單行側掛式萵筍收獲機設計與試驗

史志明 孫聰 雷鳳蕓 陳賢 曹亮 鄭述東

摘要：為解決萵筍收獲采用人工作業，勞動強度大、勞動效率低等問題，根據前期試驗設計一款單行側掛式萵筍收獲機。簡述萵筍收獲機的整機結構、工作原理以及動力配套選型，進行各零部件的結構設計與理論分析。以萵筍收獲機前進速度、刀片轉速以及刀片夾角為試驗因素，開展萵筍收獲質量影響因素正交試驗，得出影響萵筍收獲損失率、損傷率和折斷率的主次排序為切割轉速、前進速度和切割夾角，萵筍收獲機運行最優參數組合為前進速度0.25m/s，切割轉速360r/min，切割夾角6°，在此條件下，萵筍收獲的損失率、損傷率和折斷率均≤5%，整機性能指標滿足機械作業質量要求。

關鍵詞：萵筍收獲機；電動；單行；切割裝置；輸送裝置；正交試驗

中圖分類號：S23

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 070026

07

Design and experiment of single row side-hanging lettuce harvester

Shi Zhiming， Sun Cong， Lei Fengyun， Chen Xian， Cao Liang， Zheng Shudong

（Chengdu Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Chengdu， 611130， China）

Abstract： In order to solve the problems of high labor intensity and low labor efficiency in the manual harvesting of asparagus lettuce， the research group designed a single-row side-hanging lettuce harvester based on preliminary experiments. The article briefly describes the structure， working principle， and power selection of the lettuce harvester， as well as the structural design and theoretical analysis of each component. Taking the forward speed， blade rotation speed， and blade angle of lettuce harvester as the experiment factors， the orthogonal experiments were carried out to study the factors affecting the harvest quality of lettuce. The primary and secondary factors affecting the harvest loss rate， damage rate， and breaking rate of lettuce were determined as cutting speed， forward speed， and cutting angle. The optimal combination of parameters for the operation of the lettuce harvester was determined as a forward speed of 0.25m/s， a cutting speed of 360r/min， and a cutting angle of 6°. Under these conditions， the harvest loss rate， damage rate， and breakage rate of lettuce harvesting were less than or equal to 5%， meeting the requirements of mechanical operation quality.

Keywords： lettuce harvester; electric; single line; cutting device; conveying equipment; orthogonal experiment

0 引言

萵筍（Lactuca sativa var. angustata）為菊科萵苣屬一年生或二年生草本植物［1］，主要食用肉質嫩莖。其在四川栽培面積約88khm2，是四川省主要蔬菜作物之一，目前均采用人工收獲，勞動強度大、勞動效率低、勞務成本高。萵筍批發價格受市場影響波動較大，價格低時甚至低于人工收獲的勞務費，而目前缺少適用于地上肉質莖類蔬菜收獲的機械，許多規模化種植業主只能將萵筍打碎在田里，造成資源的浪費。因此，為降低萵筍收獲成本，提高勞動效率，急需進行萵筍收獲機的研制工作。

國內大多數蔬菜收獲機械的研究尚處于起步階段，除雞毛菜、菜心等綠葉蔬菜以及馬鈴薯、胡蘿卜等塊莖、塊根類蔬菜有收獲機型外［23］，大多數蔬菜機械化收獲尚處于研究階段，如白菜、番茄等蔬菜［47］，萵筍等肉質莖類蔬菜機械化收獲技術的研究未見報道，存在著技術空白。而國外收獲機械研制成熟并實際應用的主要是根菜類蔬菜收獲機械［89］和葉類蔬菜收獲機械［1011］，果菜類蔬菜收獲機械還處于研制階段［12］，同樣未見萵筍等肉質莖類蔬菜收獲機械的相關報道。因此，本文簡述了單行側掛式萵筍收獲機整機結構和工作原理，對動力配套進行了選型，并進行了各零部件的結構設計與理論分析，同時進行了田間驗證。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

綜合考慮整機使用性能和經濟成本等因素，采用拖拉機作為萵筍收獲機的牽引動力。根據匹配的拖拉機外形尺寸，設計萵筍收獲機外形尺寸為2000mm×1500mm×800mm。萵筍收獲機主要由收獲裝置和操作平臺兩大部分組成，如圖1所示。

操作平臺與拖拉機三點懸掛連接，利用拖拉機液壓升降系統上下調整位置適應作業需求。收獲裝置設計在拖拉機右側，由切割機構、輸送機構、撥苗扶正機構和支撐調節機構組成，上面通過鉸鏈與操作平臺連接，下面通過推桿進行支撐和調節。收獲裝置為側向半懸掛式，采用電機作為動力驅動切割機構和輸送機構，實現萵筍的對準扶正、切割和輸送功能。單行側掛式萵筍收獲機的總體結構如圖2所示。

1.2 工作原理

萵筍收獲機采用拖拉機半懸掛式牽引前進，工作時，駕駛員操作拖拉機向前行駛，電動控制調整收獲割臺對準萵筍，貼近廂面以設定的角度插入萵筍下部。萵筍沿撥苗器進入扶正機構以一定角度固定，然后通過雙圓盤切割刀具切割完成后，在軟輸送帶的扶持和輸送力作用之下，沿輸送托板輸送到機器后方操作平臺，由人工整理并裝箱完成操作。

1.3 動力配套選型

成都平原和淺丘地區，這些田塊一般都存在地勢不平、土質黏濕等不利因素，環境惡劣、工況復雜、阻力較大，很多地方具有一定的坡度，要求動力的爬坡能力強、附著力高、通過性能好、操作輕便省力。為實現萵筍收獲機在田間順利作業，選擇DF604-15F型拖拉機作為動力，該機外形與一般小四輪接近，但采用四輪驅動技術，動力達44.1kW，接近一般小四輪的2倍。具體參數見表1所示。

2 關鍵部件設計

2.1 切割裝置設計

2.1.1 切割刀具設計

切割刀具作為收獲機械的主要工作部件，用于切斷貼近廂面的萵筍莖根部。切割刀具需要滿足硬度、彈性、耐磨和耐腐蝕等基本特性，同時也需要滿足機械結構參數方面的要求，才能實現切割阻力小、割茬整齊、斷面平滑等切割效果［13］。

目前我國農業收獲機械常用的切割方式主要采用往復式、圓盤回轉式以及循環式三種，三種刀具性能對比如表2所示。

往復式和圓盤回轉式刀具技術相對成熟使用較廣，循環式切割刀使用較少。切割器安裝在輸送機構的起始位置，課題組通過前期對萵筍幾何尺寸和力學特性的研究得出萵筍莖的平均直徑為4.25cm，平均切割力為236.9N，往返式切割器適用于切割細莖作物不適用粗莖作物，所以選用圓形切割鋸。

為確保圓盤切割能滿足切割要求，且結構設計簡單可靠，選用兩個帶鋸齒結構的圓盤鋸相對旋轉切割，如圖3所示。

帶鋸齒的圓盤鋸需要把萵筍沿下部根莖完全切斷，所以兩個圓盤鋸之間要有重疊區域。如果重疊部分太小，在田間惡劣工況下容易隨支架扭曲出現間隙或者上下錯位。如果重疊部分太大，會導致切割力降低，出現切割萵筍斷面不整齊甚至切割不斷的現象。根據雙側軟輸送結構之間的間距，以及切割刀的規格型號，經過項目組的對比試驗，選擇切割刀直徑25cm，重疊2cm最優。

在實際的萵筍收獲過程中，需要圓盤鋸垂直或者接近垂直的角度切割萵筍，切割刀片與輸送帶需要有一定的夾角，確保刀片與萵筍接近垂直，與廂面接近平行。

2.1.2 電機選型

萵筍切割所需的功率Pq（kW）包括兩部分：切割蔬菜損耗的功率Pg（kW）和空轉損耗的功率Pk（kW）。參照設計手冊空轉損耗功率取0.15kW保證安全系數［14］。

Pg=VxBW01 000

（1）

式中：

Vx——收獲機行走速度，m/s；

B——收獲機割幅，m；

W0——

切割比功，切割單位面積蔬菜所作的功，J/m2。

按照收獲機設計要求，行走速度為0.15～1.5m/s，Vx取最高值為1.5；收獲行數為1行，根據切割萵筍的直徑可取B值為0.1；蔬菜切割時切割比功為200～300J/m2，W0取最高值300［1516］。

代入可得Pg=0.045kW，Pq=0.195kW。

為滿足實際切割需求，以及考慮功率消耗，選用Z55BL300型電機，共2個電機并配置減速器，對稱布置。

2.2 輸送機構設計

2.2.1 輸送機構方案

切割后的萵筍需要通過輸送機構有序輸送至操作臺進行下一步處理，新鮮的萵筍莖葉脆嫩，要求輸送時盡量不對萵筍產生損傷，輸送機構設計不能采用硬質機構強行夾持或拖動傳輸［17］。萵筍植株呈細長狀，為實現有序輸送，該設計采用綠色PVC軟輸送帶，以兩側半圓弧波浪狀對稱結構方式，每側輸送動力單獨采用電機驅動，兩側相對旋轉，既能輕輕扶持萵筍正立不到，又有推拉力促使萵筍朝操作平臺上移，且對萵筍葉的損傷很小，如圖4所示。

按照實際生產要求，為避免輸送過程中發生堵塞現象，輸送速度需要略大于拖拉機前進速度。但輸送速度也不能太快，太快容易造成輸送過程中萵筍的損傷［18］。根據總體設計要求，以及田間操作的實際需求，輸送速度需要在0.1～0.8m/s范圍內可調，實際作業時根據收獲速度選定適合的輸送速度。

2.2.2 輸送裝置參數確定

根據課題組前期試驗測得萵筍直徑集中在4.0～4.5cm，考慮到萵筍葉柄厚度，設計半圓弧的直徑為6cm，兩側軟連接圓弧間距6cm，對萵筍既能扶持又具有一定間隙。

成熟萵筍一般高度在50cm左右，且上細下粗重心位置偏下，為防止萵筍在輸送過程中倒伏，輸送帶夾持部分應在萵筍重心以上，結合一般方管型材的尺寸，設計PVC軟輸送的高度為16cm，分別選擇由兩根4cm×8cm方管型材拼焊接而成，在下方10cm處布置萵筍輸送托板，用于承擔萵筍向上輸送過程中的重力，并降低萵筍重心確保萵筍輸送時不倒伏。

結合DF604-15型拖拉機外形尺寸，在整機布置輸送傾斜角度的基礎上，為確保駕駛人員在操作過程中能看到撥苗器對準萵筍的接觸，設計軟輸送結構的總長度為1 500cm。

2.2.3 輸送裝置傾斜角度確定

由于地面和操作臺有高度差，輸送過程是輸送帶夾持著萵筍向后斜上方運動，萵筍受到輸送力、重力作用，如圖5所示。G為萵筍所受的重力，P為輸送帶對萵筍的輸送力，F為輸送機構對萵筍斜上方的支撐力，θ為輸送帶傾斜角度，按照受力分析得出G=Psinθ，G=Fcosθ。在輸送過程中，輸送帶的傾斜角度θ對輸送力P和支撐力F均有影響，從而對萵筍的輸送有影響。傾斜角θ過大，萵筍在輸送過程中易發生傾倒滑落現象，傾斜角θ過小，那么輸送長度就會加長不便于收獲的操作，也無法給操作臺預留一定的高度。根據DF604-15型拖拉機身的外形尺寸和整體設計要求，確定額定狀態下輸送帶傾斜角度θ為20°。

2.2.4 電機選型

輸送機械所需功率Pd（kW）可按照式（2）計算［19］。

Pd=mg（Lf+H）×10-3

（2）

式中：

m——每秒輸送帶運送質量，kg；

g——重力加速度，m/s2；

L——輸送帶水平投影距離，m；

H——輸送帶垂直高度，m；

f ——運動阻力系數。

按照設計要求，工作時輸送帶同時最多輸送6株萵筍共計3kg，輸送帶自身質量7kg，則m為10kg；重力加速度g為9.8m/s2；輸送帶水平投影距離L根據整機設計布置要求取值為1.2m；輸送帶垂直高度根據整機設計布置要求取值為0.5m；運動阻力系數按照一般要求取值為2.25［20］。

代入式（2）可得Pd=mg（Lf+H）×10-3=10×9.8×（1.2×2.25+0.5）×10-3=0.3136kW。

電機為輸送裝置提供動力，為滿足使用要求，考慮功率消耗，選用Z55BLD500型電機，共2個電機并配置減速器，對稱布置。

2.3 撥苗扶正器設計

機械化收獲要求成熟后的萵筍盡量在一條直線上且大小方向一致，但萵筍在栽種時就不能保證在一條絕對的直線上，另外生長過程中受溫光水氣肥的影響，生長方向和株型會有一定的差異，所以必須在收割刀片前安裝撥苗器。撥苗器兩側對稱分布，根據萵筍栽種行距確定前點間距為35cm，為滿足在實際收獲過程中不同株型和行距等工況的需求，設計為內側固定，外側可以稍作調整。撥苗器設計在割刀前25cm，提前將萵筍歸攏扶正，方便刀片切割。其結構如圖6所示。

2.4 調節支撐桿機構設計

在收獲過程中，根據田塊和萵筍的實際情況需要調整切割高度，設計萵筍的輸送結構與操作平臺通過鉸鏈連接，同時雙向調節支撐桿（圖7）進行限位支撐，支撐桿雙向調節范圍為±10cm，既可以單獨微調輸送機構和切割刀片的夾角和切割刀片高度，也可以配合拖拉機懸掛機構的升降調整夾角和高度。

3 收獲性能試驗與結果分析

3.1 試驗條件

試驗在彭州市濛陽鎮白土河村實施，選用“竹筒青”品種的萵筍為試驗樣本，株距為35cm，行距為35cm。

3.2 試驗設計

萵筍收獲機的前進速度直接影響收獲損失率，刀片轉速、刀片夾角是影響收獲損傷率與收獲折斷率的主要因數。為尋求萵筍收獲作業過程的最優參數，對萵筍收獲機開展三因素三水平的正交試驗，如表3所示，每個組合因素選擇收獲20株萵筍進行收獲損失率、損傷率、折斷率等數據測定。

3.3 測定項目及方法

本試驗選取收獲損失率、收獲損傷率以及收獲折斷率為試驗指標。在土壤含水率適宜，萵筍長勢正常、壟距和行距一致的條件下，參照NY/T 1412—2007《甜菜收獲機械作業質量》損失率≤5.0%，損傷率≤5.0%，折斷率≤5.0%，即滿足作業質量要求。

S=M1/M×100%

（3）

K=M2/M×100%

（4）

L=M3/M×100%

（5）

式中：

M——一次收割試驗總株數；

M1——一次收割試驗損失株數；

M2——一次收割試驗損傷株數；

M3——一次收割試驗折斷株數；

S——損失率，%；

K——損傷率，%；

L——折斷率，%。

萵筍機械化收獲過程中，收獲后未被機械切割或被切割后未收獲輸送，仍留在田間，即為損失；萵筍機械化收獲后，造成萵筍莖稈和內部嫩葉有明顯的裂痕、擦削傷痕、穿孔或葉被折斷，即為損傷；萵筍機械化收獲后，距離地大于1/3以上莖稈被切割斷，即為折斷。

3.4 試驗結果與分析

為便于分析，將損失率、損傷率、折斷率相加為不合格率進行統計，如表4所示。第2組、第3組、第5組、第6組試驗符合損失率、損傷率和折斷率每項都≤5.0%，滿足作業質量要求。其中以第3組試驗作業質量最佳。

當前進速度一定時，不合格率隨切割速度和切割夾角的減小而增大；當切割速度一定時，不合格率隨前進速度的增大而增大，隨切割夾角的減小而增大；當切割夾角一定時，不合格率隨前進速度的增大而增大，隨切割速度的減小而增大。

按照正交試驗分析方法：K1/3為A、B、C三因素第1水平所在試驗對應的不合格率之和的平均數，K2/3為A、B、C三因素第2水平所在試驗對應的不合格率之和的平均數，K3/3為A、B、C三因素第3水平所在試驗對應的不合格率之和的平均數。

由極差可知，B>A>C，對不合格率影響因素的排序為切割轉速>前進速度>切割夾角。由于在實際作業過程中，需要獲得最小不合格率，則K值數據越小越匹配，即A1最小取第一水平，B3最小取第三水平，C3最小取第三水平，A1B3C3組合最優。所以在收獲過程中，要獲取萵筍的收獲損失率、損傷率和折斷率最低的組合為前進速度0.25m/s，切割轉速360r/min，切割夾角6°。

3.5 田間驗證

為進一步檢驗優選方案的作業效果，再次進行田間驗證試驗，采取A1B3C3組合，即前進速度0.25m/s、切割轉速360r/min、切割夾角6°進行田間試驗，試驗機械化收獲萵筍，試驗3次，每次20株，統計其萵筍損失率、損傷率和折斷率。試驗結果：第一次無損失和折斷，損傷率5%，則不合格率為5%；第二次無損失、損傷和折斷，則不合格率為0；第三次無損失和損傷，折斷率為5%，則不合格率為5%。

由試驗結果可知，采取前進速度0.25m/s，切割轉速360r/min，切割夾角6°的組合，收獲的萵筍損失率、損傷率、折斷率均≤5%，滿足蔬菜機械化收獲作業質量標準，理論分析與田間實踐驗證符合。

4 結論

1） 本文設計一款單行側掛式萵筍收獲機，通過三點裝置懸掛在拖拉機上，收獲裝置在拖拉機右側，由輸送機構、切割機構、撥苗扶正機構和支撐機構組成，實現萵筍的對準扶正、切割和輸送功能，采用電機作為動力驅動一次性完成萵筍的切割和輸送，單行收獲，工作性能穩定。

2） 以萵筍收獲機前進速度（0.25m/s、0.5m/s、0.75m/s）、刀片轉速（150r/min、205r/min、360r/min）以及刀片夾角（0°、3°、6°）為試驗因素，開展萵筍收獲質量影響的三因素三水平正交試驗。最終得出對萵筍收獲不合格率影響因素的排序為切割轉速>前進速度>切割夾角。萵筍收獲機最優參數為前進速度0.25m/s，切割轉速360r/min，切割夾角6°的組合，在此參數條件下，其收獲損失率、損傷率以及折斷率均≤5%，通過田間驗證，理論分析與田間實踐驗證符合，滿足蔬菜機械收獲作業質量要求。

參 考 文 獻

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