番茄扶秧收割機(jī)設(shè)計

韓曉琪　馮指名　蘇娜　王文娟　王瑞麗

摘要：針對番茄聯(lián)合收割獲過程中分秧扶秧效果不好、收割損失大的問題，提出番茄兩段收獲方法，研制番茄扶秧收割機(jī)。該機(jī)主要由分秧器、扶秧器、切割器、電機(jī)和機(jī)架構(gòu)成，能完成番茄分秧、扶秧和收割功能。采用蓄電池提供動力，可實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，在大棚、溫室內(nèi)進(jìn)行收獲作業(yè)。利用三維建模軟件建立收割機(jī)三維模型，對關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析。通過虛擬試驗和有限元分析優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)并制作樣機(jī)，為番茄扶秧收獲機(jī)的研制提供了參考。

關(guān)鍵詞：番茄；收獲機(jī)； 分秧；扶秧；有限元分析

中圖分類號：G312；S-03 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2018）01-0026-03

我國是世界上番茄栽培面積最大、生產(chǎn)總量最多的國家，也是世界第二大加工番茄生產(chǎn)基地。番茄種植和田間管理已基本實現(xiàn)機(jī)械化，但仍主要依靠人工采摘，收獲機(jī)械化水平較低。國外對番茄收獲機(jī)研究起步早且技術(shù)成熟，主要以 FMC，CTM等公司為代表。進(jìn)口收獲機(jī)價格昂貴，服務(wù)周期長，難以滿足國內(nèi)番茄收獲需求。國內(nèi)對番茄收獲機(jī)的研究主要集中在新疆，李景彬等研究了番茄收獲拋秧裝置，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化和優(yōu)化，提高了番茄收獲質(zhì)量。齊偉等對番茄收獲機(jī)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，以提高番茄收獲機(jī)的作業(yè)效率和番茄收獲質(zhì)量。陳明昌等在番茄收獲機(jī)上加裝測產(chǎn)裝置，以提高番茄收獲信息化水平。周軍平等對番茄收獲機(jī)喂入機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以提高番茄收獲的質(zhì)量。另外，番茄分枝能力強(qiáng)，果實多且重，容易導(dǎo)致番茄秧倒伏，收獲時難以從地表收集并分離倒伏的番茄秧和果實，部分番茄漏收或被收獲機(jī)輪胎壓碎，造成較大損失。徐為民等研究番茄扶秧機(jī)，對其結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計和仿真分析，為機(jī)械化收獲番茄提供依據(jù)。

為解決番茄倒伏難以完整收獲的問題，可采用兩段收獲方法，即先把倒伏的番茄秧和果實扶起并收割鋪放到壟上，再用番茄聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行撿拾、輸送、摘果、分離等作業(yè)，減少因倒伏導(dǎo)致的番茄損失。結(jié)合番茄生產(chǎn)農(nóng)藝要求，研制一種兩段式小型番茄扶秧收割機(jī)，旨在探索番茄扶秧收獲的參數(shù)，為研制番茄扶秧收獲機(jī)提供依據(jù)。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作過程

番茄扶秧收獲試驗裝置由分秧器、撥秧器、切割器和機(jī)架組成（圖1），能夠?qū)崿F(xiàn)對成熟番茄的分秧、扶秧、切割功能。分秧器使倒伏在壟溝內(nèi)相互纏繞的番茄秧分離，通過一對相對旋轉(zhuǎn)的撥秧器把分離開來的番茄秧扶正并撥向兩側(cè)，為切割器收割番茄秧做準(zhǔn)備。最后，用往復(fù)運(yùn)動的切割器切割長有番茄的番茄秧，并輸送到一側(cè)鋪放。番茄收割并鋪放后可人工摘果或使用帶有撿拾器的聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行后續(xù)摘果和分離作業(yè)。

番茄扶秧機(jī)試驗裝置主要參數(shù)如表1所示。

2 典型零部件設(shè)計

2.1 分秧器

分秧器（圖2）由護(hù)板、擋板和支撐架組成，護(hù)板擋板連接成楔形，分秧器較長直角邊長度350 mm，與地面形成一個5°～7°的向下偏角（視支撐輪大小角度可以調(diào)整）。分秧器的作用是將收割機(jī)收割范圍之外的相互纏繞的秧分離；支撐架起到固定和支撐的作用，防止番茄秧過于濃密對材質(zhì)較軟的分秧器阻力過大造成變形；偏向地面的微小角度可以更好地分離貼近地面的秧，起到更好的分離效果；分秧過程中，分秧器兩側(cè)與番茄秧緊密接觸，摩擦損失較大，護(hù)板可以有效保護(hù)分秧器。

2.2 撥秧器

撥秧器（圖3）由撥秧輥子和若干軟質(zhì)橡膠條組成，輥子由軸承固定在機(jī)架上，軟質(zhì)橡膠條均勻地在輥子上纏繞兩周。輥子裝在分秧器之后，2個一組相向旋轉(zhuǎn)，前排一組的兩個輥子向外側(cè)旋轉(zhuǎn)，后排輥子向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)。需要注意的是，輥子上為增加摩擦力而加裝的軟質(zhì)橡膠條的纏繞方向一定要正確。分秧器將番茄秧分離后，撥秧器利用輥子旋轉(zhuǎn)使軟質(zhì)橡膠條和番茄秧接觸產(chǎn)生摩擦力，將番茄秧扶正，便于番茄秧進(jìn)入收割范圍。其中，前排輥子間距較小，向外側(cè)旋轉(zhuǎn)將倒向中間的番茄秧扶正；后排輥子間距較大，向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)將倒向外側(cè)的番茄秧扶正。前后排輥子一起工作，可以將倒伏的番茄秧扶正，等待收割刀切割。橡膠管的直徑不宜過大或過小，過大或過小都會影響輥子對番茄秧的扶秧作用。

2.3 切割器

切割器為往復(fù)式割刀，主要由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和割刀組成，由于番茄秧較為粗大，故采用通用I型割刀。I型割刀的切割速度較高，切割性能較強(qiáng)。割刀的帶動裝置為曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，在小型聯(lián)合收割機(jī)中應(yīng)用較廣。

2.4 機(jī)架和動力選擇

機(jī)架是整個裝置的基礎(chǔ)。為防止往復(fù)式割刀的巨大震動破壞整體結(jié)構(gòu)、影響工作效率，機(jī)架整體應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，故機(jī)架材料選用高強(qiáng)度高剛度的鋼材。此外，該機(jī)還在機(jī)架上安裝了支撐輪，主要起支撐作用，并減小割刀擺動震蕩對正常工作的影響。

為能在溫室或大棚進(jìn)行番茄收獲作業(yè)，選擇電機(jī)（12 V，50 r/min）為收割機(jī)和撥秧器提供動力，電機(jī)由12 V蓄電池供電。

3 分秧器有限元分析

利用Solidworks軟件對試驗裝置進(jìn)行三維建模和有限元分析，如圖4所示。

分析結(jié)果表明，分秧器最大應(yīng)力為501 kN/m2，最小應(yīng)力為3 kN/m2，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求。

4 結(jié)論

采用三維建模方法設(shè)計番茄扶秧收割機(jī)并進(jìn)行樣機(jī)制作，在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計競賽中獲得三等獎。該機(jī)集分秧、扶秧、切割功能于一體，能節(jié)省人工分秧、扶秧成本。樣機(jī)尚需進(jìn)一步試驗完善，以期在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用。

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