蒙古韭收割機設(shè)計與試驗

劉娜 張健飛 金海榕 佟文玉 田素博 寧曉峰

摘要：針對蒙古韭收獲作業(yè)人工成本高，沒有專業(yè)收割機械等問題，設(shè)計自動有序蒙古韭收割機，一次性完成收割、有序輸送及裝箱作業(yè)，提高收獲作業(yè)效率和蒙古韭的新鮮度。在分析蒙古韭收割機總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上闡述整機的工作原理，對切割裝置、扶持裝置、輸送裝置等關(guān)鍵部件進行設(shè)計校核后完成樣機試制。以有效收割率和割茬整齊率作為評價指標進行田間收割試驗，試驗表明，當機器前進速度為3km/h，有效收割率和割茬整齊率達到最高值，分別為98.4%、96.2%，當割茬高度為2.5cm時，有效收割率和割茬整齊率為98.3%、95.9%，該蒙古韭收割機滿足蒙古韭收割作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：蒙古韭收割機；扶持裝置；輸送裝置；收割試驗

中圖分類號：S233.4

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 070033

07

Design and experiment on Allium mongolicum Regel harvester

Liu Na1， Zhang Jianfei2， Jin Hairong1， Tong Wenyu1，Tian Subo1， 3， Ning Xiaofeng1， 3

（1. College of Engineering， Shenyang Agricultural University， Shenyang， 100866， China; 2. Nanjing Institute of

Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China; 3. Key Laboratory of

Horticultural Equipment， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Shenyang， 100866， China）

Abstract： Allium mongolicum Regel has high nutritional value and ecological value. In response to the high labor cost and lack of specialized harvesters for Allium mongolicum Regel， an automated and orderly harvester was designed to complete the harvesting， orderly transportation， and packing operations， aiming to improve the harvesting efficiency and freshness of Allium mongolicum Regel. Based on the analysis of the overall structure of the harvester， the working principle of the whole machine was described. The design of the cutting device， supporting device， conveying device， and other key components were illustrated， and the drive control system of the whole machine was designed. Field harvesting tests were conducted using the effective harvesting rate and stubble trim rate as evaluation criteria to assess the machines operational performance. The results showed that when the machine speed was 3km/h， the effective rate of harvest and stubble trim reached their highest values of 98.4% and 96.2%， respectively. When the stubble height was 2.5cm， the effective harvesting rate and stubble trim rate were 98.3% and 95.9%， respectively. These findings verified that the Allium mongolicum Regel harvester design satisfies the requirement of Allium mongolicum Regel harvesting operations.

Keywords： Allium mongolicum Regel harvester; support the device; delivery mechanism; harvesting test

0 引言

蒙古韭（Allium mongolicum Regel）屬百合科（Liliaceae）蔥屬（Alliaceae）植物，又名沙蔥，屬于葉菜類，蒙古韭具有極高的營養(yǎng)價值和生態(tài)價值［1］。近年來，隨著人民生活質(zhì)量的提高，很多人開始注重綠色健康的飲食，蒙古韭越來越受到廣大消費者的青睞［2］，天然生長的蒙古韭數(shù)量已經(jīng)滿足不了人們的需求，開始掀起人工種植蒙古韭的熱潮。而對于蒙古韭收獲，目前市場上還未有專門的收割裝置，普遍采用人工收獲方式。一方面由于蒙古韭屬于小宗蔬菜，種植面積相對小，相關(guān)作業(yè)機械研究較少，更沒有成型實用的收獲機械；另一方面由于蒙古韭一部分為天然野生，一部分現(xiàn)在人工種植，種植農(nóng)藝沒有規(guī)范，農(nóng)藝不能滿足機械化作業(yè)［1］。目前市場上主要的葉菜收割機械有歐洲SLIDE FW SMALL小型溫室葉菜收獲機。此外，Nang等［35］設(shè)計一款往復式切割式葉菜收割機，可以同時切割多排葉菜，但機器都為無序式收割；伍淵遠等［67］提出了一種利用機器視覺技術(shù)獲取葉菜收獲機，但成本高、耗時長。我國蔬菜收獲機械化程度不高，自動化程度低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，品種單一，市場上的葉菜收割機不適合蒙古韭收割。因此本文針對蒙古韭的種植農(nóng)藝和物理特性，設(shè)計自動有序蒙古韭收割機，從理論上分析收割機關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)并進行相關(guān)校核，同時進行樣機試制和田間試驗，驗證機器性能。

1 總體方案設(shè)計

1.1 蒙古韭的壓縮特性分析

蒙古韭在經(jīng)一級夾持輸送帶輸送過程中，為避免蒙古韭被夾持輸送帶擠壓破損，影響蒙古韭的品質(zhì)，因此對蒙古韭葉片進行徑向壓縮力學特性試驗，并且根據(jù)試驗結(jié)果確定一級輸送帶的安裝位置及角度。本試驗所用的儀器為美國FTC-質(zhì)構(gòu)儀TMS-PRO，本研究所用的試驗樣品為中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所蒙古韭種植基地的蒙古韭，采用靜態(tài)測量法，設(shè)定加載速度為20mm/min對試樣施加壓力，直至蒙古韭試樣破損，試驗結(jié)束。每組試驗20個樣本，并對其進行編號［810］。試驗結(jié)果如圖1所示。

1.2 整機結(jié)構(gòu)

蒙古韭收割機主要包括扶持裝置、輸送裝置、切割裝置、收集裝置和驅(qū)動控制部分，如圖2所示。工作時，電機同時為扶持裝置和輸送裝置提供動力，兩個扶持器向相反的、朝外側(cè)旋轉(zhuǎn)，起到扶持蒙古韭的作用，由割刀電機直接驅(qū)動的圓盤回轉(zhuǎn)式割刀將蒙古韭從葉片分叉處割斷，割斷后的蒙古韭傾倒順著一級夾持輸送帶向后方輸送，由于一級輸送帶是由豎直傳動扭轉(zhuǎn)為水平傳動，因此蒙古韭也會由豎直狀態(tài)變?yōu)樗綘顟B(tài)，利于收割后的蒙古韭的整齊擺放，蒙古韭隨一級夾持輸送帶輸送至二級輸送帶，進一步通過二級輸送帶將蒙古韭輸送至收集箱內(nèi)，落入收集箱的蒙古韭通過后撥裝置撥進收集箱末端，防止蒙古韭堆積，適時卸出，一次性完成蒙古韭收割、有序傳送及裝箱作業(yè)。

蒙古韭收割機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 扶持裝置設(shè)計

扶持裝置（圖3）由后輥、軸承、軟軸、扶持器、傳動帶，保護罩等組成。

由輸送裝置電機提供動力，電機工作通過鏈輪鏈條傳動帶動后輥轉(zhuǎn)動，后輥通過傳動帶與固定在車架底部的驅(qū)動滑輪相連，驅(qū)動滑輪兩側(cè)的軸承兩端連接軟軸，軟軸通過捆綁帶固定在機架上，軟軸帶動扶持器進行旋轉(zhuǎn)工作。

如圖3所示，一對保護罩分別安裝在兩個扶持器的上方，利用兩個扶持裝置形成的中間空隙不僅起到扶持蒙古韭的作用，還可以將即將被收割的蒙古韭束聚攏，便于后續(xù)的切割作業(yè)。護罩結(jié)構(gòu)如圖4所示。

機器工作時，扶持器的工作效率與其旋轉(zhuǎn)作業(yè)速度有關(guān)。扶持器相對地面的線速度v應該小于1.5m/s，本文取1m/s。

v=πd0n60

（1）

式中：

v——

扶持器相對于地面的線速度，v=1m/s；

d0——

扶持器最大端直徑，d0=0.2m；

n——扶持器轉(zhuǎn)速，r/min。

計算可得扶持器轉(zhuǎn)速n=95.49r/min。

查資料可知扶持器正常工作的必要條件是撥禾速度比λ＞1［1112］。本文取λ=2，則扶持器中心相對割刀的垂直距離

H=l－h(huán)+Rλ

（2）

式中：

l——蒙古韭的高度，取l=230mm；

h——割刀離地高度，h=25mm；

R——

扶持器最大端半徑，R=80mm；

λ——撥禾速度比，λ=2。

計算可得扶持器中心相對割刀的垂直距離為245mm。

2.2 輸送裝置設(shè)計

1） 一級輸送裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計。輸送裝置由一級輸送裝置和二級輸送裝置組成，共同完成蒙古韭輸送作業(yè)。一級輸送裝置由兩個前輥、兩個后輥、夾持輸送帶、夾持帶輥、變向壓緊輥和距離調(diào)節(jié)裝置等組成，其中兩個后輥與二級輸送裝置相接。

如圖5所示，兩個前輥、兩個后輥均安裝在機架的前部，一條輸送帶安裝在一個前輥和第一后輥上，另一條輸送帶安裝在另一個前輥和第二后輥上。變向壓緊輥作用是改變輸送帶的輸送方向，使輸送帶由豎直輸送方式轉(zhuǎn)變?yōu)樗捷斔头绞?。另外夾持帶輥作用是支撐兩輸送帶及通過調(diào)節(jié)距離裝置改變兩條輸送帶間的間隙，兩輸送帶間形成的間隙用來夾持輸送蒙古韭。

2） 一級輸送裝置主要參數(shù)計算。一級輸送帶的輸送速度對蒙古韭收獲速率有至關(guān)重要的影響，當一級輸送帶輸送速度較快時，所夾持的蒙古韭厚度較小，當一級輸送帶的速度較慢時所夾持的蒙古韭厚度較大，所以一級輸送帶的輸送速度非常重要，夾持的蒙古韭厚度由單位時間切割的蒙古韭數(shù)量來決定，其計算如式（3）所示。

V0Bq1=V1dq2

（3）

式中：

V0——

收割機行走速度， V0=0.42m/s；

q1——蒙古韭生產(chǎn)密度，kg/m3；

B——割幅，B=0.25m；

V1——一級輸送帶速度，m/s；

d——

蒙古韭在一級輸送帶的夾持厚度，d≤30mm。

q2——

蒙古韭在輸送帶上的輸送密度，kg/m3。

可得

V1=V0Bq1dq2=V0Bkd

（4）

式中：

k——

蔬菜積集系數(shù)，k=q1/q2，取18～33［13］。

計算可得一級夾持輸送帶輸送速度為≥0.14m/s。

為確保蒙古韭經(jīng)一級輸送帶夾持輸送過程中不損傷蒙古韭，還需對一級輸送帶進行擠壓力測定。試驗材料為數(shù)顯推拉力計一個、尺子一把、試樣、細繩等。試驗選取一級輸送帶距前端10cm、20cm、30cm、40cm、50cm這5處，在每一處分別拉動10mm、20mm、30mm，分別測量其擠壓力數(shù)值，為確保試驗準確性進行3次重復試驗測定取其平均值。測定時，將試樣放在一級輸送帶中間被一級輸送帶夾持住。用細繩將數(shù)顯推拉力計連接，測得其拉力值，其拉力值等于擠壓力值，試驗結(jié)果如表2所示。

由表2可知，一級輸送帶間擠壓力的最大值為37.6N，一級輸送帶間擠壓力的最大值小于蒙古韭的最大破壞力145.2N，滿足設(shè)計要求。

3） 鏈傳動的設(shè)計計算。蒙古韭收割機輸送裝置以鏈條傳動作為主要傳動方式。鏈輪鏈條布置方式如圖6所示。

其工作過程為：首先主動鏈輪與電機相連接，電機工作時直接帶動主動鏈輪旋轉(zhuǎn)，然后通過鏈條帶動1、2、6號從動鏈輪運轉(zhuǎn)，鏈輪1、2帶動前方與輸送帶相連的兩個帶輥轉(zhuǎn)動，進而一級輸送帶開始工作，鏈輪6與二級輸送帶連接，使蒙古韭輸送至機器后方的收集箱內(nèi)。

蒙古韭收割機的一級輸送、二級輸送裝置位置是固定的，其結(jié)構(gòu)決定了主動鏈輪的位置，根據(jù)輸送帶輥的尺寸，一級、二級帶輥的位置固定，與一級二級輸送帶帶輥相嚙合的從動鏈輪齒數(shù)可以確定。根據(jù)蒙古韭收割機輸送作業(yè)要求，選取主動鏈輪的齒數(shù)為19，鏈輪的轉(zhuǎn)速n1與電機輸出端轉(zhuǎn)速均為93r/min。鏈輪鏈條工作過程中，首先是主動鏈輪傳動至一級輸送帶前輥的路線，一級輸送為兩條帶夾持輸送，所以鏈輪1和鏈輪2大小相同，齒數(shù)都為19，所以其傳動比都為1，鏈輪6因二級輸送帶作業(yè)速度要求，鏈輪轉(zhuǎn)速為69r/min，取鏈輪為14齒。因鏈輪5是張緊輪與傳動比無關(guān)，取鏈輪5齒數(shù)Z5=14［14］。

通過計算確定鏈條鏈節(jié)數(shù)為97節(jié)、鏈條節(jié)距為9.525mm、鏈長為0.92m、鏈條速度為0.29m/s、小鏈輪包角為177.7°。并計算出主動鏈輪齒根圓直徑為51.52mm，從動鏈輪6的齒根圓直徑為36.46mm［15］。因鏈輪1、鏈輪2齒數(shù)相同，所以其參數(shù)都相同。

2.3 整機機架校核分析

本設(shè)計的蒙古韭收割機的整機機架設(shè)計應保證足夠的承重力、耐腐蝕和抗震性能等。利用SolidWorks對整機機架進行參數(shù)化建模，進行靜力學分析。測量每個電機以及安裝在機架的各個部件的質(zhì)量，添加對應的壓力，并將安裝底輪的四個耳座設(shè)為固定約束。整機機架材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼，其許用應力由式（5）可得。

σ=σsn

（5）

式中：

n——材料安全系數(shù)，取n=1.5；

σs——

材料屈服極限，σs=235MPa；

［σ］——材料的許用應力，MPa。

計算得出［σ］=156.67MPa。機架的應力分布情況如圖7所示，形變情況如圖8所示，通過仿真結(jié)果可以看出，機架所承受最大應力處在前輪與機架相連的耳座處，最大應力為σ=57.579MPa，整機機架最大位移為0.72mm。因σ<［σ］，則整機機架在最大負載狀態(tài)下不會發(fā)生斷裂和彎曲變形，通過計算可得，整機機架載荷應力校核滿足要求。

3 田間收割試驗

3.1 試驗條件

田間收割試驗在吉林省松原市前郭爾羅斯蒙古族自治縣烏蘭圖嘎鎮(zhèn)董家村進行，試驗樣品蒙古韭生長較均勻，無明顯缺株現(xiàn)象；收獲時從蒙古韭的鱗莖上部進行刈割［16］。試驗時間為2021年9月12日早上6：00—8：00，完成收割試驗和記錄數(shù)據(jù)等工作，試驗溫度為17℃～20℃。試驗蒙古韭生長狀況較好，株距為30cm，行距為10cm，蒙古韭高度為18～28cm，蒙古韭平均含水率為92.98%。試驗前，對試驗田進行檢查，保證地面平坦、無障礙物，并按要求調(diào)試蒙古韭收割機各部分裝置保證其正常工作。

3.2 評價指標及試驗方法

根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 3664—2020《手扶式莖葉類蔬菜收獲機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》等國家相關(guān)標準測試方法，選取有效收割率和割茬整齊率作為試驗評價指標［1721］。

有效收割率是評價收獲作業(yè)效果的一個重要指標，可以通過計算損失的蒙古韭數(shù)量繼而得到蒙古韭的有效收割率，損失是指在割幅內(nèi)，應收未收的蔬菜。

有效收割率

S1=1－n1N×100%

（6）

式中：

n1——田間收獲損失蔬菜質(zhì)量，kg；

N——收獲蔬菜總質(zhì)量，kg。

割茬整齊是指收獲蔬菜中，割茬沒有損壞或殘缺的蔬菜。

割茬整齊率

S2=1－n2N×100%

（7）

式中：

n2——割茬不齊的蔬菜質(zhì)量，kg。

通過設(shè)定試驗影響因素對蒙古韭收割機工作的性能進行試驗分析。在確定試驗影響因素的過程中，首先分析蒙古韭的物理特性，確定對本次試驗結(jié)果影響較大的因素，基于對收獲工作環(huán)境、工作要求以及作業(yè)對象等因素的考核可知，影響蒙古韭收獲效果主要試驗因素為機器前進速度、蒙古韭高度、割茬高度。

3.3 試驗結(jié)果與分析

進行前進速度因素對評價指標影響的試驗時，選取1.5km/h、2km/h、2.5km/h、3km/h四個水平指標進行收割試驗，在試驗過程中割茬高度和蒙古韭高度保持不變，選取割茬高度最優(yōu)為2.5cm，蒙古韭高度為26～28cm；進行蒙古韭高度因素對評價指標影響的試驗時，選取18～20cm、21～23cm、23～25cm、26～28cm四個水平指標進行收割試驗，在試驗過程中割茬高度和前進速度保持不變，選取割茬高度最優(yōu)為2.5cm，前進速度為2.5km/h；進行割茬高度因素對評價指標影響的試驗時，選取1.5cm、2.5cm兩個水平指標進行收割試驗，確保在試驗過程中機器前進速度和蒙古韭高度保持不變，選取最佳機器前進速度2.5km/h，蒙古韭高度26～28cm。

1） 前進速度對評價指標的影響。前進速度對有效收割率及割茬整齊率的影響如圖9、圖10所示。根據(jù)圖9可以看出機器的前進速度對有效收割率有很大的影響，隨著機器前進速度的加快，有效收割率呈現(xiàn)上升的趨勢，作業(yè)速度在3km/h時達到最大有效收割率98.4%。這是由于機器前進速度較慢時，倒伏的蒙古韭因前進速度過慢而切割不到因而發(fā)生漏割，而且當機器前進速度較快時，機器的前進速度和輸送機構(gòu)輸送速度配合較好，輸送過程中脫落的蒙古韭減少，從而有效收割率增大。根據(jù)圖10可知，隨著機器前進速度的加快，割茬整齊率逐漸提高，這是由于機器前進速度較慢時，割刀對蒙古韭的沖擊力相對較小，此時蒙古韭的割茬就相對不整齊；當機器前進速度加快時，割刀對蒙古韭的沖擊力增大，蒙古韭的割茬就相對整齊，從而割茬整齊率隨著機器前進速度的增大而增大。

2） 蒙古韭高度對評價指標的影響。蒙古韭高度對有效收割率以及割茬整齊率的影響，如圖11、圖12所示。

可以看出，蒙古韭高度對有效收割率和割茬整齊率有很大影響，隨著蒙古韭高度的增加，有效收割率也不斷增大，而割茬整齊率卻出現(xiàn)下降的趨勢。當蒙古韭高度達到在18～20cm時有效收割率低于20%，割茬整齊率卻達到97%，當高度增加到26～28cm時，有效收割率達到98%，割茬整齊率降到95%。這是因為一級夾持輸送裝置前端距離地面有一定高度，當蒙古韭植株高度較低時，蒙古韭經(jīng)一級夾持輸送帶輸送時，一級輸送帶夾持蒙古韭的長度較短，從而出現(xiàn)割斷卻未被有效夾持輸送的現(xiàn)象，因此蒙古韭的有效收割率就會降低；當蒙古韭植株較高時，一級輸送帶夾持蒙古韭的長度就會增大，出現(xiàn)割而無效夾持輸送的情況就會降低，收割有效率就會增大。另外，由于蒙古韭越高，蒙古韭植株的重心就會上移，割刀切割蒙古韭的過程中忽略其他因素的影響，蒙古韭只受慣性力和彎曲影響，蒙古韭高度越高經(jīng)割刀切割時其自身彎曲的角度越大，收割后就會容易出現(xiàn)割茬不整齊的現(xiàn)象，割茬整齊率就會隨著蒙古韭高度的增大而下降，反之亦然。

3） 割茬高度對評價指標的影響。割茬高度對評價指標的影響如表3所示，可以看出，當機器前進速度和蒙古韭高度一定時，割茬高度越低，收割效果越好，有效收割率越高，割茬整齊率越高，割茬高度在2.5cm時，有效收割率和割茬整齊率分別為98.3%、95.9%。在進行蒙古韭收割作業(yè)時，要確定合適的割茬高度，若割茬高度太低，則會影響蒙古韭再次生長，若割茬高度太高則會影響蒙古韭的品質(zhì)和收獲質(zhì)量，影響種植者的經(jīng)濟效益。本試驗所選割茬高度均符合蒙古韭的留茬要求，有效收割率和割茬整齊率均滿足蒙古韭收割機的性能要求。

4 結(jié)論

1） 針對蒙古韭葉嫩、汁多、易損，采收困難等問題，通過對蒙古韭力學特性進行分析，結(jié)合蒙古韭的種植農(nóng)藝要求，設(shè)計了一款蒙古韭收割機。根據(jù)理論分析，確定了蒙古韭收割機技術(shù)參數(shù)，完成了對切割裝置、扶持裝置、輸送裝置等關(guān)鍵零部件的設(shè)計計算及整機機架校核。確定相關(guān)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)為扶持器中心相對割刀的垂直距離為245mm、機器前進速度1.5～3km/h、一級夾持輸送帶輸送速度為≥0.14m/s、一級輸送帶間擠壓力的最大值為37.6N、傳動鏈條鏈節(jié)數(shù)為97節(jié)。

2） 樣機試驗結(jié)果表明，有效收割率、割茬整齊率隨著機器前進速度的增大而增大；蒙古韭高度越高有效收割率越大，而割茬整齊率越低；有效收割率和割茬整齊率隨著割茬高度的增大而降低。當割茬高度為2.5cm時，機器漸進速度為3km/h時，有效收割率為98.4%、割茬整齊率為96.2%，收割效果良好，滿足收割要求。

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