雙行自走式大蔥收獲機(jī)的設(shè)計(jì)研究

劉敬偉，李玉華，吳彥強(qiáng)，侯加林，牛子儒，王建國(guó)，竇廣義

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018； 2.濟(jì)南鑫光試驗(yàn)機(jī)制造有限公司，濟(jì)南 250200)

0 引言

大蔥是我國(guó)廣泛栽培的調(diào)味蔬菜及經(jīng)濟(jì)作物，在蔬菜產(chǎn)業(yè)中占有很重要的地位，中國(guó)的大蔥種植面積和產(chǎn)量均居世界前列。大蔥生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，收獲環(huán)節(jié)用工量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高，但機(jī)械化收獲水平非常低,大部分地區(qū)還主要依靠人工收獲,少部分地區(qū)使用大蔥挖掘機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)大蔥挖掘，后期需要人工撿拾[1-4]。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家所使用的大蔥聯(lián)合收獲機(jī)分為牽引式和自走式兩類：日本、韓國(guó)等地區(qū)主要使用的是小型自走式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)，動(dòng)力小、單行收獲；歐美地區(qū)大多采用大型側(cè)牽引式大蔥聯(lián)合收獲機(jī)，機(jī)具由大馬力拖拉機(jī)帶動(dòng)，作業(yè)和傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)了電液自動(dòng)化，行走速度快、作業(yè)效率高，能夠應(yīng)用于大規(guī)模的收獲作業(yè)[5-8]。受國(guó)內(nèi)種植模式和價(jià)格的限制，國(guó)外的機(jī)械很難得到應(yīng)用和推廣，且隨著農(nóng)村土地規(guī)模化進(jìn)程加快及農(nóng)村勞動(dòng)人口減少，大蔥收獲難題成為制約大蔥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，因此研制適合中國(guó)國(guó)情的大蔥收獲機(jī)成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

為此，結(jié)合大蔥種植模式和農(nóng)藝要求，同時(shí)借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，研制了自走式雙行大蔥收獲機(jī)，并進(jìn)行了相關(guān)性能試驗(yàn)，以期解決大蔥收獲難題。

1 總體方案及技術(shù)參數(shù)

1.1 種植模式及農(nóng)藝要求

本機(jī)適用于壟作大蔥收獲，種植模式為單行單壟，如圖1所示。每行壟高300mm，壟寬700mm，平均壟距150mm，大蔥的最大生長(zhǎng)深度約為250mm，外形尺寸平均頸粗約為40mm。

圖1 大蔥壟作種植模式

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

針對(duì)大蔥的種植模式和農(nóng)藝要求，為提高整機(jī)的工作效率、減少對(duì)土壤的壓實(shí)，采用自走式雙行大蔥收獲機(jī)，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.分土盤 2.挖掘鏟 3.鏟柄 4.液壓馬達(dá) 5.主傳動(dòng)軸 6.伸縮液壓缸 7.底盤 8.履帶 9.收集箱 10.發(fā)動(dòng)機(jī) 11.傳送帶 12.夾持帶 13.二次去土裝置 14.扶禾器 15.操作臺(tái) 16.座椅 17.油箱 18.去土鏈 19.匯集器

整機(jī)主要由履帶式底盤、傳動(dòng)系統(tǒng)、挖掘抖土裝置、夾持輸送裝置、二次去土裝置和收集裝置等組成。該機(jī)能夠同時(shí)完成2行大蔥收獲，具體的工作過(guò)程：行進(jìn)過(guò)程中，挖掘抖土裝置完成挖掘松土和對(duì)大蔥根部的抖土工作；大蔥通過(guò)雙行匯集裝置進(jìn)行雙行的匯集,匯集過(guò)程中大蔥的莖葉由扶禾器扶持，隨后大蔥進(jìn)入夾持輸送裝置；夾持輸送的過(guò)程中，二次去土裝置將大蔥根部的土壤再次清除，大蔥再由夾持輸送裝置帶動(dòng)運(yùn)送到機(jī)器上端，由收集裝置進(jìn)行收集，完成收獲作業(yè)。

1.3 技術(shù)參數(shù)

根據(jù)大蔥的種植模式和農(nóng)藝要求,整機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 雙行自走式大蔥收獲機(jī)的主要參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)的工作過(guò)程：發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸動(dòng)力通過(guò)皮帶傳送到變速箱，變速箱將動(dòng)力通過(guò)皮帶傳到主軸。主軸將動(dòng)力分為兩路：一路帶動(dòng)二次去土裝置和夾持輸送裝置；另一路由夾持輸送裝置又傳遞到運(yùn)送裝置。其傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 傳動(dòng)系統(tǒng)圖

2.2 分土盤的設(shè)計(jì)

分土盤位于挖掘鏟前端,負(fù)責(zé)在挖掘前對(duì)蔥壟兩側(cè)的土進(jìn)行分離,方便后續(xù)挖掘抖土和夾持輸送作業(yè),如圖4所示。其工作參數(shù)主要有分土角α和分土寬度H,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。分土角α越小則入土性能越好,本機(jī)型采用25°，分土寬度則根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)。

2.3 挖掘鏟

挖掘鏟在工作過(guò)程中，其切斷根須的能力主要取決于鏟刃斜角θ，如圖5所示。θ過(guò)小時(shí)，大蔥根須易滑脫，不易切斷；θ過(guò)大時(shí)，大蔥根須易纏結(jié)在鏟尖周圍，造成堵塞。為了使挖掘鏟有較好的切割性能，鏟刃斜角應(yīng)滿足下面關(guān)系式[9]，即

θ<90°-φ

式中φ—土壤對(duì)挖掘鏟面的摩擦角(°)。

土壤對(duì)鋼的摩擦因數(shù)tanφ=0.4～0.7，在此取θ=60°。

圖4 分土盤結(jié)構(gòu)圖

θ.鏟刃角(°) L.鏟面寬度(mm)

2.3.1 雙行匯集裝置

雙行匯集裝置(見圖6)主要包括柵格狀的匯集帶和傳動(dòng)帶輪，主要功能是完成大蔥在挖掘后的匯集，與扶禾器一起實(shí)現(xiàn)大蔥扶正功能。兩柵格之間寬度為C，柵格間寬度應(yīng)能夠滿足單個(gè)大蔥通過(guò)，且不造成過(guò)多土壤堆積在匯集裝置造成擁堵，因此取50mm。

1.匯集帶 2.傳動(dòng)帶輪

2.3.2 鏈條抖土裝置

鏈條抖土裝置由鏈輪驅(qū)動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)固定在鏈條上的桿條隨鏈條一起轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)大蔥根部的土壤進(jìn)行抖動(dòng)去除，還有輔助輸送的作用，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度應(yīng)當(dāng)大于機(jī)器前進(jìn)速度，否則沒(méi)有抖土效果，如圖7所示。

1.傳動(dòng)鏈輪 2.鏈條 3.桿條

2.4 扶禾與夾持輸送裝置

扶禾裝置的主要功能是保證大蔥在進(jìn)入夾持輸送裝置前能夠得到有效的扶持，夾持輸送裝置能夠通過(guò)夾持帶的拔起力將大蔥拔起，隨后大蔥被輸送到機(jī)器的頂端。工作過(guò)程中，扶禾裝置在蔥葉下方，能夠?qū)⑹[葉聚攏且不會(huì)造成損傷，夾持帶后面設(shè)有張緊裝置，保證平穩(wěn)輸送大蔥。

2.4.1 夾持輸送裝置參數(shù)的確定

夾持輸送裝置的夾持帶采用軟質(zhì)橡膠材料，在拔起和夾持大蔥蔥頸的過(guò)程中不會(huì)對(duì)大蔥造成損傷,其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

夾持輸送裝置的原理如圖9所示,兩帶輪帶動(dòng)夾持帶轉(zhuǎn)動(dòng),夾持帶由張緊裝置進(jìn)行張緊。在收獲過(guò)程中，兩帶輪開口處將大蔥頸部夾緊拔起,大蔥被夾持帶帶動(dòng)向機(jī)器上方運(yùn)動(dòng),帶輪的直徑主要由大蔥頸部的摩擦角β決定,即

其中，β為大蔥頸與夾持帶之間的摩擦角(°)；D為帶輪的直徑和帶厚之和；d為大蔥直徑。

1.扶禾器 2.夾持帶 3.固定支架 4.張緊裝置

D.帶輪和帶的直徑(mm) d.大蔥直徑(mm)，取d=20～40

2.4.2 二次去土裝置的設(shè)計(jì)

二次去土裝置，如圖10所示。該裝置主要負(fù)責(zé)對(duì)輸送運(yùn)輸狀態(tài)下的大蔥根部進(jìn)行去土作業(yè)，去土輥能夠去除根附著在須根上的雜土和死皮。

1.傳動(dòng)軸 2.去土輥

3 樣機(jī)性能試驗(yàn)及分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對(duì)大蔥收獲機(jī)進(jìn)行性能及生產(chǎn)考核試驗(yàn)，驗(yàn)證大蔥收獲機(jī)正情況下的作業(yè)效果，以及樣機(jī)在本地區(qū)是否具有先進(jìn)性、適用性及安全性。

3.2 試驗(yàn)地點(diǎn)及土壤條件

試驗(yàn)地點(diǎn)選在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)大蔥生產(chǎn)基地，收獲的氣溫為30℃，田內(nèi)土壤平均濕度為37℃，土壤類型為沙土。

試驗(yàn)時(shí)的收獲距離為15m，重復(fù)4次；分別記錄每次試驗(yàn)所用的時(shí)間、大蔥收獲的總株數(shù)及損傷的個(gè)數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算獲得收獲機(jī)的性能參數(shù)，如表2所示。

表2 大蔥聯(lián)合收獲機(jī)性能參數(shù)

試驗(yàn)過(guò)程中，樣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作安全可靠，主體功作部件能夠有效完成大蔥的挖掘、抖土、夾持運(yùn)輸和收集作業(yè)，工作過(guò)程協(xié)調(diào)而通暢。大蔥在收獲過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)各項(xiàng)作業(yè)功能。同時(shí)，樣機(jī)在試驗(yàn)的過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題：

1)在挖掘過(guò)程中，由于設(shè)置有較深的挖掘深度，因此挖掘鏟所受的阻力較大，入土穩(wěn)定性和鏟面強(qiáng)度都有待提高。在接下來(lái)的優(yōu)化改進(jìn)中，應(yīng)該深入研究分析挖掘鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及入土的穩(wěn)定性，保證大蔥挖掘時(shí)的質(zhì)量和效率。

2)大蔥在夾持運(yùn)輸?shù)巾敳窟M(jìn)行鋪放時(shí)，還需要人工進(jìn)行整理和擺放，會(huì)耗費(fèi)一定的勞動(dòng)力，解決辦法是設(shè)置一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)有序鋪放的裝置用來(lái)節(jié)省勞動(dòng)力，提高自動(dòng)化。

4 結(jié)論

1)根據(jù)國(guó)內(nèi)大蔥的種植模式，研制出了雙行自走式大蔥收獲機(jī)，該機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)大蔥的挖掘抖土、雙行匯集、夾持輸送和二次去土等功能。

2)該挖掘抖土裝置的設(shè)計(jì)為雙行收獲，雙鏟翼為三角狀，減小了鏟面與土壤的解除面積，降低了阻力，提高了切斷性能；能夠根據(jù)需要針對(duì)不同土壤條件調(diào)節(jié)入土的角度及挖掘深度等工作參數(shù)；雙行匯集能夠完成大蔥兩行收獲的匯集到一起的功能，提高了收獲效率。

3)張緊裝置能夠有效地對(duì)大蔥進(jìn)行夾緊，而柔性橡膠的夾持帶能夠保證在夾緊過(guò)程中大蔥不會(huì)被損傷。