榨菜收獲機的設計研究

龔境一，葉 進，楊 仕，劉 玲，陳俊杰

(西南大學 工程技術學院，重慶 400715)

0 引言

目前，重慶榨菜種植面積達9.15萬hm2，約占全國種植面積的1/2，僅涪陵區就有近4.01萬hm2[1-2]。但是，榨菜的育苗、移栽和收獲等田間生產環節都還停留在人工階段。隨著農村勞動力的日益短缺和勞動力成本的不斷增加，特別是人工收獲量大的榨菜青菜頭，工作環境差、勞動強度大、工作效率低，已嚴重影響榨菜的產量、品質和經濟效益，成為制約榨菜生產田間機械化發展的一個重要因素。基于近年來重慶市榨菜產業鏈結構發展的迫切需求，提出了適宜于丘陵山地的榨菜機械化收獲的研究。

浙江寧波特能機電有限公司的吳渭堯等人自2004年起便開始對余姚的榨菜機械化收獲機械進行研發，但由于浙江地區榨菜種植區在沿海平原上，土壤平整而肥沃，榨菜的生長整齊，十分利于實現機械化的生產，其所有設計均基于適合于平原的大型機械收獲模式，但并不適合重慶丘陵山區這一地形特點[3-5]。

根據對重慶涪陵地區榨菜種植基地的考察及榨菜物理特性的分析，設計出一種集扶葉、夾持拔取、輸送及切葉等為一體的榨菜收獲機，該機適宜于丘陵山區，整機尺寸小，提高了榨菜收獲的效率，降低了農民的勞動強度。

1 整機設計方案、工作原理及技術要求

1.1 整機傳動路線設計

該榨菜收獲機傳動系統采用5.5kW自帶1/2減速的通用汽油發動機，發動機輸出端通過帶輪與主變速箱進行動力連接，變速箱輸出動力一方面直接給驅動輪提供動力，一方面通過鏈傳動經由離合器、直角換向器向夾持皮帶帶輪提供動力[6-8]。整機擬采用的傳動路線如圖1所示。

圖1 傳動路線圖Fig.1 Transmission train

1.2 工作原理

根據田間前期試驗研究和探索，對榨菜的基本工作原理及樣機結構進行了設計，如圖2所示。榨菜收獲機正常在田間工作時，由兩個位于機架后部的主動輪提供前進動力，由兩個布置于機架前方的萬向輪實現機架的前部支撐且作為機器的轉向輪。發動機位于收獲部件的后方，布置于總機架之上，并通過變速箱向主動行走輪提供動力。

1.扶葉器 2.飛拱 3.拔取夾持裝置外機架 4.內支架 5.彈性齒夾持輸送帶 6.切葉切莖刀 7.中間支架 8.大夾持帶輪 9.直角換向器 10.動力總成 11.扶手 12.減速箱 13.行走輪 14.離合器組件 15.主機架 16.萬向輪 17.切根刀盤架 18.切根刀盤 圖2 榨菜收獲試驗樣機結構示意圖Fig.2 Schematic of the structure of test prototype of tumorous stem mustard harvester

整機的具體工作原理：由扶葉器將散開的莖葉直立扶起，并通過一定的張角將莖葉漸漸扶攏送至夾持機構入口；夾持橡膠帶與夾持中間支架輻條將莖葉漸漸夾緊，并與地面形成一定角度做斜向上運動，以完成榨菜的垂直方向拔取和水平向后輸送；夾持的同時切根裝置在機架的前行推力和土壤摩擦力的雙重作用下被動旋轉并向前滾動，完成對榨菜的切根動作；夾持運輸的過程中，位于夾持帶上方和下方并與夾持帶線速度方向成一定角度布置的兩把切刀用于完成青菜的除櫻操作，下部刀片完成榨菜與莖葉的分離，上部刀片將莖葉分成兩段，以便于莖葉還田；切斷莖葉后的榨菜在重力的作用下掉入位于機架下部的料箱中。

1.3 技術要求

本研究為前期探索性的實驗研究，因此在設計試驗樣機時對某些較為關鍵的收獲指標進行了一定的處理，以便于實現先行樣機的研究試制。由于針對的地形為丘陵山區，既要滿足收獲作業的地塊小、地形復雜的地理特點，整機方案配置必須小型化和輕量化。該試驗樣機的主要技術要求如表1所示。

表1 榨菜收獲機主要技術參數Table 1 The main technical parameters of haivester

2 關鍵部件的設計與計算

2.1 夾持拔取裝置設計

夾持拔取裝置的總體尺寸設計要求如下：整個夾持機架處于工作狀態時其水平長度不超過1 500mm；菜頭拔起后最大升起高度不小于800mm；根據胡蘿卜等類似原理收獲機，夾持拔取裝置工作平面與水平面的夾角在25°～45°之間，根據夾持拔取試驗結果分析，取夾持拔取裝置入口處最低點為200mm。

圖3 拔取裝置參數計算原理圖Fig.3 Diagram of the principle parameters of the delivery unit

總體尺寸設計原理圖如圖3所示，則夾持拔取裝置相關參數公式為

S=(h-h')cotα

(1)

L=(h-h')/sinα

(2)

LP≈πd+2L

(3)

其中，S為夾持拔取裝置的水平長度；h為榨菜升起的最小高度；h′為整機機架底面離地高度；α為夾持拔取裝置工況下與水平面夾角；L為夾持皮帶帶輪軸距；Lp為單根夾持皮帶長度；d為夾持皮帶輪直徑。計算時，初步取工作面與水平面夾角30°，整機機架底部離地面100mm，榨菜拔起后離地距離最小為800mm，計算得到夾持拔取裝置水平長度為1 212.5mm，帶輪軸距1 400mm，夾持帶長度根據后期皮帶輪直徑大小而定。

2.2 夾持帶設計

夾持帶的設計是夾持拔取組件設計中的重中之重，是實現夾持拔取功能的關鍵執行部件，它不可對莖葉造成過度損傷，避免夾持榨菜莖葉斷裂而導致拔取失敗，同時還要考慮皮帶有足夠的柔韌性和抗拉強度。參考國內外類似夾持裝置的皮帶結構及榨菜莖葉的脆性，設計了帶輪接觸面廣角結構、莖葉接觸面為多條橡膠條均布的設計方案，其結構如圖4所示。

圖4 夾持皮帶結構Fig.4 Structure of the delivery belt

夾持帶關鍵參數設計：由于需要保證皮帶夾持榨菜莖葉時沿榨菜自然生長的軸心垂直向上拔取， 夾持

帶的運動在水平方向上的速度必須要與整機前進速度匹配，因此夾持帶的線速度由整機前進速度決定。設計時，選取了普通V帶B型傳動。帶輪基準直徑與帶輪轉速、皮帶線速度存在以下關系，即

(4)

由于皮帶傳動屬于擾性傳動，在設計中考慮皮帶包角以及皮帶與帶輪的貼合度，選用主動帶輪直徑為180mm和從動帶輪基準直徑120mm，求得主動帶輪轉速np=50.96r/min，查表并采用線性插入法，計算得單根V帶額定傳遞功率為0.15kW。V帶根數為

(5)

其中，ΔP0代表當傳動比不等于零時單根V帶的額定功率增量，這里為0；Kα代表當包角不等于180°時的修正系數，這里為1；KL代表當帶長不等于試驗規定時的特定帶長的修正系數，根據式(3)計算得帶長Lp=3 365mm，查表并使用線性插入法求得修正系數取值為1.078。

經計算求得Z≥0.62，取Z=1，即理論所需V帶根數為1。但考慮皮帶傳動的平穩性以及不沿皮帶輪軸向移動，設計時取均布布置的5條V帶布置。夾持帶V帶的帶型參數設計如圖5所示。

圖5 夾持帶設計圖紙Fig.5 Drawings of the delivery belt

2.3 鏈傳動離合器的設計

由于在機器轉運過程中需要切斷夾持帶傳動部分的動力，因此在樣機設計中采用并設計了十字聯軸器(見圖6)，左右聯軸器通過平鍵與兩軸分別做滑動連接，當需要動力傳遞時將聯軸器滑塊鑲嵌連接，反之則分開。所有鏈輪跟離合器軸、換向器軸及帶輪軸均通過平鍵連接和傳遞動力，鏈輪的軸向限位通過緊定螺釘來實現。

1.軸承座 2.輸入軸 3.輸入鏈傳動自減速箱 4.離合器接塊A 5.離合器接塊B 6.輸出軸 7.輸出鏈傳動至換向器 圖6 離合器及軸的設計Fig.6 Design of the clutch and the shaft

2.4 輪胎、減速器的選擇

2.4.1 車輪的選型設計計算

由于車輪的直徑及整機工況下的前進速度直接決定了從發動機至行走輪的總傳動減速比，因此需要先行計算擬選用的車輪直徑大小。對于工況下，車輪所提供的牽引力需要與整機受到的阻力平衡，車輪最大直徑通過式(6)計算，即

(6)

其中，Nemax為發動機輸出的最大轉矩；Fz為整機工況下受到的前進阻力；Dmax為輪子的最大直徑。根據所選發動機參數，其額定轉速為1 800r/min，輸出扭矩為15.5N·m，計算得Dmax≤0.34，選取微耕機通用高花紋輪胎300-8，其直徑為300mm，輪面寬為8cm。

2.4.2 主減速器的選型設計

由于整機為手扶式操作的小型農用收獲機械，考慮到了直接選用微耕機的變速箱作為試驗樣機的主變速箱，因為其結構布置形式及整機工況參數等均與本研究樣機類似。經調研對比，最終直接選擇了匯田農機HT-900的變速箱，其關鍵基本參數：

整體尺寸/mm：210×584

質量/kg：18

箱體材料：鑄鋁

減速比：23.83及17.3

最大輸出扭矩/N·m：950

檔位：兩進一空

2.4.3 各級傳動比設計計算

農業機械作業工作環境惡劣，沖擊載荷較為頻繁，因此在設計傳動時必須要充分考慮其可靠性。對于榨菜收獲試驗樣機的傳動設計，還需要考慮整機前進速度與夾持帶線速度的匹配，因此除發動機至減速箱采用皮帶傳動以保證工況下反饋回來的沖擊載荷不會對發動機造成損壞外，其他部分傳動均采用鏈傳動，以達到低速重載環境下較遠軸距間的動力傳遞和保持準確的傳動比[6-7]。

第1級帶傳動部分根據所選行走輪計算行走輪轉速為

(7)

則發動機至行走輪軸的傳動比為

(8)

其中，已知n=1 800r/min，v=2km/h，d=0.3m，聯立式(7)、式(8)得nz=35.37r/min，Iz=2.14。

第2級鏈傳動部分總傳動比為：

(9)

由于總的傳動比小于2，因此采用單級變速，其余部分采用固定傳動比為1的傳動方式，以提高總的傳動效率。

3 田間試驗

2016年1月30日，在重慶市涪陵區榨菜研究所榨菜種植基地進行了初步田間試驗，如圖7所示。根據扶葉高度、扶葉口寬度及夾持高度的不同分為3組試驗，試驗得到最優參數組合如表2所示。在扶葉高度為100mm、扶葉口寬度為200mm及夾持高度為200mm時，夾持成功率為92.30%。

圖7 試驗樣機田間試驗情況Fig.7 Field test of the experimental prototype表2 夾持拔取試驗結果 Table 2 Clamping and extraction of experimental results

扶葉高度/mm扶葉口寬度/mm夾持高度/mm夾持有效寬度/mm成功率/%100150200200242.5±64.892.30300300268.1±47.235.70200250185±6.766.70

試驗中，夾持輸送帶速度適當，榨菜拔起運行平穩，夾持輸送帶夾持力度適當，但對于個別根系特別發達的榨菜存在拔斷葉片的現象。同時，榨菜葉片進入夾持輸送帶中間時，存在葉片對中困難的問題?？偟膩碚f，田間試驗效果基本達到預期目標。

4 結論

該榨菜收獲機的研制為解決人工收獲榨菜勞動強度高、工作環境差及收獲效率低等問題打下了較好的基礎，填補了國內丘陵山區榨菜機械化收獲研發的空白。同時，通過理論分析確定了試驗樣機的結構原理和傳動路線，并通過計算確定了各個零部件的關鍵參數。通過三維建模軟件對試驗樣機各個零部件進行了三維建模和虛擬裝配，對試驗樣機進行了田間試驗論證，并通過田間試驗確定了收獲機扶葉及夾持部分的最優參數組合，為后續榨菜收獲機的改進設計提供了參考。

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