一種基于莖葉類(lèi)蔬菜的收獲機(jī)柔性?shī)A持輸送裝置

楊凱凱 胡 昀

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

1.引言

我國(guó)是一個(gè)名副其實(shí)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，擁有規(guī)模相當(dāng)大的蔬菜種植面積，然而從當(dāng)下我國(guó)蔬菜種植現(xiàn)狀來(lái)看，主要還是依靠傳統(tǒng)人工方式開(kāi)展工作，配套機(jī)械自動(dòng)化水平不高，尤其是針對(duì)收獲環(huán)境的機(jī)械設(shè)備更是缺少。根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，在蔬菜整個(gè)種植過(guò)程中，收獲環(huán)節(jié)的作業(yè)規(guī)模占據(jù)了總作業(yè)量的4成左右，并且當(dāng)下該環(huán)節(jié)主要還是依靠人工勞作來(lái)完成，不僅需要消耗大量的人力，同時(shí)也難以有效提升蔬菜收獲的效率，不利于保證蔬菜收獲的及時(shí)性。在現(xiàn)代社會(huì)環(huán)境下，用人成本越來(lái)越高，這必然會(huì)影響到蔬菜種植戶(hù)的經(jīng)濟(jì)收益，不利于提高自身的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。所以，積極開(kāi)展農(nóng)業(yè)收獲自動(dòng)化機(jī)械的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作，對(duì)于改善我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、提升種植戶(hù)經(jīng)濟(jì)收入具有十分重要的作用。為了有效解決現(xiàn)階段我國(guó)蔬菜種植中存在的問(wèn)題，我國(guó)許多專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了大量研究工作，研究方式主要包含了兩個(gè)方面，分別是從國(guó)外引進(jìn)成熟的農(nóng)業(yè)自動(dòng)化機(jī)械，然后依照我國(guó)實(shí)際種植狀況，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的改造與優(yōu)化，這種農(nóng)業(yè)機(jī)械性能穩(wěn)定、工作效率高，相比較于人工勞作，其工作效率能夠提高5倍左右；其次是自主研究與開(kāi)發(fā)相關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械配套設(shè)施，機(jī)型結(jié)構(gòu)規(guī)模較小，靈活性高，也能夠很好地滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)收獲需求，特別是大棚與溫室作業(yè)環(huán)境中。然而，我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械盡管能夠?qū)崿F(xiàn)輸出的收獲，但是還不具備有序放置的功能，依舊需要通過(guò)人工進(jìn)行二次勞作，本文探究的莖葉類(lèi)蔬菜收獲機(jī)實(shí)現(xiàn)了蔬菜收獲的有序排放，并配套了一個(gè)柔性?shī)A持輸送裝置，能夠降低對(duì)蔬菜的損壞，保證收獲機(jī)的整體工作效果。

2.收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)與工作流程分析

依照實(shí)際設(shè)計(jì)要求，確定蔬菜收獲機(jī)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，具體如表1所示。收獲機(jī)總體架構(gòu)如圖1所示，主要涵蓋了行走裝置、仿形輪、蝸輪蝸桿動(dòng)力傳動(dòng)裝置、水平傳輸機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電動(dòng)提升機(jī)構(gòu)、輸送帶張緊機(jī)構(gòu)、扶禾機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)以及分禾器等。

表1 莖葉類(lèi)蔬菜收獲機(jī)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

圖1 莖葉類(lèi)蔬菜收獲機(jī)總體架構(gòu)示意圖

莖葉類(lèi)蔬菜收獲機(jī)在進(jìn)行工作過(guò)程中，主要流程包含了以下幾個(gè)部分：

2.1 分禾

分禾器將蔬菜植株扶植起來(lái)，由于該裝置設(shè)計(jì)了的敞開(kāi)角，所以能夠?qū)⑹卟酥仓陻n入到各個(gè)分禾器內(nèi)部。

2.2 夾持

將各個(gè)莖葉類(lèi)蔬菜植株輸送到夾持裝置。

2.3 切割

割刀安裝設(shè)定的速度做水平往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，將植株的根莖切割下來(lái)。

2.4 輸送

收獲機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，提升機(jī)構(gòu)將蔬菜植株運(yùn)輸?shù)睫D(zhuǎn)向裝置，與此同時(shí)在輸送帶上方設(shè)置有扶禾機(jī)構(gòu)，防止出現(xiàn)長(zhǎng)蔬菜植株倒塌在輸送帶上。

2.5 轉(zhuǎn)向

蔬菜植株在運(yùn)輸?shù)睫D(zhuǎn)向裝置之后，在沒(méi)有上方夾持力的作用下，再加上蔬菜植株底部受到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的阻擋，會(huì)使其有序的轉(zhuǎn)向到水平輸送線(xiàn)上。

2.6 裝載

蔬菜植株在水平輸送帶的作用下，會(huì)有序轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)料口側(cè)，之后進(jìn)入到集裝箱或者太空袋中，實(shí)現(xiàn)蔬菜植株的有序存儲(chǔ)。

3.柔性?shī)A持輸送裝置設(shè)計(jì)

在莖葉類(lèi)蔬菜收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)中，夾持輸送裝置占據(jù)了極其重要的地位，該裝置工作效果將直接影響到蔬菜收獲品質(zhì)，所以?shī)A持力大小的選取十分重要。當(dāng)夾持力不足時(shí)，極易導(dǎo)致蔬菜的掉落，當(dāng)夾持力過(guò)大時(shí)，可能會(huì)對(duì)蔬菜莖部產(chǎn)生損壞，降低蔬菜經(jīng)濟(jì)價(jià)值。為了解決這樣的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種柔性?shī)A持輸送裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 莖葉類(lèi)蔬菜柔性?shī)A持輸送裝置結(jié)構(gòu)示意圖

柔性?shī)A持輸送裝置涵蓋了分禾器、主從動(dòng)帶輪、切割機(jī)構(gòu)、夾持帶、扶禾機(jī)構(gòu)以及夾持輪等部分。由于蔬菜類(lèi)莖稈的外徑尺寸差別較大，所以在該機(jī)構(gòu)中應(yīng)用了雙帶式夾持方式，更好滿(mǎn)足不同蔬菜莖稈對(duì)夾持形式與夾持力的要求。夾持輸送裝置以左右對(duì)稱(chēng)方式布置在前進(jìn)方向機(jī)構(gòu)的兩側(cè)，使得夾持輸送線(xiàn)中心線(xiàn)和莖葉類(lèi)蔬菜種植中心線(xiàn)保持一致。夾持輪也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸送帶的張緊，設(shè)置在夾持帶兩邊。柔性?shī)A持輸裝置運(yùn)行動(dòng)力來(lái)自直流可調(diào)速電機(jī)，依托于渦輪蝸桿動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)夾緊帶往上進(jìn)行提升運(yùn)動(dòng)。

3.1 輸送帶傾斜角度選取

柔性?shī)A持輸送裝置在實(shí)際工作過(guò)程中，其運(yùn)行面會(huì)與水平面保持一定的夾角，如圖3所示，輸送裝置傾斜角的選取直接關(guān)系到莖葉類(lèi)蔬菜收獲效果。在本設(shè)計(jì)中，選取的輸送帶傾斜角為15°±5°，輸送帶初始位置和切割機(jī)構(gòu)相連，最大程度確保夾緊帶靠近蔬菜根部，夾持住蔬菜莖部。

圖3 莖葉類(lèi)蔬菜收獲機(jī)輸送帶工作方式圖

正常情況下，柔性?shī)A持裝置夾持點(diǎn)距離地面高度H為：

上述公式中，h表示為割刀距離地面的垂直高度，D表示帶輪外徑，α表示為輸送裝置與水平面的夾角。

蘆蒿根莖外徑一般為15mm左右，留茬高度通常為30mm左右，設(shè)定輸送帶輪中心距離為1100mm，讓莖葉類(lèi)蔬菜在恒定傾斜角的背景下確保輸送機(jī)構(gòu)的有效提升高度，與相鄰的水平輸送機(jī)構(gòu)相配合，實(shí)現(xiàn)蔬菜的有序、穩(wěn)定輸送。

3.2 夾持帶夾持方式的選擇

根據(jù)莖葉類(lèi)蔬菜實(shí)際夾持需求，選取同步齒形帶為夾持帶，該類(lèi)型帶擁有瞬時(shí)傳動(dòng)比準(zhǔn)確性高、傳動(dòng)效率好、速度穩(wěn)定、噪聲低、耐沖擊性能優(yōu)越、維護(hù)簡(jiǎn)便以及初始張緊力較低等優(yōu)勢(shì)，能夠確保整個(gè)傳輸過(guò)程穩(wěn)定、可靠，確保蔬菜植株能夠有序進(jìn)入到水平輸送帶，有效降低沖擊載荷。

3.3 夾緊輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾緊輪外徑大小會(huì)對(duì)輸送效果產(chǎn)生非常大的影響，如果夾緊輪外徑尺寸偏小，會(huì)導(dǎo)致相連夾緊輪之間的距離尺寸偏大，對(duì)蔬菜植株的夾持力會(huì)變小，極易導(dǎo)致輸送過(guò)程中蔬菜植株出現(xiàn)掉落的情況；如果夾緊輪外徑尺寸偏大，會(huì)造成相連夾緊輪之間的距離尺寸偏小，降低蔬菜植株的實(shí)時(shí)運(yùn)輸量，不利于提升收獲機(jī)的整體工作效率。

同步動(dòng)在長(zhǎng)時(shí)間工作以后會(huì)出現(xiàn)塑性變形，產(chǎn)生松弛問(wèn)題，對(duì)裝置正常運(yùn)行與夾持效果產(chǎn)生較大影響，所以應(yīng)當(dāng)要為夾持裝置配置張緊裝置，確保夾持牢固可靠。在本設(shè)計(jì)中，夾持輪也能夠發(fā)揮張緊輪的作用，通過(guò)松開(kāi)夾持輪安裝螺栓，可以實(shí)現(xiàn)夾持輪安裝位置的調(diào)整。依托于改變張緊輪軸心位置改變張緊力大小，確保夾持帶始終保持張緊狀態(tài)。通過(guò)這種設(shè)計(jì)方式，在保證裝置穩(wěn)定可靠運(yùn)行的同時(shí)，也能夠降低裝置拆卸、維修的便捷性。

3.4 輸送速度的選擇

因?yàn)槭斋@機(jī)正常行走速度在3～6km/h，所以提升輸送裝置的運(yùn)行速度應(yīng)當(dāng)要高于行走速度，確保蔬菜植株能穩(wěn)定夾持，有效防范較多蔬菜積壓在提升機(jī)構(gòu)中。當(dāng)作業(yè)速度太高時(shí)，會(huì)同步帶動(dòng)蔬菜植株快速運(yùn)行，從而難以有序進(jìn)入到橫向輸送帶上，同時(shí)還容易對(duì)蔬菜產(chǎn)生較大損傷。所以，在進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)要確保能夠調(diào)整速度，調(diào)整幅度控制在0.5～0.9m/s。水平輸送速度應(yīng)當(dāng)要適當(dāng)高于提升輸送機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度，避免大量蔬菜植株積壓在輸送帶前端，但是如果運(yùn)行速度過(guò)高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較多的空行程現(xiàn)象，浪費(fèi)較多功率，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致蔬菜植株進(jìn)入到集裝箱中的速度過(guò)高，造成蔬菜的損壞，降低蔬菜的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。為此，綜合各方面因素，在本設(shè)計(jì)中確保水平輸送帶的速度略高于提升輸送裝置的工作速度，大約為0.1m/s。

4.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，柔性?shī)A持輸送裝置是莖葉類(lèi)收獲機(jī)中十分重要的一個(gè)部位，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，要特別注重夾持形式的選擇、夾持力的選取等，這些都具有較大的難度。同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還需要針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行不斷優(yōu)化，進(jìn)一步提高蔬菜收獲機(jī)的工作效率與質(zhì)量。