小型智能葉菜類蔬菜收割機(jī)設(shè)計(jì)

高　龍，弋景剛,孔德剛，袁永偉

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定　071001)

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小型智能葉菜類蔬菜收割機(jī)設(shè)計(jì)

高龍，弋景剛,孔德剛，袁永偉

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定071001)

摘要：目前，我國大部分葉菜類蔬菜收獲作業(yè)基本靠人工完成，收割效率低，且對蔬菜損傷較大。針對葉菜類蔬菜收割存在的問題，通過使用功能樹對機(jī)器功能進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種小型智能自動(dòng)化葉菜類蔬菜收割機(jī)。該機(jī)能夠根據(jù)蔬菜種類的不同，智能調(diào)節(jié)收割蔬菜的割幅寬度與割茬高度，并采用了電池直流驅(qū)動(dòng)技術(shù)、絲桿升降技術(shù)、雙向絲杠技術(shù)和分級傳動(dòng)技術(shù)。該收割機(jī)收割效率高，可保證蔬菜的收割品質(zhì)，滿足國內(nèi)大部分地區(qū)葉菜類蔬菜收割的需要。

關(guān)鍵詞：蔬菜收割機(jī)；割幅調(diào)整；割茬調(diào)整

0引言

據(jù)最新資料顯示：2014年，我國蔬菜面積達(dá)到0.2億hm2多，年產(chǎn)量超過7億t，人均占有量500kg多，均居世界第一位[1]。其中，設(shè)施蔬菜面積達(dá)386.2萬hm2，葉菜占設(shè)施蔬菜的50%[2]。由于不同葉菜類蔬菜之間的生態(tài)學(xué)特性各異，葉菜類蔬菜的統(tǒng)一收獲有著較大的難度，其收獲作業(yè)基本依靠人工完成；但葉菜生長周期短，收割即時(shí)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、人工收割質(zhì)量難以控制，直接影響蔬菜品質(zhì)，降低了葉菜價(jià)值[3]。隨著勞動(dòng)力價(jià)格不斷上漲，人工收割費(fèi)用占蔬菜成本大幅度提高，市場急需一種智能化葉菜收割機(jī)械[4]。為此，設(shè)計(jì)了一種智能自動(dòng)化葉菜類蔬菜收割機(jī)，能夠根據(jù)蔬菜種類及收割要求的不同，對割幅和割茬高度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，并對關(guān)鍵工作部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該機(jī)充分利用電力資源， 盡可能地減輕機(jī)器作業(yè)時(shí)對環(huán)境的污染，使其滿足國內(nèi)大多數(shù)地區(qū)的葉菜類蔬菜的收割要求。

1裝置方案擬定

為了能較好地設(shè)計(jì)出小型智能自動(dòng)化葉菜類蔬菜收割機(jī)的各部分功能，對收割機(jī)的功能進(jìn)行功能樹[5]的分析，分析結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　功能樹

根據(jù)創(chuàng)造方法的相關(guān)原理，建立能完成功能樹內(nèi)的各個(gè)功能形態(tài)學(xué)矩陣[6]，如表1所示。

根據(jù)形態(tài)學(xué)矩陣?yán)碚?為實(shí)現(xiàn)功能樹內(nèi)的功能，可以有2×3×3×3×2×3=324種方案。通過對國內(nèi)外市場上的類似產(chǎn)品的分析，對比各種執(zhí)行方式的優(yōu)劣并考慮到小型智能自動(dòng)化葉菜類收割機(jī)的成本、裝配的難易和可靠性等要求，確定最終方案選擇為盤式驅(qū)動(dòng)力輪行走、輸送帶輸送蔬菜、雙向絲杠割副調(diào)節(jié)、絲桿升降割茬調(diào)節(jié)、圓盤式切割器切割蔬菜，以及人工手動(dòng)啟?？刂频姆桨浮?/p>

表1　收割機(jī)形態(tài)學(xué)矩陣

2總體結(jié)構(gòu)

葉菜類蔬菜收割機(jī)采用蓄電池做直流電源；在收割機(jī)的前端設(shè)置割茬高度調(diào)整機(jī)構(gòu)，由直流電機(jī)與絲桿升降機(jī)組成，絲桿升降機(jī)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行上下移動(dòng)；前端底部裝有割幅調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)裝置，由電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，也可由人工對割幅進(jìn)行微調(diào)；收割機(jī)的中部設(shè)置了蔬菜輸送機(jī)構(gòu)，由兩級輸送機(jī)構(gòu)組成，分別由兩個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行動(dòng)力輸入；行走則由直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)行走輪進(jìn)行移動(dòng)；收割機(jī)尾部設(shè)有蔬菜收集箱對蔬菜進(jìn)行收集。割茬調(diào)整機(jī)構(gòu)、分禾器、割幅調(diào)整機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、輸送直流電機(jī)、前進(jìn)扶手、控制箱、行走輪及收集箱全部裝在機(jī)架上，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的割刀布置在割幅調(diào)整機(jī)構(gòu)上，如圖2所示。

1.扶手　2.輸送電機(jī)　3.輸送機(jī)構(gòu)　4.絲桿升降機(jī)　5.直流電機(jī)

如圖2所示：直流電機(jī)與絲桿升降器直接連接，二者安裝在機(jī)架的前端;分禾器安裝在機(jī)架的前端中部；割幅調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)架的前端下部，割刀則布置在割幅調(diào)整機(jī)構(gòu)上的割刀放置器上；輸送機(jī)構(gòu)前端安裝在割幅調(diào)整機(jī)構(gòu)的前端，中部布置在機(jī)架中部上，尾部則安裝在機(jī)架的尾部；蓄電池放置在機(jī)架的中下部；驅(qū)動(dòng)輪布置在蓄電池的下部與機(jī)架相連；控制箱安裝在機(jī)架的中部右側(cè)；蔬菜收集箱安裝在機(jī)架的尾部，前進(jìn)扶手與機(jī)架的尾部的凸起處相連。

工作時(shí)，確定好收割蔬菜種類，由控制箱發(fā)出信號，幅寬調(diào)整機(jī)構(gòu)與絲桿升降機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，使割刀運(yùn)動(dòng)到合適的收割位置，二者動(dòng)作停止。此時(shí)，割刀開始工作，行走輪在直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下開始進(jìn)行行走；輸送機(jī)構(gòu)在輸送電機(jī)的帶動(dòng)下進(jìn)行動(dòng)作，輸送機(jī)構(gòu)中先由一級輸送裝置將收割的蔬菜進(jìn)行空間90°翻轉(zhuǎn)并運(yùn)送到二級輸送裝置上；二級輸送裝置將蔬菜輸送到蔬菜收集箱中。

3關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1　割幅調(diào)整機(jī)構(gòu)

割幅調(diào)整機(jī)構(gòu)由主調(diào)整機(jī)構(gòu)與微調(diào)機(jī)構(gòu)組成。主調(diào)整機(jī)構(gòu)主要包括直流電機(jī)、雙向絲杠及割刀放置器。微調(diào)整機(jī)構(gòu)包括小型雙向絲杠、手輪及幅寬控制器，如圖3所示。

圖3　割幅調(diào)整機(jī)構(gòu)

整個(gè)調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在收割機(jī)支架的前端；直流電機(jī)通過聯(lián)軸器與雙向絲杠進(jìn)行連接，雙向絲杠上的方形螺母與割刀放置器連接在一起。直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，雙向絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)方形螺母進(jìn)行直線移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了收割行距的調(diào)整。微調(diào)機(jī)構(gòu)中的小型雙向絲杠上的方形螺母直接固定幅寬控制器，通過搖動(dòng)兩側(cè)的手輪對幅寬控制器的間距進(jìn)行調(diào)整。微調(diào)機(jī)構(gòu)的主要作用是依靠人工對不同的蔬菜的夾持輸送寬度進(jìn)行調(diào)整。

3.2　割茬高度調(diào)整機(jī)構(gòu)

割茬高度調(diào)整機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)、絲桿升降器及行走輪等組成，如圖4所示。直流電機(jī)與絲桿升降器直接連接，兩個(gè)絲桿升降器之間由同步軸連接，絲桿升降器的絲桿下端分別安裝行走輪。

圖4　割茬調(diào)整機(jī)構(gòu)

割茬調(diào)整機(jī)構(gòu)根據(jù)不同葉菜類蔬菜的種類與生長狀況，確定出不同的割茬高度。控制裝置給出確定的信號，直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)絲桿升降機(jī)進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)不同的種類與不同生長狀況的蔬菜具有不同的割茬高度。

3.3　輸送機(jī)構(gòu)

輸送機(jī)構(gòu)由一級輸送機(jī)構(gòu)與二級輸送機(jī)構(gòu)組成：一級輸送機(jī)構(gòu)主要包括前端豎置輸送小輪、橫置輸送輪及條形帶等;二級輸送機(jī)構(gòu)包括前后輸送輪、寬型輸送帶等，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　輸送機(jī)構(gòu)

一級輸送機(jī)構(gòu)安裝在蔬菜收割機(jī)的前端，條形帶一端安裝在豎置輸送小輪上，相鄰兩帶的另一端則分別放在上下兩個(gè)橫豎輸送輪上，可使用相鄰兩帶之間的夾持力輸送蔬菜。一級輸送機(jī)構(gòu)的主要作用是將收割上來的葉菜類蔬菜夾持輸送并將豎直蔬菜橫向放倒后送至二級傳送機(jī)構(gòu)；二級輸送機(jī)構(gòu)則將從一級輸送機(jī)構(gòu)輸送上來的蔬菜輸送至較高位置并將其拋入收集箱中。

4蔬菜輸送速度的確定

輸送機(jī)構(gòu)是聯(lián)系割刀和收集箱的橋梁，其速度快慢直接影響整機(jī)的工作性能。輸送機(jī)構(gòu)既不能被堵塞也不能浪費(fèi)不必要的功率，同時(shí)要保證蔬菜在收集箱中有合適的堆放位置。為了更好地保證葉菜類蔬菜的收割品質(zhì)，有必要對輸送機(jī)構(gòu)的輸送速度進(jìn)行計(jì)算，得到與整機(jī)行走速度相匹配的輸送速度。

4.1　一級輸送機(jī)構(gòu)速度計(jì)算

一級輸送機(jī)構(gòu)主要靠條形帶的夾持力進(jìn)行蔬菜的輸送，輸送帶快則夾持蔬菜層薄，輸送帶慢則加持蔬菜層厚。這時(shí)輸送帶速度則應(yīng)該按指定的蔬菜堆疊厚度使輸送帶單位時(shí)間內(nèi)的蔬菜輸送量和機(jī)器收割量相等而確定[7]。即

VmBq1=Vsdq2

(1)

式中Vm—機(jī)器前進(jìn)速度(m/s)；

q1—蔬菜生產(chǎn)密度(株/m3)；

B—割幅(m)；

Vs—一級輸送帶速度(m/s)；

d—蔬菜在輸送帶的夾持厚度(mm)；

q2—為蔬菜在輸送帶上的集聚密度(m/s)。

所以有

(2)

其中，k為蔬菜積集系數(shù)，k=q1/q2，k一般取18~33，d≤60mm。

4.2　二級輸送機(jī)構(gòu)計(jì)算

二級輸送帶上需要有一定的蔬菜堆疊厚度。通過分析其輸送原理可以得到二級輸送帶的速度Vd與夾持層的厚度h關(guān)系為

(3)

式中Vd—二級輸送帶的速度；

h—蔬菜在二級傳送帶上的堆疊高度。

同時(shí)，二級輸送帶的尾端為了將蔬菜拋入收集箱中，二級輸送帶還應(yīng)該滿足下列條件[8](見圖6)，即

圖6　蔬菜輸送帶上的受力分析圖

(4)

式中m—蔬菜的質(zhì)量(kg)；

r—輸送輪的半徑(mm)；

ω—輸送帶輪的角速度(rad/s)；

g—重力加速度(m/s2)；

α—輸送帶的傾角。

因此有

(5)

又因

Vd=rω

(6)

所以

(7)

當(dāng)cosα =1時(shí)為最不利的情況，其最低極限值為

(8)

其中，Vmin為輸送帶的最低極限值。所以綜上所述二級輸送帶的速度Vd大于Vmin。

通過理論計(jì)算可以得到一級輸送機(jī)構(gòu)輸送帶與二級輸送帶的速度的范圍值。由于不同葉菜類蔬菜之間的桿徑集聚系數(shù)q以及被輸送蔬菜的夾持層厚度d與堆疊高度h的不同，導(dǎo)致了輸送帶速度的值無法準(zhǔn)確得到。為了更好地保證葉菜類蔬菜的收割品質(zhì)，需要對收割機(jī)進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)來確定出輸送帶速度的準(zhǔn)確值。

5結(jié)論

通過使用功能樹進(jìn)行分析，為滿足國內(nèi)大多數(shù)地區(qū)的葉菜類蔬菜收割，設(shè)計(jì)了小型智能自動(dòng)化葉菜類蔬菜收割機(jī)，并確定該機(jī)使用蓄電池作為動(dòng)力，以割幅調(diào)整機(jī)構(gòu)及割茬高度調(diào)整機(jī)構(gòu)，輸送機(jī)構(gòu)作為主要部件對葉菜類蔬菜進(jìn)行收割。割幅與割茬調(diào)整機(jī)構(gòu)使得該機(jī)更好地滿足了實(shí)際作業(yè)需求，且具有更高的通用性。通過對輸送機(jī)構(gòu)速度的理論計(jì)算，確定出與行走速度相匹配的蔬菜輸送速度范圍值；但為了更好的保證蔬菜的收割質(zhì)量，需對整機(jī)進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)。

相比于傳統(tǒng)的葉菜類蔬菜收割機(jī)，本文所設(shè)計(jì)的小型智能自動(dòng)化葉菜類收割機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造加工容易、操作使用方便、工作效率高且能保證被收割蔬菜品質(zhì)。因此，蔬菜收割機(jī)具有很大的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?，但在機(jī)器中個(gè)別零部件處需進(jìn)一步的改進(jìn)，整機(jī)需要進(jìn)一步的試驗(yàn)分析。

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Design of a Small Intelligent Leafy Vegetable Harvester

Gao Long, Yi Jinggang, Kong Degang, Yuan Yongwei

(Mechanic and Electronics College, Agriculture University of Hebei, Baoding 071001，China)

Abstract：Currently, most of the harvesting operation of leafy vegetable was completed by manual work in china, which are inefficiency and serious damage to vegetable. To solve this problem，this paper design a small intelligent leafy vegetable harvesters.It can adjust the cutting width and cutting height to suit different kinds of vegetables.The machine utilizes some technologies that are lead screw for lifting ,the DC drive cage steering wheel,two-stage drive and Two-way lead screw. The machine get high harvesting efficiency, while ensuring the quality of the vegetables to meet harvesting requirements for vegetables in large part of china.

Key words：vegetable harvester; cutting width adjustment; cutting height adjustment

中圖分類號：S225.92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0147-04

作者簡介：高龍(1991-)，男，河北唐山人，碩士研究生，(E-mail)skygaolong@126.com。通訊作者：弋景剛(1961-)，男，河北滄州人，教授，(E-mail)yjg@hebau.edu.com。

基金項(xiàng)目：河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(15227209D)；河北省蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(2014)

收稿日期：2015-08-27