規模化生產會有很大的幫助。

莖葉類蔬菜收獲機的設計主要從以下幾個方面入手[2-3]：行走底盤的設計、夾持輸送機構設計、整體結構設計、控制器設計等，最終完成預想的功能目標。

行走底盤的設計

在溫室空間里作業要設計緊湊的輪式或履帶式行走機構以滿足不同寬度田間移動作業的要求。溫室栽培行距有差異，因此行走輪間距以可調為首選。由于葉類蔬菜種植模式為壟上種植，收獲方式必然是一壟一收，保證葉類蔬菜收獲機收獲直線行駛是要解決的，這些設計原則為行走底盤的設計提出了要求。因此采用鉸接式底盤是滿足行距調節的最佳選擇。

葉莖類蔬菜夾持輸送機構設計

葉菜的收獲通過夾持然后再切割的方式，能使采收的葉莖整齊排放在儲菜箱內，避免二次整理蔬菜帶來的損失。輸送機構能實現豎直蔬菜的夾緊收獲，然后通過彈性輸送帶扭轉90°，實現蔬菜水平放置，如圖1所示。這樣的好處是使采收的蔬菜平放進菜箱里。但要具備高度和角度快速可調的刀片，才能解決切割位置點的問題。也可以采用氣吸的方式將采收下來的蔬菜收集起來，把收割的蔬菜全部吸進來，作業效率很好，但不足之處是蔬菜不整齊，混合雜物品相不好。

整體結構設計

整體結構的設計要考慮日光溫室的特點，溫室寬度8～10 m，每個壟上的有效機器操作作業的長度在7～8 m左右，與連棟溫室相比，每個作業行較短，設計上選用低重心，總高度0.8～0.9 m；兩側輪獨立電機驅動，通過電機差速實現原地轉彎，轉彎半徑1 m左右。人的操作把手高度為0.7 m，可伸縮高度范圍為0.7～1.1 m。通過分體控制器設計，實現整機操作時人在2 m距離之外，實現機器作業時人的安全保障。通過整體結構的有效配合來控制割刀的開合，從而完成蔬菜葉莖的收割工作，如圖2所示。當蔬菜被割刀切斷后，固定在割刀前上方的柔性夾持履帶將割下的蔬菜收集后輸送到儲菜箱內。

設計高度、角度均可調的水平割刀，達到高效、地毯式割盡的目的。為了適應在不同的田塊里均能夠實現從葉類蔬菜根部地毯式切割，采用高度和角度均可調節的水平割刀，每把割刀根據種植地面的坡度實現角度與高度的調節，并優化最佳切割角度。

設計輸送裝置起落架與微調裝置并聯控制系統，實現輸送裝置與切割刀的高度調節。

控制器的設計

控制器主要包括四部分：刀片調節模塊、速度控制模塊、行距調節模塊和輸送帶間距調節模塊四部分。其中，刀片調節模塊含有刀片角度調節，刀片高度調節，用來實現根據葉菜的生長來改變作業刀片的參數；速度控制模塊可以實現無極調速行進輪的驅動電機，這樣可根據蔬菜生長的狀況決定收割速度，通過前進輪的速度就可以調節收獲速度。行距調節模塊通過電動改變刀片調節桿的夾角大小，改變兩個刀片之間的距離，實現不同行壟寬度的對行控制；輸送帶間距調節模塊通過改變彈性輸送帶兩組張緊輪的距離，實現間距的改變，可根據蔬菜莖的粗細進行實時調節。控制器的流程圖如圖3所示。

國外設計參考

國外相關葉菜采收機的報道為設計提供部分參考[4]，其中，韭菜自動采收機動力裝置選用充電蓄電池，并選用泡沫輸送帶加緊韭菜后切割，在輸送過程中旋轉后進行整齊裝箱，見圖4所示。不足之處是該設備只能對單行進行采收，無法調節輸送帶間距，無法針對通用的葉菜采收。

對青菜的采收采用兩組鋸齒進行切割[5]，通過排鏈輸送帶直接輸送，對采收的青菜不作整理，直接用菜箱儲存，如圖5所示，采收效率較高，但只針對不分壟的青菜栽培。

應用

2016年3月18日在平谷區設施機械展示會中進行了現場展示（圖6），機器自重約60 kg，收割寬度為250 cm，采用24 V電源供電，單行收割，每小時可收割333 m2。該機具備體積小、重量輕，采用電力驅動不會對溫室空氣產生污染，電機作業噪音小等特點。

結束語

總的來說，溫室葉莖類蔬菜自動收獲機設計主要原則有：① 行走底盤的設計、夾持輸送機構設計、整體結構設計、控制器設計等要逐一計算分析。② 采收機材料應多采用尼龍、鋁材等較輕材料，整機自重在50～80 kg為宜。③ 溫室封閉環境下動力宜選擇電力驅動。④ 轉向的靈活性要重點解決，以便適應溫室狹小空間。

參考文獻

[1]徐少華，孫登峰.葉類蔬菜通用收獲機的設計[J].江蘇農業科學， 2015，43（3）：365-367.

[2]徐少華，秦廣明，沈丹波.一種新型葉莖類蔬菜收獲機的研制[J].中國農機化學報，2016，37（1）：18-21.

[3]高國華.溫室霧培蔬菜收獲機收獲機構的研究設計[J].農機化研究，2015，37（10）：91-97.

[4]http：//www.jingtian.sh.cn/Products/Detail_49.aspx.2016-3

[5]Ortomec harvester for baby leaf， Spinach， and other leaf vegetables.http：//www.andershornstein.se/fr/machines/various-machines/other-harvesters/3556-

ortomec-baby-leaf-harvester/446/.2016-3.