小型葉類蔬菜收獲機的設計

王 歡 況威權 孫 濤

（南昌工程學院 機械與電氣工程學院，江西 南昌330099）

我國是蔬菜大國，蔬菜種植種類居世界首位，蔬菜產量占世界總產量的60%左右[1]。目前，大多數青菜的收獲一般均采用人工采收，勞動強度大、收獲效率低。隨著葉類蔬菜產業的快速發展和農村勞動力的短缺，研制開發葉類蔬菜采收機械，特別是機械化有序收獲，具有重要意義。

1 葉類蔬菜收獲機的整體方案設計

葉類蔬菜收獲機主要由收割模塊、夾取模塊、行走模塊、輸送模塊、高度調節模塊、五大模塊組成，收割模塊主要由鏈式循環切刀、固定擋板組成，夾取模塊主要由夾取輸送帶、擋菜板、兜底板組成，輸送模塊主要由輸送帶、滾筒、滾軸組成，行走模塊主要由機架、履帶組成，高度調節模塊主要由支撐軸、旋轉支座、絲杠組成，其結構如圖1 所示。

圖1 葉類蔬菜收獲機整體結構圖

其工作原理為：蔬菜進入機器的收集范圍，此時夾取輸送帶將蔬菜往機器內部輸送，與此同時鏈式循環切刀將蔬菜根部切斷，擋菜板將擋住蔬菜，防止蔬菜在鏈式循環切刀的作用下產生偏移，之后夾取輸送帶將被切根的蔬菜運入輸送裝置中，輸送裝置將蔬菜進行規整，從而實現有序收獲。

2 葉類蔬菜收獲機關鍵模塊設計

2.1 收割模塊的設計

目前收獲機械的切割裝置一般采用往復式切割器和回轉式切割器。往復式切割器主要優點在于整個切割過程連續化，切割性能較好，但其工作中會產生較大的往復慣性力，對機器的前進速度也有一定的限制。回轉式切割器主要優點在于切割能力強，適用于高速作業中，且回轉慣性較小，工作時產生的振動較小，但這種切割器受圓盤直徑的限制，割幅較窄，切割率較低，并且動刀片的壽命短，維修費用高[2]。

本文采用了一種鏈式循環切刀，其結構如圖2 所示，支撐桿用以固定鏈輪且便于連接至收獲機器主體上去，切割刀片固定于傳動鏈上，鏈輪轉動帶動切割刀片進行運動，而固定擋板則其一定的固定作用，防止切割刀片發生較大的偏移。該切割裝置綜合了回轉式切割器與往復式切割器的優點，利用鏈刀的高速旋轉實現對蔬菜根部的切割，切割力較強，切割效率高，并且由于鏈式結構的靈活性，在遭遇雜物時可自動偏離，不會對刀具造成較大的損壞，減少刀具在切割過程的損傷。除此之外，鏈式循環切刀割幅大，可一次收集一排蔬菜，且其循環運轉，易實現收獲過程的連續化，大大提高了收集效率，并且配合固定擋板，可減少鏈傳動在工作過程的振動，防止切割刀片的過度偏移。

圖2 鏈式循環切刀

2.2 夾取模塊的設計

夾取模塊的作用主要在于將引導蔬菜作物向切割裝置靠近，在切割裝置切割時起一定的固定作用，將被切割后的蔬菜引導進入輸送裝置上。目前蔬菜收獲機械上采用的輔助裝置主要為撥禾輪和帶式夾持機構。撥禾輪其結構簡單，工作效率高，但其在工作過程中對蔬菜的損傷較大，且難以實現有序收獲[3]。帶式夾持機構輔助切割器進行切割的同時將收獲后的蔬菜向機器內部輸送，可實現有序收獲，但在工作過程中可能會因為摩擦力而對蔬菜造成損傷，且成本較高[4]。

本文以帶式夾持機構為基礎，本文創新設計了一種新型夾取裝置，該裝置由夾取輸送帶、擋菜板、兜底板和柔性橡膠管（也可以是柔性橡膠板）組成，其結構如圖3 所示。

該結構特點在于設計較大的開口，可以容納大部分蔬菜進入，通過調整擋菜板的距離來適應蔬菜的直徑大小，具有良好的適用性。并且蔬菜輸送過程是利用柔性橡膠管與擋菜板間的支撐進行，取代帶式夾持裝置的摩擦力傳輸，可減少蔬菜在輸送過程中的損傷，且可實現有序收獲，其工作原理如圖4 所示。

圖3 夾取模塊

圖4 夾取模塊工作原理圖

經測定，在夾取機構傾角為20°時，作用于菠菜上的力最小，此時進行夾取輸送對菠菜的損傷最小，且更為省力，故應將夾取模塊與水平地面成20°安裝。

2.3 行走模塊的設計

蔬菜收獲機械需要邊移動邊進行工作，而大多葉類蔬菜的種植地土壤均較為濕潤，且地面多為起伏，工作環境較為復雜。符合蔬菜收獲機械要求的行走應符合下列要求：（1）對蔬菜種植地的土壤破壞較小，具有良好的通過能力；（2）在工作時應能靈活轉向，可適應各類復雜工作環境的行走要求；（3）行走時應具有良好的穩定性，保證蔬菜收獲機械可自主穩定工作。

目前大多數蔬菜收獲機械均采用輪子和履帶兩種行走裝置。采用輪子行走裝置轉向靈活，機動性強，且行走阻力較小，經濟耐用，但其在多泥土的工作環境下易沾泥，穩定性較差，安全性不足；而履帶行走裝置可適應于各類復雜工作環境的運動，對蔬菜種植地的土壤破壞較小，具有良好的通過能力，且其在行走時具有十分優良的穩定性，方便遙控其自主工作。

考慮到本機器體積較小，質量較輕，且需采用遙控控制，要求工作穩定性高，且機器需要有較好的適用性，能在各類復雜環境下工作，故本機器采用履帶式行走機構，其結構如圖5 所示。為克服傳統履帶式行走的缺點，本文采用無接頭橡膠履帶進行工作，無接頭橡膠履帶具有速度快、噪音低、振動小、牽引力大等多個優點，且行走過程中不損壞地面，接地比壓小，且具有高強度拉伸力和長久的使用壽命[5]。

2.4 輸送模塊的設計

農業機械中輸送物料的輸送方式一般有鏈傳動、帶傳動及氣力傳動。而帶傳動因其工作平穩可靠、噪聲小、對蔬菜表面損傷低等特點，成為蔬菜收獲機械上輸送的主要方式[6]。目前蔬菜收獲機械上的輸送裝置一般采用傾斜單帶式輸送器，針對不同的蔬菜品種，具有不同的傾斜角度，一般均為15°～30°之間，不具有適用性，且會增加機器的功耗，并且利用傾斜單帶式輸送器的蔬菜收獲機械收獲后的蔬菜都較為散亂，難以實現有序收獲。

圖5 履帶式行走機構

經過夾取模塊后的蔬菜呈豎直放置，若直接掉落在地面上會十分散亂，不能實現完整意義上的有序收獲。考慮上述問題，本機器采用水平單帶式輸送器，并且在帶式輸送器上方加裝固位擋板，其結構如圖6 所示。為了減少蔬菜輸送過程中的損傷，輸送帶采用柔性橡膠皮帶，且可在表面附著一層太空棉，固位擋板可對蔬菜進行規整，方便輸送后人工直接收集處理。

圖6 水平單帶式輸送器

考慮蔬菜種植地一般是人工平整，表面凹凸不平，高度不一，為了使整個裝置具有較好的適用性，可以收獲各類農藝不同的蔬菜，需要在裝置上加裝高度調節裝置。目前常用的高度調節裝置主要是電機加滾珠絲杠調節，滾珠絲杠調節具有精度高、穩定性好、剛度高、運動平穩等多個特點，且在傳動過程中無爬行現象，具有較為優良的調節特性。

3 結論

本文所設計的葉類蔬菜收獲機械具有較好的穩定性、快速性、適應性等特點，操作簡單，實現較高自動化。五大模塊，相互之間協同工作，大大的提高了生產率，為研發蔬菜收獲機器人及實現低損傷、有序收獲等蔬菜采收技術提供了參考。