一種一體化萵筍自動收獲機設計

中圖分類號：S233.74 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168(2025)13-0038-07

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.13.007

Design of an Integrated Automatic Asparagus Lettuce Harvester

WANG Hao CHEN Gaojian CHEN Jiachun ZHANG Peiyuan LI Yuehao ZHANG Xingting LIN Quan (School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuyi University，Wuyishan 3543Oo， China)

Abstract: [Purposes] Currently，the harvesting of asparagus lettuce mainly relies on manual labor to complete processes such as cuting，leaf peling，and packing， which consumes a significant amount of workforce resources.Therefore，developing an automated and eficient harvesting equipment for asparagus lettuce has become impreative.[Methods] The research team has developed an integrated asparagus lettuce harvester，which mainly consists of a frame，an adaptive clamping mechanism，a harvesting and conveying device，a power device，and a leaf-stripping and rotary tillage device.The aim is to achieve highly efficient and automated asparagus letuce harvesting.The harvester uses an electric motor as the power source.Precise cutting of asparagus lettuce is achieved by the disc cuter mounted at the front of the frame.Through the cutting force of the disc cutter and the coordinated action of the adaptive clamping mechanism，the clamping and conveying of asparagus lettuce with varying diameters can be achieved. The excess leaves of asparagus letuce are stripped offby the leaf-stripping module with its hexagonal cutter，ultimately completing the cutting and collection processs.The harvester is additionally equipped with ditch-opening wheels for cultivating the soil after harvesting.[Findings] Field tests of the prototype have demonstrated that the harvester can not only rapidly complete the cuting and harvesting tasks of asparagus lettuce， but also achieve automated leaf-stripping， while adapting to the harvesting of asparagus letuce with varying diameters.[Conclusions] The integrated automatic asparagus lettuce harvester significantly improves the eficiency of asparagus lettuce harvesting，reduces labor and material costs，and demonstrates substantial practical value with promising application prospects.

Keywords: asparagus lettuce; harvester; cutting; automation; adaptive clamping; agricultural machinery

0 引言

1一體化萵筍自動收獲機整體結構及工作流程

隨著我國萵筍市場需求的持續擴大，其種植面積也在逐年增加。傳統萵筍收獲主要依賴人工，效率低且成本高，易出現人員誤傷等情況。近年來，隨著勞動力價格上漲，萵筍收獲成本在總成本中所占的比例大幅上升，亟須開發一種能夠自動化、高效收獲萵筍的設備[1]。目前，國內外學者在萵筍機械化收獲方面已進行了一系列研究。例如，成都農林科學院于2022年在彭州市開展了萵筍全程機械化試驗示范，展示了一種適合于四川地形與萵筍品種的單行側掛式萵筍收獲機;中北大學科研團隊針對張北縣實際情況，自主研發了一款全自動走地式萵筍拔取、收獲、處理、包裝一體機，該機器通過機械手拔取、收獲前去葉、氣動切刀切根、扭轉帶輪運輸、自動換箱和地膜回收等創新設計，實現了對萵筍的高效、精準收獲。此外，還有一些研究機構和企業為提升萵筍收獲的智能化、自動化水平進行了一系列探索，如設計智能萵筍收獲系統，利用田塊信息采集和路徑規劃系統實現無人化收獲等[2-4]。這些研究為自動萵筍收獲機的研發提供了重要參考。本研究設計了一種一體化萵筍自動收獲機，不僅有助于解決當前農業生產面臨的問題，還能推動農業技術的創新和進步，有助于實現現代農業的可持續發展。

1.1 整體結構

本研究設計的一體化萵筍自動收獲機，整體結構如圖1所示，主要包括行走支架機構、切割聚攏機構、輸送機構、打葉機構、開溝修整機構、輔助設備與電控系統等部分。這些部分按照不同的使用功能與工作順序裝配組合，形成一個功能齊全的一體化萵筍自動收割機。

1.2 工作流程

一體化萵筍自動收獲機在一個工作周期內主要完成行駛、聚攏、收割、運輸、打葉、收集等作業流程。啟動該收獲機后，通過藍牙遙控裝置，引導收獲機行進至與萵筍作物相對應的位置，確保彈簧夾板正對萵筍。頂部旋轉刀片切除萵筍頂部的雜葉后，萵筍進入導向彈簧夾板內，在彈簧夾板的夾持作用下，底部旋轉刀片切除萵筍的雜根。萵筍經過切割處理后，被送入輸送機構，通過平皮帶傳送，由垂直狀態轉變為水平狀態，進而進人打葉裝置。打葉裝置配備自適應機構，可適應萵筍的粗細，萵筍在彈簧力作用下，以恒定速度傳送至打葉刀口進行打葉。為防止萵筍在打葉完成后滯留在打葉刀口，該收獲機配備了二次輸送機構。二次輸送機構主要通過柔性滾筒的旋轉傳遞動力，使萵筍掉入收集筐，至此單個工作周期結束。

該收獲機在收割萵筍的過程中，同時對種植萵筍的土地進行旋耕開溝，旨在清除遺留在土壤中的雜根。此外，通過滴灌系統施加水肥，以改善土壤肥力，優化土地結構，便于二次種植。當單個田壟的收割完成后，可更換收集筐，繼續收割下一排田壟的萵筍。由于萵筍是大規模等距種植，一旦啟動收獲機，便不需要人工干預，機器能夠自動完成收割任務。

2 主要機構設計

2.1 切割聚攏機構

切割聚攏機構由夾板、彈簧、直流電機和刀片組成，其結構如圖2所示。收割聚攏機構配置有上下切割刀片，用于切削萵筍雜根與頂部雜桿，刀片傾斜放置有利于減少切割阻力，提高切割效果[5]。萵筍在切割后會自動傾斜，落入彈簧夾板的夾持范圍內，隨后進入輸送系統，有效保障了切割過程中對萵筍的夾持穩定性。彈簧夾板前端設計為開口狀，具有導向聚攏作用[3]。當萵筍切割完成后，會在彈簧夾板上短暫停留，并在下一根萵筍進入切割程序時，被推送至輸送機構上，實現萵筍連續收獲。切割聚攏機構克服了因萵筍種植間距不等而切割失效的問題，使萵筍能夠連續進入打葉機構，確保打葉順利。

2.2 輸送機構

輸送機構由主從動皮帶輪與平皮帶組成，其結構如圖3所示。萵筍進入輸送機構后，在輸送平皮帶的作用下，由切割后的豎直狀態轉變為水平狀態。輸送平皮帶為磨粒皮帶，不僅增大了與萵筍之間的摩擦力，而且使殘留在萵筍表面的沙土粒自然脫落。同時，平皮帶兩側安裝有亞克力擋板，這些擋板不僅能夠阻隔泥沙，還具有傳送定位萵筍的功能，防止萵筍偏離上升方向，或掉出輸送機構。

2.3 打葉機構

打葉機構由連桿彈簧組成的自適應打葉輸送裝置、打葉刀裝置、二次輸送機構組成。

2.3.1自適應打葉輸送裝置。自適應打葉輸送裝置如圖4所示。該裝置有10個皮帶輪，其中8個從動輪，2個主動輪，形成2組皮帶轉動機構。該裝置設計有連桿彈簧，通過銷釘固定連桿，進而連接2個皮帶輪。當萵筍水平進人時，會撐開皮帶輪，皮帶會在彈簧力的作用下，向內收縮并緊貼在萵筍上，保證不同粗細的萵筍都能在摩擦力作用下前進，使萵筍不偏移預定軌道進人打葉刀裝置。

2.3.2打葉刀裝置。打葉刀裝置由打葉刀座體、減震腳墊彈簧、刀架、刀片組成，其結構如圖5所示。萵筍在打葉輸送裝置的推動下，以恒定速度通過打葉刀口時，彈簧在萵筍與刀片的作用下擠壓縮短，同時萵筍在刀片的作用下脫去表面的雜葉，實現了自適應萵筍粗細和自動化打葉。

2.3.3二次輸送機構。二次輸送機構由2根光軸、4個立式球軸承座、2個柔性滾筒、1對直齒圓柱齒輪組成，其結構如圖6所示。為了防止萵筍通過打葉裝置后卡在刀口處，將二次輸送機構安裝在打葉刀裝置后方，打葉完成的萵筍直接被推入二次輸送機構。該機構由同步帶通過齒輪將動力輸送到柔性滾筒，在柔性滾筒作用下，萵筍脫離打葉機構，落入收集箱。

2.4開溝修整機構

開溝修整機構由旋耕裝置和滴灌裝置組成。農作物收獲后土壤肥力下降，但萵筍等菊科農作物對土壤的肥力和透氣性要求較高，因此本研究在收獲機上設置了開溝修整機構。采用旋耕開溝輪深翻土地，能夠促進有機肥料分解，提升土壤肥力，同時有助于土壤微生物的繁殖，并切除殘余在泥土里的雜根，使其轉化為天然有機肥料[3.6-7]。此外，還可以利用滴灌設備對土壤滴加氮磷鉀等濕肥，加快土地修復進程。

如圖7所示，旋耕裝置主要由同步帶、直流電機、旋耕刀、球軸承座組成。直流電機型號為WS-60GA775F，使用同步帶傳動實現減速，以保證開溝順利。滴灌裝置由水泵與一分十二滴灌管組成，如圖8所示，滴灌管由STM32單片機控制，定時2s，即滴灌2s后停止2s，依次循環，進行滴灌。

2.5 行走支架機構

行走支架機構的結構如圖9所示。其采用微耕機350-4輪胎，由WS-60GA775F直流電機驅動，工作驅動模式分為兩種： ① 遙控模式。通過智能藍牙模塊連接手機進行遙控，可控制機器持續前進與點動后退。 ② 循環模式。通過三位開關切換不同模式，可使機器持續前進，進行工作。為保證車架主體結構的強度與剛度，該機構采用了GS-2020B鋁型材，并通過CB-20-2020連接腳件進行連接。同時，車架上還加裝了亞克力擋板，以防止泥土濺入。圖10為車輪傳動裝配。

2.6 電控系統

電控系統通過DC-DC電壓轉換模塊將12V電源轉換為5V直流電，為STM32系統板供電，通過32板及可調穩壓電源模塊為L298邏輯電機驅動模塊提供信號，通過PWM調壓對電機進行調速。與此同時，收獲機還配備基于BluetoothSpecificationV2.0帶EDR藍牙通信協議的HC-05藍牙數傳模塊，通過藍牙連接手機進行數據傳輸，從而實現遠程控制設備的運動方向與速度。藍牙連接操作界面簡單易懂，無電子設備操作經驗的用戶也可以在短時間內掌握使用方法，對于中老年用戶十分友好。因此，該收獲機具備易操作的優點。

3傳動方式的選擇

3.1原傳動方式及問題

此收獲機起初整機采用皮帶傳動。皮帶傳動能應對一定程度的沖擊載荷，安裝過程簡便，后期維護也不復雜，成本相對較低。然而在實際作業中，農田地形起伏不定，收割機承受的負荷變化且幅度較大，導致皮帶頻繁出現打滑現象。皮帶打滑不僅降低了傳動效率，還嚴重影響了收割進度。此外，頻繁的打滑使得皮帶磨損速度加快，需要經常更換，增加了維護成本和停機時間，大大降低了作業效率。

3.2 改進方案

經考量，決定把部分皮帶傳動裝置更替為齒輪傳動。齒輪傳動的優勢在于傳動效率高，能夠在惡劣環境下穩定運行，并且具有較強的承載能力。對于收獲機的打葉輸送裝置與二次傳動裝置，采用齒輪傳動來替換原有的皮帶傳動，如圖11所示。如此一來，在負荷較大的情況下，齒輪可以更可靠地傳遞動力，顯著減少打滑現象，進而提升傳動效率與工作穩定性。并且，齒輪的使用壽命相對較長，能夠降低維護的次數。

對于一些對傳動平穩性要求較高、功率損耗較小的部件，如開溝修整機構的傳動系統，依舊保留皮帶傳動方式，如圖12所示。這是因為皮帶傳動的緩沖減震性能可以對底盤起到保護作用，減少振動和沖擊對它們的損害，有助于延長這些部件的使用壽命。同時，采用同步帶輪，提高了傳動精度與承載能力。

由于該收獲機對于轉彎與調速有一定的要求，本研究采用四驅的方式對整體的行走支架結構進

行操縱。

改進之后，該收獲機在山區作業時的可靠性與工作效率得到顯著提升。齒輪傳動的運用成功解決了皮帶打滑的問題，讓收割速度更加穩定，收割質量也有所改善。同時，由于皮帶更換次數大幅減少，維護成本和停機時間顯著降低，提升了收割機整體的經濟效益與作業性能。

4機構的傳動比計算

4.1行走支架結構的傳動比計算

該收獲機的行走支架結構由電動機直接驅動，故選擇電動機的減速傳動比。

計算收獲機的運動阻力，主要考慮滾動摩擦力，取滾動摩擦系數 μ=0.05 ，收獲機滿載質量m=40kg ，重力加速度 Π_g^g 取 9.8m/s² ，則滾動摩擦力F_f=μmg=0.05×40×9.8=19.6N

由于該收獲機的行走支架結構是四驅，每個驅動輪承受的力 ，驅動輪半徑 r=0.2m ，則驅動輪所需扭矩 T=Fr=4.9×0.2 =0.98N?m 。

選取江蘇猛牛電機有限公司的三相異步電動機，額定扭矩為 T₀=0.2N?m ，傳動比 =4.9 。

最終選擇型號為YE3-90L-2三相異步電動機，可調速。

4.2齒輪傳動組的傳動比計算

設電動機轉速為 n₀ ，第一級齒輪傳動比為 i₁ ，第二級齒輪傳動比為 i₂ ，由于皮帶輪傳動不改變轉速， i₃=1 。需要滿足第二級齒輪的傳動軸轉速為n₂=5r/s ，而最后一級傳動軸轉速 n₃=10r/s 。各級轉速關系見式（1)。

由式(1）可知， 0

選擇電動機轉速 n₀=1500r/min ，可得

于是第一級齒輪傳動比為5，第二級齒輪傳動比為0.5，皮帶輪傳動比為1，滿足轉速要求。

4.3 同步帶傳動組的傳動比計算

只考慮電動機帶動同步帶進行傳動的情況下，

要達到旋耕裝置 10r/s 的轉速，同樣選擇電動機轉速 n₀=1500r/min ，即 25r/s ，于是可得同步帶傳動比為 。

5萵筍收獲機功率需求分析

5.1 切割聚攏機構所需功率分析

切割裝置的功耗 L_Q 分為空轉功耗 L_κ 和菜蔬收割功耗 L_G ，計算見式（2）。

L_Q=L_K+L_G

菜蔬收割功耗 L_G 計算見式(3)。

式中： V_x 為收獲機械移動速度， m/s;Z 為收割機割副， m;G₀ 為切割比功，即切割單位面積蔬菜所做的功， J/m² 。

該收獲機由電動機驅動，考慮工作時長與工作場景的要求，取收獲機的平均前進移動速度為 0.3m/s 。該收獲機采用圓盤式切割裝置，依據切割副 Σ=Σ 圓盤直徑 × 圓盤數量，計算得到 Z=85mm×2=170mm ；葉菜收割時， G₀ 為 200～350J/m² ，此次取均值 275J/m² ，代人式(3)得 ，L_G=0.014kW 。空轉時切割部件需消耗的功率與機器裝配、零件材料有關，此次取 L_K=0.04kW ，根據式(2)得 。

5.2萵筍輸送機構所需功率分析

該收獲機均采用普通帶式輸送裝置，所需功率為 L_d ，計算見式（4）。

L_d=Mg(ρf+H)×10^-3=M(ρf+H)/102

式中： M 為傳送帶每秒傳送蔬菜質量， kg g為重力加速度， m/s²;ρ 為傳送帶水平投影距離，m;f 為傳送帶運動阻力系數； H 為傳送帶垂直高度， m 。 M 取值 ^1kg，g 取值 9.8m/s²，ρ 取值為0.835m，f 取值 2.25，H 取值 0.28m ，計算可得 L_d= 0.0212kW 。

5.3開溝修整機構所需功率分析

采用葉片式旋耕裝置對土壤進行開溝修整，其所需功率為 L_X 計算見式(5)。

L_X=khbV_xη

式中： k 代表土壤阻力系數，萵筍適宜種植在疏松、肥沃、保水保肥性能好的土壤上，一般這類土壤可歸為壤土類。對于壤土，在旋耕作業相關計算中，土壤阻力系數 k 通常取值為 0.3～0.4 。此次取值0.3。 h 為旋耕深度， b 為旋耕寬度， V_x 為收獲機械移動速度，分別取值 15cm.0.068m.0.3m/s;η 代表旋耕效率，取0.7。代入式(5）得 L_x=0.06426kW 。

5.4行走支架機構所需功率分析

行走支架結構的功率 L_z 與收割機的移動速度、總質量有關，計算見式(6)。

L_z=mgfV_x/α×10^-3

式中： m 為收獲機滿載時的總質量，取值為 40kg g為重力加速度，取值 9.8m/s²:f 為移動阻力系數，在適宜種植萵筍的壤土類土壤中，農業收獲機的阻力系數取值會受到收獲機的行走方式等多種因素影響，輪式行走的收獲機阻力系數可能在 2.0～2.5 此次取值為 2.0;V_x 為收獲機移動速度，取值 0.3m/s;α 為移動裝置傳輸效率，取值 0.98 。以上數值代入式(6)得 L_z=0.24kW ○

至此，對于整機所需的功率分析完畢，其具體需求取整后見表1。

6傳動效率的計算

6.1輸送機構效率計算

輸送機構主要由帶輪帶動皮帶進行輸送轉動，選用的驅動電機輸入功率 P=0.03kW ，而由上述計算可知輸送機構所需功率 L_d=0.021 2kW ，于是輸送效率

6.2萵筍打葉機構效率計算

打葉輸送裝置由夾持皮帶輪進行輸送轉動，選用的驅動電機輸入功率 P=0.0015kW ，萵筍夾持前進收到摩擦力 F=5N ，前進速度 V=0.2m/s ，輸出功率 P₀=FV=5×0.2=1W=0.001kW 。

輸送效率 66.7% 。

同理二次輸送裝置驅動電機輸入功率取 P= 0.03kW ，推動萵筍做功功率 P₁=0.01kW ，輸送效率

6.3開溝修整機構效率計算

由上述計算可知，開溝修整機構的功率 L_x= khbV_xη=0.3×15×0.068×0.3×0.7=0.06426kW ，取驅動旋耕刀電機的輸入功率 P=0.1kW ，則旋耕效率 。

6.4行走支架機構效率計算

由上述計算可知行走支架機構的功率 ∝×10^-3=40×9.8×2.0×0.3/0.98×10^-3=0.24kW ，取電機的輸入功率P=0.3kW，則行走效率η行走= （204號

7結語

該收獲機不僅能迅速完成萵筍的切割收獲任務，同時能適應粗細不一的萵筍，實現自動化打葉，極大地提高了收獲效率。其柔性傳送機構確保在收割過程中不損傷萵筍，保障了萵筍品質。此外，該收獲機還配備了開溝輪，能夠對土地進行翻整并滴灌施肥，促進土地恢復，為二次規劃做好準備。隨著社會對農業機械化水平需求的不斷提高，該收獲機的市場前景廣闊，具有顯著的推廣應用價值。其自動化的作業流程不僅加快了收割速度，提高了生產效率，還節省了人力和物力資源，有效降低了成本。

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