夾持輸送技術(shù)在蔬菜收獲機(jī)械中的應(yīng)用

趙慶南，王錦江，王 志，田 甜，趙永亮，崔 亮，洪 曼

(1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京100083；2.北京金輪坤天特種機(jī)械有限公司，北京100083)

0 引言

我國是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)和消費(fèi)國家，蔬菜播種面積、產(chǎn)量分別占世界總量的40%和50%以上[1-2]。統(tǒng)計(jì)資料顯示，2019年全國蔬菜種植面積穩(wěn)定在2 000萬hm2以上，年產(chǎn)量在7億t以上。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部重點(diǎn)監(jiān)測的28種蔬菜有根類菜(白蘿卜、胡蘿卜等)、莖類菜(洋蔥、馬鈴薯等)、葉類菜(甘藍(lán)、菠菜等)、花類菜(花椰菜、蒜薹等)、果類菜(黃瓜、番茄等)和菌類菜(平菇、香菇等)。蔬菜生產(chǎn)是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，勞動(dòng)力成本約占蔬菜生產(chǎn)總成本的65%，勞動(dòng)力成本的上升讓更多菜農(nóng)選擇種植省工蔬菜，如葉菜類、根莖類，而需要嫁接、不定期整枝打杈或吊蔓等費(fèi)工蔬菜的種植面積有所減少[3]。

蔬菜種類較多，收獲難度較大，目前我國的蔬菜收獲作業(yè)基本依靠人工完成。隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，農(nóng)村勞動(dòng)力的減少，研發(fā)蔬菜收獲機(jī)械，實(shí)現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)的機(jī)械化有助于提高我國農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率[4-5]。針對不同的蔬菜品種，在機(jī)械化收獲作業(yè)過程中，主要存在拔取(挖取)、夾持輸送、切割(頂部或根部)和收集等技術(shù)難題。

本文對蔬菜機(jī)械收獲流程中的夾持輸送通用關(guān)鍵技術(shù)與裝置進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)有蔬菜收獲機(jī)具進(jìn)行實(shí)例闡述，可為從事蔬菜收獲機(jī)械設(shè)計(jì)的科研人員提供參考。

1 夾持輸送技術(shù)與裝置

夾持輸送是蔬菜收獲機(jī)械中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，夾持輸送裝置需將與土壤分離的蔬菜平穩(wěn)輸送到下一流程，并在輸送過程中進(jìn)行切頂或切根等作業(yè)。在此過程中，夾持輸送帶自適應(yīng)蔬菜種植疏密度、外形尺寸等差異造成的工況動(dòng)態(tài)變化，蔬菜(或莖葉)與夾持輸送帶保持相對靜止，夾持輸送帶給蔬菜(或莖葉)一定的夾持力，防止蔬菜脫落或滑動(dòng)，但不能將蔬菜擠碎或夾斷，影響收獲質(zhì)量。夾持輸送裝置主要由機(jī)架、驅(qū)動(dòng)裝置、夾持輸送帶、壓緊裝置和拉伸彈簧等組成，如圖1所示[6-7]。

蔬菜收獲時(shí)，2條與地面呈一定提升角度的立式夾持輸送帶在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下做反向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，2條輸送帶保持線速度一致，并在壓緊裝置的作用下形成浮動(dòng)夾持輸送區(qū)域，使蔬菜(莖葉)從地表(地下)有序提升到下一工序，在輸送裝置的末端設(shè)有切根(切頂)機(jī)構(gòu)，2條輸送帶前端和尾部呈一定角度，便于蔬菜(莖葉)的順利抓取和分離。夾持輸送時(shí)蔬菜的受力分析如圖2所示。

蔬菜不脫落的條件為

μ(k1F1+k2F2)>G

式中μ——摩擦系數(shù)

F1、F2——相鄰的2個(gè)壓緊力，N

k1——壓緊力F1的轉(zhuǎn)換系數(shù)

k2——壓緊力F2的轉(zhuǎn)換系數(shù)

G——蔬菜的重力，N

摩擦系數(shù)與輸送帶表面花紋、結(jié)構(gòu)形狀、材料和蔬菜品種的生物力學(xué)特性等因素相關(guān)，壓緊力主要受拉伸彈簧彈性系數(shù)和形變的影響，轉(zhuǎn)換系數(shù)主要受壓緊裝置位置的影響。蔬菜輸送過程中的運(yùn)動(dòng)分析如圖3所示。

當(dāng)蔬菜連續(xù)喂入時(shí)，不發(fā)生堵塞的條件為

v1sinα≥v0

式中v1——輸送帶線速度，ms

α——輸送裝置提升角，(°)

v0——收獲機(jī)作業(yè)速度，ms

輸送裝置提升角主要受蔬菜品種、機(jī)具結(jié)構(gòu)尺寸和輸送前后工作機(jī)構(gòu)等因素影響。

在蔬菜的輸送過程中，為了避免蔬菜與輸送帶相對運(yùn)動(dòng)，2條輸送帶的線速度需保持一致，即主動(dòng)輪和從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速同步。輸送帶的驅(qū)動(dòng)方式主要有機(jī)械和液壓2種。機(jī)械驅(qū)動(dòng)多采用齒輪結(jié)構(gòu)將動(dòng)力分配給2個(gè)主動(dòng)輪，機(jī)械驅(qū)動(dòng)同步性能好，精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況調(diào)節(jié)不方便。液壓驅(qū)動(dòng)多采用液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪的方式，液壓驅(qū)動(dòng)同步性能比機(jī)械驅(qū)動(dòng)差，但布置簡單、工況調(diào)節(jié)方便。在蔬菜收獲流程中包括多個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此，收獲機(jī)械一般都配有液壓泵站為夾持輸送帶液壓驅(qū)動(dòng)提供動(dòng)力。

液壓馬達(dá)的同步驅(qū)動(dòng)回路主要有流量控制和體積控制2種，如圖4所示。流量控制同步回路是利用流量控制元件(節(jié)流閥、調(diào)速閥和分流閥等)的作用，使通過每路工作單元的流量一致，從而使液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速一致，流量控制同步回路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，同步精度相對較低，系統(tǒng)回路如圖4a所示。體積控制同步回路是在不考慮執(zhí)行元件泄漏和液壓油液壓縮效應(yīng)的情況下，利用執(zhí)行元件輸入流量與輸出流量相等的原理，使每路油路中串聯(lián)的各執(zhí)行元件輸入流量或并聯(lián)的幾組執(zhí)行元件保持相等，從而實(shí)現(xiàn)同步驅(qū)動(dòng)，體積控制同步回路控制元件少，系統(tǒng)精度比較高，系統(tǒng)回路如圖4b所示[8]。

2 典型應(yīng)用

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年全國蔬菜品種播種面積位居前10位的有胡蘿卜、結(jié)球甘藍(lán)等，這2種蔬菜的生物特性和種植模式有利于機(jī)械化收獲作業(yè)，國內(nèi)外相關(guān)廠家和科研機(jī)構(gòu)對胡蘿卜和結(jié)球甘藍(lán)收獲機(jī)械進(jìn)行了大量研究，開發(fā)了多種型號(hào)的收獲機(jī)產(chǎn)品。

典型的胡蘿卜收獲機(jī)有Dewulf公司生產(chǎn)的ZBⅡ系列收獲機(jī)、SIMON公司生產(chǎn)的PS系列收獲機(jī)(圖5)、Asa-Lift公司生產(chǎn)的T系列收獲機(jī)、Kubota生產(chǎn)的CH-201C型收獲機(jī)、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的自走式雙行胡蘿卜聯(lián)合收獲機(jī)和中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的履帶式胡蘿卜收獲機(jī)等[9-10]。這些機(jī)具的工作原理均是通過扶禾器將胡蘿卜秧收攏，在夾持輸送帶和松土鏟的作用下將胡蘿卜拔起，然后提升到下一工序。為了增加輸送帶的夾持輸送能力，將輸送帶表面設(shè)計(jì)為齒形，在浮動(dòng)壓緊機(jī)構(gòu)的作用下，胡蘿卜秧被有效夾持，可減少胡蘿卜秧密度等因素造成的影響，增強(qiáng)夾持輸送裝置的自適應(yīng)性。

典型的甘藍(lán)收獲機(jī)有Hortech公司生產(chǎn)的RAPID型收獲機(jī)、Vanhoucke公司生產(chǎn)的收獲機(jī)(圖6)、洋馬農(nóng)機(jī)株式會(huì)社的HC-125型收獲機(jī)和農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研發(fā)的4GYZ-1200型甘藍(lán)收獲機(jī)等[11-12]。上述機(jī)具的工作原理均是通過拔取部件將甘藍(lán)從地面拔起，通過夾持輸送帶將甘藍(lán)輸送至切根工序位。為了防止甘藍(lán)在輸送過程中發(fā)生脫落現(xiàn)象，輸送帶設(shè)計(jì)寬度一般大于甘藍(lán)直徑，并在輸送帶表面設(shè)計(jì)有凹槽或D型夾具，壓緊機(jī)構(gòu)采用浮動(dòng)設(shè)計(jì)，可增加機(jī)具對不同形狀、大小甘藍(lán)的適應(yīng)能力，同時(shí)使輸送帶對甘藍(lán)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膴A持力。為了增強(qiáng)甘藍(lán)的喂入性能，夾持輸送裝置的從動(dòng)輪采用浮動(dòng)設(shè)計(jì)，可根據(jù)甘藍(lán)外形大小擺動(dòng)一定角度，并保持合適的夾持力。

3 發(fā)展趨勢

3.1低損傷收獲

蔬菜的損傷率是評(píng)價(jià)收獲機(jī)械性能的重要指標(biāo)[4]。針對適宜機(jī)械收獲的蔬菜品種，開展生物力學(xué)特性研究，測試蔬菜的擠壓破碎力等參數(shù)，為夾持輸送裝置的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。在保證將蔬菜有效輸送、提升的基礎(chǔ)上，優(yōu)化夾持輸送的結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)，開發(fā)低損傷夾持輸送技術(shù)與裝備，將蔬菜在夾持輸送流程的損傷降到最低，保障蔬菜品質(zhì)。

3.2開發(fā)專用輸送帶(夾具)

蔬菜收獲機(jī)械專用性強(qiáng)，每種蔬菜在夾持輸送過程中的接觸位置、夾持力等差異較大，針對同類或同品種的蔬菜開展物理特性研究，結(jié)合新材料、新工藝等先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)專用輸送帶或夾具，優(yōu)化輸送帶或夾具的結(jié)構(gòu)、材料和接觸面參數(shù)，保證蔬菜的可靠夾持，實(shí)現(xiàn)蔬菜的有序輸送、提升，為后續(xù)切根、切頂或其他工序的正常運(yùn)行提供保障。

3.3結(jié)合農(nóng)藝，開發(fā)蔬菜收獲機(jī)械及其關(guān)鍵部件

在現(xiàn)代蔬菜的生產(chǎn)過程中，收獲機(jī)械化的實(shí)現(xiàn)離不開農(nóng)藝的支持，二者相輔相成。在蔬菜生產(chǎn)過程中，往往因品種不同形成了種植模式差異，為收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)和開發(fā)帶來困難。結(jié)合常用種植模式、生產(chǎn)農(nóng)藝，開發(fā)通用性蔬菜收獲機(jī)及其關(guān)鍵部件，通過調(diào)整機(jī)具參數(shù)，兼顧其他少數(shù)種植模式的機(jī)械化收獲作業(yè)，提升蔬菜生產(chǎn)的機(jī)械化水平。

4 結(jié)束語

隨著農(nóng)村勞動(dòng)力的減少和人工生產(chǎn)成本的增加，實(shí)現(xiàn)適宜品種收獲機(jī)械化作業(yè)是蔬菜行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。隨著農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)的推進(jìn)，省工蔬菜種植面積的增大，為蔬菜收獲機(jī)械化的發(fā)展帶來了機(jī)遇。結(jié)合蔬菜生產(chǎn)農(nóng)藝，借鑒國內(nèi)外同類或相似裝備的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)低損傷的專用收獲機(jī)械及其關(guān)鍵部件，為實(shí)現(xiàn)蔬菜的機(jī)械化收獲提供技術(shù)支持和裝備保障，不斷促進(jìn)蔬菜行業(yè)的快速發(fā)展。