一種手扶式小型電動挖蒜機的設計與試驗研究

秦貞龍+高遲

摘要：根據(jù)萊蕪地區(qū)大蒜種植模式和技術要求，借鑒現(xiàn)有的研究成果，設計一種手扶式小型電動挖蒜機。挖蒜機以蓄電池組為動力源，由直流無刷電機直接驅(qū)動，采用變頻控制技術控制轉(zhuǎn)速，利用后翻土和震土分離原理實現(xiàn)大蒜挖掘。

關鍵詞：挖蒜機；后翻土犁刀；設計；震土裝置；地膜收集

中圖分類號：S225.7+9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）09-0041-03

大蒜是一種重要的經(jīng)濟作物，在我國北方地區(qū)種植面積較大。作為一種密集型種植、收獲作物，大蒜生產(chǎn)的勞動強度較高，具有較強的機械化生產(chǎn)需要。大蒜的蒜頭容易損壞，暴力型挖掘和機械碾壓均會影響其品質(zhì)，加之種植壟距缺乏統(tǒng)一標準，導致大蒜收獲很難完全實現(xiàn)機械化。萊蕪地區(qū)大蒜種植規(guī)模小而散，不適于應用大型收獲機械。為此，根據(jù)當?shù)卮笏獾姆N植模式和技術要求，借鑒現(xiàn)有的研究成果，設計一種手扶式小型電動挖蒜機，旨在為大蒜收獲提供適用機具。

1 小型電動挖蒜機總體設計

挖蒜機由犁刀、震土裝置、犁刀架、直流無刷電機、爪型旋轉(zhuǎn)地膜收集機構、蓄電池及控制箱和車體構成，結(jié)構如圖1所示。直流無刷電機、蓄電池及控制箱屬于車體的一部分。直流無刷電機是動力來源，而蓄電池是能源和整機運動的關鍵，設置時必須有較大余量，一般按普通電動車的2倍標準設置，同時設定合理的工作時間，以防電源缺電造成損壞和不便。

直流無刷電機和驅(qū)動地輪是一體化結(jié)構，即電機直接安裝在輪子上。本設計選用一種電動車的驅(qū)動電機和輪子。

2 小型電動挖蒜機工作原理

手扶式小型電動挖蒜機以蓄電池組為動力源，由直流無刷電機提供動力，驅(qū)動單只地輪行走。后翻土挖蒜犁刀安裝在犁刀支架上，犁刀支架為矩形中空結(jié)構；犁刀支架下掛裝有震土裝置，犁刀支架和震土裝置構成“回”形機構；在行走過程中，犁刀挖起的土和蒜頭被拋向后側(cè)的犁刀支架中部，并落入震土裝置；震土裝置通過轉(zhuǎn)動震動分離蒜頭和土，其中土被震碎后從震土裝置的鏈條間隙落回田地；在安裝于震土離裝置上面的網(wǎng)狀右拋機構控制下，蒜頭從挖蒜機右側(cè)落向田地并成行排列，以方便收集或晾曬，避免在行走過程中碾壓蒜頭。

前置后翻土挖蒜犁刀采用獨特設計，挖起的土從犁刀正上方犁刀支架中間落到震土裝置。挖蒜機前部設置爪型旋轉(zhuǎn)地膜收集機構。該裝置具有多種功能，可在挖取蒜頭和蒜苗莖的同時收集地膜并暫存于地膜收集箱，儲存到一定量時可拋向挖蒜機右側(cè)集中放置。

只挖取蒜頭時，需要先切斷蒜頭和蒜莖，地膜收集爪安裝切莖刀，地膜收集機構收集地膜和蒜苗莖。不安裝挖蒜犁刀時，地膜收集機構可以用作整地輔助工具，收集地表的作物秸稈、雜草等輕便雜物。該挖蒜機還可以用于收獲馬鈴薯。

3 小型電動挖蒜機關鍵部件設計

3.1 犁刀結(jié)構

犁刀是挖蒜機的關鍵部件，必須與總體機構相匹配，且符合大蒜種植的壟距要求。經(jīng)過考察和試驗，確定選用后翻土犁刀，其結(jié)構圖如圖2所示。犁刀能挖溝開土和切斷蒜根，并在行走過程中把土和蒜頭拋向后方的震土裝置。考慮到動力的大小，選配單犁刀，一次挖一壟。

3.2 震土裝置

震土裝置（見圖3）主要由鏈輪、鏈條組成，是與犁刀相結(jié)合的平面鏈輪行走裝置。該裝置以鏈輪觸地，中間通過鏈條連接，上部安裝右側(cè)拋蒜擋板。行走時，震土裝置利用自身的震動實現(xiàn)碎土功能。

震土裝置安裝在犁刀后部的犁刀架和車架上，在挖蒜機的帶動下前進。調(diào)節(jié)震土裝置高度可控制犁刀入土深度。犁刀架是用來安裝固定犁刀的矩形支架，犁刀安裝在矩形支架前端，方便土和蒜頭落入矩形支架內(nèi)部。

3.3 地膜收集機構

爪型旋轉(zhuǎn)地膜收集機構由地膜收集爪、地膜裝載爪、傳送帶、清卸地膜爪和地膜收集箱組成，如圖4所示。

地膜收集爪設置在挖蒜機前端、挖蒜犁刀之上，左右各1個，用來把地膜從地中切斷摟起。地膜裝載爪和清卸地膜爪是作用相反的2種鐵鉤型機構。在傳送鏈條帶動下，地膜裝載爪把地膜收集爪摟起的地膜勾住并挑到傳送帶上。地膜裝載爪垂直于傳送帶表面，與地膜收集爪交錯安裝。行走過程中，傳送帶向上逆時針旋轉(zhuǎn)，帶動地膜裝載爪向上運動，使摟起的地膜向上傳遞。清卸地膜爪把傳送帶上的地膜勾住，送入地膜收集箱。地膜收集爪、地膜裝載爪和清卸地膜爪均為左右2只，類似于鐵鉤。

實際生產(chǎn)中，大蒜收獲有2種形式：一是傳統(tǒng)帶蒜莖收獲，蒜頭和蒜莖不分離；二是先切除蒜莖只挖蒜頭收獲。為適應第二種收獲，在地膜收集爪上安裝切莖刀（見圖5），用于切掉蒜莖。

若卸掉挖蒜犁刀，地膜收集裝置可作為平整田地輔助工具，用于快速收集田間的作物秸稈、雜草等輕便雜物。更換專門的犁刀，挖蒜機還能用于馬鈴薯挖掘收獲。

4 小型電動挖蒜機性能分析

配直流無刷電機1 200 W，蓄電池組容量60 Ah，可承受總阻力≤100 N，輪徑20.8 cm。根據(jù)公式

v=60 πdn/1 000，求得直流無刷電機的轉(zhuǎn)速約為1 r/s。

根據(jù)傳統(tǒng)種植習慣，大蒜壟間距10～15 cm，株距小于10 cm，深度10～12 cm。挖蒜時，每棵蒜的總土量約為0.001 m3，質(zhì)量為1～2 kg。而挖蒜機總阻力小于100 N，車體小于25 kg，在摩擦系數(shù)0.3的情況下，能夠滿足挖蒜作業(yè)要求。

設計運行速度4 km/h左右，與人行走速度相仿，收獲效率為400 m2/h左右（約0.6畝）。按每天收獲7 h計算，總行走距離不超過30 km，蓄電池充1次電即可。

根據(jù)設計方案制作樣機模型，圖6為后翻土犁刀；圖7為旋轉(zhuǎn)地膜收集機構，雖然能完成相應功能，但不穩(wěn)定，需要改進。由于條件有限，樣機結(jié)構還需進一步精簡優(yōu)化。

5 結(jié)論

手扶式小型電動挖蒜機以蓄電池組為動力源，由直流無刷電機直接驅(qū)動，采用變頻控制技術控制轉(zhuǎn)速，減少了輔助機構和機械體積，成本低，綠色環(huán)保。震土裝置把蒜拋向右側(cè)，符合傳統(tǒng)的大蒜收獲習慣。地膜收集機構自動完成對地膜的收集，有效降低人工勞動強度，提高效率，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

參考文獻

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Abstract： The existing research results was used to design a kind of small walking type electric digging garlic machine according to the cropping pattern and technical requirements of garlic in Laiwu area. The digging garlic machine， which used battery as the power source， was drove directly by brushless DC motor， frequency conversion control technology was used to control the revolving speed， and realized garlic dug by taking advantage of the theory of back plough coulter and shaking soil off .

Key words： digging garlic machine； back plough coulter； design； shaking soil off device； mulching film collectionendprint