大棚作業(yè)綠葉菜收割機的研發(fā)與試制

袁正華

（上海世達爾現(xiàn)代農(nóng)機有限公司，上海市 200245）

0 引言

在大中城市，人民生活水平提高，飲食安全受到普遍重視，綠葉菜的播種、收獲等環(huán)節(jié)受到關(guān)注。在綠葉菜的耕、種、收等環(huán)節(jié)中，耕、種環(huán)節(jié)基本實現(xiàn)機械化作業(yè)，綠葉菜機械化收割還沒有得到普遍應(yīng)用。

上海市農(nóng)業(yè)農(nóng)村委高度重視雞毛菜、茼蒿、莧菜等綠葉菜收割，通過各種途徑著力解決綠葉菜收割的瓶頸問題。為了解決綠葉菜收獲的問題，本項目重點研究了上海地區(qū)綠葉菜的種植和收獲習慣，研制出適應(yīng)大棚作業(yè)的綠葉菜收割機。通過研究、試制、試驗等工作，研制樣機達到用戶對綠葉菜的收割需求，使用本收割機能夠提高勞動生產(chǎn)率、降低勞動強度、減少勞力成本等。

1 葉菜收割機基本構(gòu)造設(shè)計

本機主要由手扶行走底盤、輸送帶機構(gòu)、切割裝置、撥禾輪裝置、自動仿形裝置、電器控制系統(tǒng)等部分組成。電控系統(tǒng)主要由綠色環(huán)保的鋰電池作為動力源，由底盤驅(qū)動電機、輸送帶驅(qū)動電機、切割器驅(qū)動電機、仿形裝置的電動推桿和角度傳感器、處理器、線束及控制元件等組成。收割機基本構(gòu)造圖如圖1所示。

圖1 收割機基本構(gòu)造圖

2 關(guān)鍵部件研制

2.1 手扶行走底盤研制

適應(yīng)收割機作業(yè)要求，底盤需要在兩側(cè)壟溝中行走，根據(jù)上海蔬菜種植農(nóng)藝決定壟溝高度和寬度，左右輪胎中心距與壟溝中心寬度要一致，底盤要有良好的移動通過性能，離地間隙要高于壟溝深度。其他機構(gòu)和裝置安裝在底盤上，底盤需要有一定的承載能力。

手扶行走底盤由前側(cè)兩驅(qū)動輪、后側(cè)兩支撐輪組成，采用電機驅(qū)動差速器，驅(qū)動兩側(cè)驅(qū)動輪。底盤離地間隙，根據(jù)葉菜畦面壟溝深度和寬度進行設(shè)計，上海地區(qū)壟溝深度一般按15 cm、壟溝寬度平均按20 cm計算。

根據(jù)整機承載重量350 kg計算，驅(qū)動電機選用48V、1kW無刷電機帶二級減速，再通過減速箱實現(xiàn)最高1 km/h作業(yè)速度，人工變檔實現(xiàn)路上行走最高3 km/h。如圖2所示行走底盤結(jié)構(gòu)圖。

圖2 行走底盤結(jié)構(gòu)圖

2.2 輸送帶機構(gòu)研制

為了運送收割后的葉菜順利進入菜框，需要有專門輸送機構(gòu)。輸送帶必須采用環(huán)保食品級材料，才能確保收割后的蔬菜是安全可食用的。為了防止葉菜切割后滯留在割刀上方，導(dǎo)致被重復(fù)切割，需要在割刀上方配置撥禾輪裝置，撥禾輪將割刀割下的葉菜及時地從割刀上撥運到輸送帶上。

考慮到以鋰電池為動力源，是達不到液壓驅(qū)動這種大扭矩效果，對有一定驅(qū)動扭矩要求的輸送帶進行設(shè)計，收割機輸送帶漲緊了才能工作，漲得越緊，輸送帶平面就越平整，越有利于工作，但作用在主動輥的驅(qū)動扭矩也越大，所需電機功率也越大。

為了減少功率對電池消耗，對輸送部件結(jié)構(gòu)形式進行研究和設(shè)計。

1）從動軸由滑動形式改為滾動結(jié)構(gòu)，減少傳動阻力。

2）在主、從動軸之間，輸送帶上層工作面下設(shè)計安裝有托板，使得輸送帶運轉(zhuǎn)時上平面平整，達到了作業(yè)要求。此時對主動軸的驅(qū)動扭矩最低達到20 N·M。輸送帶下層安裝有托輥，防止輸送帶懸空，妨礙其他工作部件。采用這種傳動形式后，即可使用小功率電機，輸送帶張緊以不打滑為基準。輸送帶機構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 輸送帶機構(gòu)示意圖

3）輸送帶電機采用48V、500W無刷電機。

2.3 切割裝置研制

收割葉菜的切割裝置至少有這么四種類型，例如單刀循環(huán)式、單刀往復(fù)式、雙刀單動往復(fù)式、雙刀雙動往復(fù)式。每種類型的割刀，各有各的優(yōu)缺點。

適應(yīng)大棚內(nèi)畦面以上葉菜收割作業(yè)，適應(yīng)多種葉菜收割作業(yè)，割刀型式選用雙刀雙動往復(fù)式切割裝置，上下兩個刀片相對移動，移動速度相同，但移動方向相反。如圖4所示雙刀雙動往復(fù)式切割裝置。

圖4 雙刀雙動往復(fù)式切割裝置

割刀驅(qū)動方式采用齒條、齒輪和偏心輪模式，這種結(jié)構(gòu)能有效減少機器左右振動，驅(qū)動方式如圖5所示。

圖5 驅(qū)動方式示意圖

葉菜收割作業(yè)時，割刀切割頻率可以根據(jù)不同作業(yè)要求進行調(diào)整。為保證割刀的切刀性能，割刀運動時平均速度一般不能低于0.6 m/s，否則會出現(xiàn)將作物撕裂、扯斷、撥出及割刀堵塞等現(xiàn)象。

2.4 割臺前后、左右仿形裝置研制

在收割葉菜時，需要控制割茬在一定范圍內(nèi)，留茬太高造成收割損失，留茬太低割刀容易接觸泥土，造成泥土進入收割的葉菜里。地面仿形裝置，也就是割臺根據(jù)地面起伏情況，自動及時升降，確保割茬高度一致。

割臺仿形檢測機構(gòu)通過伸縮裝置達到調(diào)節(jié)割刀離地間隙調(diào)節(jié)的目的，其應(yīng)至少包含傳感器、左右聯(lián)動裝置、地面探測裝置、伸縮裝置。

割臺仿形裝置主要有左右升降電動推桿、探測器升降電動推桿、左右探測裝置（包括角度放大器）等組成，仿形裝置示意圖如圖6所示。通過安裝在輸送帶裝置的電動推桿2、3和桿端軸承1的三點，固定在行走底盤上。桿端軸承1固定，電動推桿2、3通過電控裝置實現(xiàn)輸送帶裝置整體升降或左右單獨升降。探測器升降電動推桿控制探測器的高低，根據(jù)農(nóng)藝要求，調(diào)節(jié)割刀的離地高度，也就是設(shè)定割茬高度。

圖6 仿形裝置示意圖

探測器示意圖如圖7所示，仿形裝置通過仿形探針的變化來獲取地面的高低信息。仿形探針檢測到高低變化，通過角度傳感器將信號傳送到處理器，處理器再發(fā)出信號給電動推桿，從而控制電動推桿升降，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)高度。

圖7 探測器示意圖

2.5 電器控制系統(tǒng)開發(fā)

電器控制系統(tǒng)包括驅(qū)動電控系統(tǒng)和仿形電控系統(tǒng)，主要有鋰電池、底盤驅(qū)動電機、輸送帶驅(qū)動電機、切割器驅(qū)動電機、仿形裝置電動推桿和角度傳感器、處理器、線束及控制元件等組成。通過軟件邏輯編程，界定各操作手柄的動作順序，進行互鎖、避免干涉。

仿形電控系統(tǒng)采用兩套控制模式：手動控制模式和自動仿形模式。

1）手動控制模式：可操作左、右推桿開關(guān)控制左、右推桿前進后退；可操作雙推桿開關(guān)同時控制左、右推桿動作，若雙推桿與左、右推桿開關(guān)沖突，以雙推桿為準；可操作側(cè)推桿開關(guān)控制側(cè)推桿位置，并在面板顯示該位置。

2）自動仿形模式：如圖8所示，左、右角度傳感器超過范圍后，根據(jù)10秒內(nèi)累加角度，自動調(diào)整左右推桿動作，并確保推桿不頻繁抖動。左右推桿各自獨立反饋及控制。

圖8 電控系統(tǒng)示意圖

3 田間作業(yè)試驗

試驗地點在上海市農(nóng)業(yè)科學院莊行綜合試驗站，試驗場地為8 m連棟大棚，每棟5壟畦面、畦面寬1 200 mm，壟溝深150 mm，兩壟溝中心距1 600 mm。作物對象雞毛菜，葉菜高度100～120 mm，設(shè)定割茬高度20 mm。

根據(jù)收割機作業(yè)情況，對各項目進行數(shù)據(jù)檢測、匯總、對比，各項指標值如表1所示。

表1 各項指標值

對比檢測結(jié)果，本機各項檢測值均已經(jīng)達到性能設(shè)計要求。割幅、割茬高度、凈菜率等指標滿足用戶需求。耳位噪聲、工作噪聲符合作業(yè)環(huán)境安全環(huán)保要求。

4 結(jié)論與設(shè)計改進

通過綠葉菜收割機研制和試驗，并經(jīng)過大量的調(diào)查研究，得出如下結(jié)論：

1）本收割機結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，采用鋰電池作為動力源，符合綠色環(huán)保要求。

2）本收割機采用自動仿行機構(gòu)和電控系統(tǒng)設(shè)定割茬高度，使割茬高度穩(wěn)定，提高作業(yè)凈菜率，同時降低工人操作強度。

3）本收割機采用雙動刀切割裝置，切割性能良好、作業(yè)效率高，適合多種葉菜的切割、收集。

本收割機通過試驗，也發(fā)現(xiàn)有待改進完善之處，進一步滿足適應(yīng)用戶收割葉菜需要。具體改進設(shè)想如下：

1）依托現(xiàn)有收割機驅(qū)動平臺、輸送帶裝置和仿行裝置等，設(shè)計新的切割裝置，通過更換切割裝置，實現(xiàn)對畦面以下葉菜根部進行切割，割茬控制在0～15 mm之間。

2）增加對行線無人駕駛控制功能。對行線無人駕駛控制系統(tǒng)主要包括壟溝探測系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行線環(huán)境適應(yīng)系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)。通過機電一體化配合，讓設(shè)備在無人駕駛狀態(tài)下依舊能夠安全穩(wěn)定運行，保證作業(yè)安全、提高作業(yè)效率。