一種基于莖葉類蔬菜的收獲機柔性夾持輸送裝置

楊凱凱 胡 昀

（寧夏工商職業技術學院，寧夏 銀川 750021）

1.引言

我國是一個名副其實的農業大國，擁有規模相當大的蔬菜種植面積，然而從當下我國蔬菜種植現狀來看，主要還是依靠傳統人工方式開展工作，配套機械自動化水平不高，尤其是針對收獲環境的機械設備更是缺少。根據相關研究數據顯示，在蔬菜整個種植過程中，收獲環節的作業規模占據了總作業量的4成左右，并且當下該環節主要還是依靠人工勞作來完成，不僅需要消耗大量的人力，同時也難以有效提升蔬菜收獲的效率，不利于保證蔬菜收獲的及時性。在現代社會環境下，用人成本越來越高，這必然會影響到蔬菜種植戶的經濟收益，不利于提高自身的市場競爭力。所以，積極開展農業收獲自動化機械的設計與開發工作，對于改善我國農業生產效率、提升種植戶經濟收入具有十分重要的作用。為了有效解決現階段我國蔬菜種植中存在的問題，我國許多專家學者開展了大量研究工作，研究方式主要包含了兩個方面，分別是從國外引進成熟的農業自動化機械，然后依照我國實際種植狀況，對其進行相應的改造與優化，這種農業機械性能穩定、工作效率高，相比較于人工勞作，其工作效率能夠提高5倍左右；其次是自主研究與開發相關農業機械配套設施，機型結構規模較小，靈活性高，也能夠很好地滿足農業收獲需求，特別是大棚與溫室作業環境中。然而，我國現代農業機械盡管能夠實現輸出的收獲，但是還不具備有序放置的功能，依舊需要通過人工進行二次勞作，本文探究的莖葉類蔬菜收獲機實現了蔬菜收獲的有序排放，并配套了一個柔性夾持輸送裝置，能夠降低對蔬菜的損壞，保證收獲機的整體工作效果。

2.收獲機總體結構與工作流程分析

依照實際設計要求，確定蔬菜收獲機關鍵技術參數，具體如表1所示。收獲機總體架構如圖1所示，主要涵蓋了行走裝置、仿形輪、蝸輪蝸桿動力傳動裝置、水平傳輸機構、轉向機構、電動提升機構、輸送帶張緊機構、扶禾機構、切割機構以及分禾器等。

表1 莖葉類蔬菜收獲機關鍵技術參數

圖1 莖葉類蔬菜收獲機總體架構示意圖

莖葉類蔬菜收獲機在進行工作過程中，主要流程包含了以下幾個部分：

2.1 分禾

分禾器將蔬菜植株扶植起來，由于該裝置設計了的敞開角，所以能夠將蔬菜植株攏入到各個分禾器內部。

2.2 夾持

將各個莖葉類蔬菜植株輸送到夾持裝置。

2.3 切割

割刀安裝設定的速度做水平往復直線運動，將植株的根莖切割下來。

2.4 輸送

收獲機向前運動，提升機構將蔬菜植株運輸到轉向裝置，與此同時在輸送帶上方設置有扶禾機構，防止出現長蔬菜植株倒塌在輸送帶上。

2.5 轉向

蔬菜植株在運輸到轉向裝置之后，在沒有上方夾持力的作用下，再加上蔬菜植株底部受到轉向機構的阻擋，會使其有序的轉向到水平輸送線上。

2.6 裝載

蔬菜植株在水平輸送帶的作用下，會有序轉移到儲料口側，之后進入到集裝箱或者太空袋中，實現蔬菜植株的有序存儲。

3.柔性夾持輸送裝置設計

在莖葉類蔬菜收獲機總體結構中，夾持輸送裝置占據了極其重要的地位，該裝置工作效果將直接影響到蔬菜收獲品質，所以夾持力大小的選取十分重要。當夾持力不足時，極易導致蔬菜的掉落，當夾持力過大時，可能會對蔬菜莖部產生損壞，降低蔬菜經濟價值。為了解決這樣的問題，本文設計了一種柔性夾持輸送裝置，其結構示意圖如圖2所示。

圖2 莖葉類蔬菜柔性夾持輸送裝置結構示意圖

柔性夾持輸送裝置涵蓋了分禾器、主從動帶輪、切割機構、夾持帶、扶禾機構以及夾持輪等部分。由于蔬菜類莖稈的外徑尺寸差別較大，所以在該機構中應用了雙帶式夾持方式，更好滿足不同蔬菜莖稈對夾持形式與夾持力的要求。夾持輸送裝置以左右對稱方式布置在前進方向機構的兩側，使得夾持輸送線中心線和莖葉類蔬菜種植中心線保持一致。夾持輪也能夠實現對輸送帶的張緊，設置在夾持帶兩邊。柔性夾持輸裝置運行動力來自直流可調速電機，依托于渦輪蝸桿動力傳輸機構，驅動夾緊帶往上進行提升運動。

3.1 輸送帶傾斜角度選取

柔性夾持輸送裝置在實際工作過程中，其運行面會與水平面保持一定的夾角，如圖3所示，輸送裝置傾斜角的選取直接關系到莖葉類蔬菜收獲效果。在本設計中，選取的輸送帶傾斜角為15°±5°，輸送帶初始位置和切割機構相連，最大程度確保夾緊帶靠近蔬菜根部，夾持住蔬菜莖部。

圖3 莖葉類蔬菜收獲機輸送帶工作方式圖

正常情況下，柔性夾持裝置夾持點距離地面高度H為：

上述公式中，h表示為割刀距離地面的垂直高度，D表示帶輪外徑，α表示為輸送裝置與水平面的夾角。

蘆蒿根莖外徑一般為15mm左右，留茬高度通常為30mm左右，設定輸送帶輪中心距離為1100mm，讓莖葉類蔬菜在恒定傾斜角的背景下確保輸送機構的有效提升高度，與相鄰的水平輸送機構相配合，實現蔬菜的有序、穩定輸送。

3.2 夾持帶夾持方式的選擇

根據莖葉類蔬菜實際夾持需求，選取同步齒形帶為夾持帶，該類型帶擁有瞬時傳動比準確性高、傳動效率好、速度穩定、噪聲低、耐沖擊性能優越、維護簡便以及初始張緊力較低等優勢，能夠確保整個傳輸過程穩定、可靠，確保蔬菜植株能夠有序進入到水平輸送帶，有效降低沖擊載荷。

3.3 夾緊輪結構設計

夾緊輪外徑大小會對輸送效果產生非常大的影響，如果夾緊輪外徑尺寸偏小，會導致相連夾緊輪之間的距離尺寸偏大，對蔬菜植株的夾持力會變小，極易導致輸送過程中蔬菜植株出現掉落的情況；如果夾緊輪外徑尺寸偏大，會造成相連夾緊輪之間的距離尺寸偏小，降低蔬菜植株的實時運輸量，不利于提升收獲機的整體工作效率。

同步動在長時間工作以后會出現塑性變形，產生松弛問題，對裝置正常運行與夾持效果產生較大影響，所以應當要為夾持裝置配置張緊裝置，確保夾持牢固可靠。在本設計中，夾持輪也能夠發揮張緊輪的作用，通過松開夾持輪安裝螺栓，可以實現夾持輪安裝位置的調整。依托于改變張緊輪軸心位置改變張緊力大小，確保夾持帶始終保持張緊狀態。通過這種設計方式，在保證裝置穩定可靠運行的同時，也能夠降低裝置拆卸、維修的便捷性。

3.4 輸送速度的選擇

因為收獲機正常行走速度在3～6km/h，所以提升輸送裝置的運行速度應當要高于行走速度，確保蔬菜植株能穩定夾持，有效防范較多蔬菜積壓在提升機構中。當作業速度太高時，會同步帶動蔬菜植株快速運行，從而難以有序進入到橫向輸送帶上，同時還容易對蔬菜產生較大損傷。所以，在進行設計過程中，應當要確保能夠調整速度，調整幅度控制在0.5～0.9m/s。水平輸送速度應當要適當高于提升輸送機構運行速度，避免大量蔬菜植株積壓在輸送帶前端，但是如果運行速度過高時，會出現較多的空行程現象，浪費較多功率，同時也會導致蔬菜植株進入到集裝箱中的速度過高，造成蔬菜的損壞，降低蔬菜的經濟價值。為此，綜合各方面因素，在本設計中確保水平輸送帶的速度略高于提升輸送裝置的工作速度，大約為0.1m/s。

4.結語

綜上所述，柔性夾持輸送裝置是莖葉類收獲機中十分重要的一個部位，在實際設計過程中，要特別注重夾持形式的選擇、夾持力的選取等，這些都具有較大的難度。同時在實際應用過程中，還需要針對問題進行不斷優化，進一步提高蔬菜收獲機的工作效率與質量。