0引言

我國(guó)的胡蘿卜種植面積和收獲總量均為世界第一,但其收獲機(jī)械化發(fā)展程度低,受制于我國(guó)多山地丘陵^[1—2],以及不同地區(qū)、不同人的種植農(nóng)藝差異這兩大因素,至今大部分地區(qū)仍采用人工采收的方式,效率低下^[3—5]。本收獲機(jī)設(shè)計(jì)出于對(duì)這兩大因素的考慮,通過(guò)夾拔裝置模塊化實(shí)現(xiàn)收獲行間距可調(diào),克服種植農(nóng)藝差異。收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小,適應(yīng)各種地區(qū),收獲功能齊全,并且最多可一次性收獲三行胡蘿卜,收獲效率高。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本收獲機(jī)采用夾拔模塊同整機(jī)為一條直線的方式,切下后的纓子無(wú)法直接向后拋灑,故在夾拔裝置末端加裝擋板,再用風(fēng)機(jī)提供風(fēng)力吹除纓子。整機(jī)為純機(jī)械組成,未使用電力驅(qū)動(dòng),動(dòng)力由搭載了8.5 kW 常州單缸風(fēng)冷柴油機(jī)192F的手扶拖拉機(jī)提供,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

收獲機(jī)以攏纓部件、疏土裝置、夾拔裝置、往復(fù)割刀切纓裝置、風(fēng)機(jī)除纓、運(yùn)輸收集這六大模塊為主要框架,輔以其他零件構(gòu)成,機(jī)體總長(zhǎng)2000 mm,寬1200 mm,高1 600 mm,夾拔裝置模塊化設(shè)計(jì),通過(guò)導(dǎo)軌滑塊來(lái)實(shí)現(xiàn)行間距可調(diào)可拆卸。

2可調(diào)夾拔模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)多行夾拔間距可調(diào),需將夾拔裝置模塊化,單組模塊的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,其主要由攏纓部件、疏土裝置、夾拔裝置構(gòu)成,對(duì)應(yīng)攏纓、疏土、夾拔三大收獲功能。

2.1 可調(diào)間距結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

將夾拔裝置模塊化,會(huì)遇到如何實(shí)現(xiàn)夾拔裝置的移動(dòng)、如何給夾拔裝置提供動(dòng)力,以及前輪壓到旁側(cè)未收獲胡蘿卜的問(wèn)題,在此采用如下方法實(shí)現(xiàn)。

2.1.1移動(dòng)問(wèn)題

通過(guò)使用圓柱導(dǎo)軌解決裝置移動(dòng)問(wèn)題。圓柱導(dǎo)軌適用于精度要求不高、低速的場(chǎng)合,且在徑向有較好的承載力,制造價(jià)格便宜,結(jié)合機(jī)架尺寸等因素,考慮采用SBR25導(dǎo)軌滑塊裝置,導(dǎo)軌長(zhǎng)度比機(jī)架長(zhǎng)度小約一個(gè)滑塊,以便拆卸。并且滑塊帶有鎖緊手柄,方便固定調(diào)整位置,如圖3所示,支撐梁通過(guò)螺栓固連,滑軌移動(dòng),實(shí)現(xiàn)間距可調(diào)。

2.1.2傳動(dòng)問(wèn)題

解決了移動(dòng)問(wèn)題后,需要考慮主動(dòng)帶輪提供動(dòng)力并使傳動(dòng)部分能夠移動(dòng)。從能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳動(dòng)且傳遞較大力矩,便于拆卸和適應(yīng)惡劣環(huán)境等因素綜合考慮,選擇鏈傳動(dòng),其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示,通過(guò)使用滑鍵將主動(dòng)鏈輪安裝于主傳動(dòng)軸上,以便進(jìn)行滑移。

2.1.3前輪距離問(wèn)題

若前輪間距固定,則可能會(huì)壓到近旁還未采摘的胡蘿卜,所以需要能改變前輪間距的裝置,在此使用充氣萬(wàn)向輪,可以很好地解決該問(wèn)題。

2.2攏纓部件設(shè)計(jì)

夾持拔取式收獲過(guò)程中,胡蘿卜纓子與傳送帶接觸產(chǎn)生摩擦力使其脫離土壤。由于胡蘿卜生長(zhǎng)環(huán)境復(fù)雜,纓子狀態(tài)各異,且存在倒伏現(xiàn)象,若接觸的纓子數(shù)過(guò)少,可能導(dǎo)致拔力不足或脫落,影響收獲效率,因此加裝攏纓部件至夾拔裝置前端至關(guān)重要,如圖5所示。

圖5中攏纓器設(shè)計(jì)為類(lèi)圓錐狀,與胡蘿卜莖點(diǎn)接觸,減小摩擦,能有效聚攏纓子。最后通過(guò)調(diào)整螺栓可旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)攏纓器,以調(diào)整敞口角度,適應(yīng)不同纓葉茂密程度,提高攏纓效果。

2.3疏土裝置設(shè)計(jì)

胡蘿卜在土壤中生長(zhǎng),受土壤緊密包裹和摩擦力影響,直接拔出時(shí)力度難以掌握,易導(dǎo)致漏拔或莖部斷裂,而加裝疏土裝置可以很好地減少漏拔現(xiàn)象,即通過(guò)擾動(dòng)土壤,破壞緊固結(jié)構(gòu),使胡蘿卜在土壤中受到的摩擦和束縛減小,從而更易被拔出。

為便于疏土裝置隨夾拔裝置移動(dòng),且考慮到強(qiáng)度問(wèn)題,選擇采用類(lèi)三角支撐設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)。如圖6所示,疏土裝置主要由疏土鏟、氣彈簧、鏟臂、支承架所構(gòu)成。為了能承受更大的力,在拐彎處加了兩個(gè)支撐桿,氣彈簧通過(guò)銷(xiāo)軸與鏟臂和支承架相連接,再通過(guò)拉線來(lái)遠(yuǎn)程進(jìn)行氣彈簧的伸長(zhǎng)/縮短控制,使得鏟子能夠抬升進(jìn)行鏟土作業(yè),疏土鏟通過(guò)螺栓與鏟臂相連接,通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓孔可微調(diào)入土深度。

2.4 夾拔裝置設(shè)計(jì)

2.4.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拔取式胡蘿卜收獲機(jī)的核心是夾拔裝置,其決定了胡蘿卜能否被正確收獲。整體的夾拔裝置設(shè)計(jì)如圖7所示,其由兩條撓性回轉(zhuǎn)皮帶、拔持力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、張緊裝置、主動(dòng)輪等組成。主動(dòng)輪置于最后,動(dòng)力通過(guò)減速器傳遞,出于對(duì)拔持力和長(zhǎng)距離輸送的考慮,在裝置每邊加裝4個(gè)張緊裝置,其中最前端的裝置能自動(dòng)調(diào)節(jié)拔持力大小。

2.4.2 自動(dòng)調(diào)節(jié)拔持力裝置設(shè)計(jì)

皮帶在拔取、運(yùn)輸胡蘿卜過(guò)程中,單靠帶輪與纓子之間的摩擦力是不夠可靠的,需要對(duì)其進(jìn)行張緊才能保證收獲的可靠性。如圖8所示,裝置由連接板、單臂彎曲扭轉(zhuǎn)彈簧、銷(xiāo)軸、支座板組成,從動(dòng)輪通過(guò)螺栓固定于連接板上,而連接板又由銷(xiāo)軸連接于支座板上,為可以活動(dòng)的部件,在扭轉(zhuǎn)彈簧提供的轉(zhuǎn)矩作用下向中心靠攏,當(dāng)胡蘿卜纓喂入夾拔裝置時(shí),纓子會(huì)撐開(kāi)從動(dòng)輪,而在作用力與反作用力下扭轉(zhuǎn)彈簧提供的扭矩會(huì)將胡蘿卜纓子夾得更緊,起到自動(dòng)調(diào)節(jié)夾拔力的作用。

3 除纓運(yùn)輸模塊機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1往復(fù)割刀切纓裝置設(shè)計(jì)

胡蘿卜切纓裝置市場(chǎng)主流設(shè)計(jì)分為兩種:圓盤(pán)割刀式和拉拽式^[6]。但本設(shè)計(jì)的切纓裝置要能隨夾拔裝置移動(dòng),或者能一次切割多行,所以這兩種對(duì)本收獲機(jī)均不適用。常用的農(nóng)業(yè)機(jī)械切割裝置還有一種為往復(fù)切割式,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、切割質(zhì)量好,并且結(jié)構(gòu)緊湊,動(dòng)力提供方式剛剛好符合本設(shè)計(jì)需求,故將其選為設(shè)計(jì)對(duì)象。

目前研究的往復(fù)割刀整體分為動(dòng)定刀片,切割的物體處于兩者缺口處,并在動(dòng)刀片運(yùn)動(dòng)下進(jìn)行切割,如圖9所示。但胡蘿卜莖較為粗壯,且受限于尺寸,并考慮到夾拔裝置是移動(dòng)可調(diào)的,故只能采用平口的切刀。本設(shè)計(jì)往復(fù)割刀切纓裝置三維模型如圖10所示。

由圖10可知,光滑平板通過(guò)螺釘固聯(lián)于機(jī)架上,切割刀片被壓板通過(guò)扭轉(zhuǎn)彈簧緊緊壓附在光滑平板上,限制了垂直方向上的位移,保證其不脫離。驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn),每當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)一圈,切割刀片就在凸輪提供的橫向推力作用下進(jìn)行一次左右位移,進(jìn)行切割?？紤]到過(guò)長(zhǎng)的刀片不易生產(chǎn)和拆卸維修,故將其分為四段,更換刀片時(shí)只需將彈簧摳出機(jī)架上的凹槽,即可取出更換刀片。

3.2鼓風(fēng)機(jī)除纓裝置設(shè)計(jì)

由于整體設(shè)計(jì)為一條直線式,切纓裝置切下的纓子無(wú)法直接向后端拋灑出去,故在夾拔末端加裝了隔擋裝置,并于一側(cè)安裝波紋管,通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)提供風(fēng)力,將切下的纓子吹至另外一側(cè),整體結(jié)構(gòu)如圖11所示。

3.3 運(yùn)輸收集裝置設(shè)計(jì)

如圖12所示,運(yùn)輸裝置采用L型運(yùn)輸輥裝置,通過(guò)減速箱提供動(dòng)力,傳輸輥為雙鏈輪的標(biāo)準(zhǔn)件,裝置的末尾為收集小推車(chē),與機(jī)架相連。為保證胡蘿卜不從輥的縫隙中掉下,選取的輥直徑為50 mm,兩個(gè)輥之間的中心距離為70 mm,即縫隙距離為20 mm,而正常生長(zhǎng)的胡蘿卜直徑在30~40mm不等,故不會(huì)掉落。由于其運(yùn)轉(zhuǎn)速度需要同整機(jī)行進(jìn)速度相適應(yīng),故取輥的線速度V輥=1.2V進(jìn)。由于同一時(shí)間所運(yùn)輸?shù)暮}卜數(shù)量不會(huì)很多,一般在10~20根,而一根胡蘿卜的重量?jī)H為150 g左右,故對(duì)輥產(chǎn)生的載荷不會(huì)很高,無(wú)須校核。

4結(jié)束語(yǔ)

本課題組研發(fā)了一種行間距可調(diào)的小型多行夾拔式胡蘿卜收獲機(jī),通過(guò)手扶拖拉機(jī)提供動(dòng)力,主要由攏纓部件、疏土裝置、夾拔裝置、往復(fù)割刀切纓裝置、鼓風(fēng)機(jī)除纓裝置、運(yùn)輸收集裝置等構(gòu)成,收獲機(jī)的整個(gè)工作流程為:作業(yè)前,操作人員先通過(guò)導(dǎo)軌滑塊將夾拔模塊調(diào)到合適位置后啟動(dòng)機(jī)器,在行進(jìn)過(guò)程中位于最前端的攏纓部件將分散倒伏的胡蘿卜纓子聚攏,同時(shí)下方的疏土裝置疏松土壤破壞胡蘿卜和土壤的緊固結(jié)構(gòu),而稍后到達(dá)的夾拔裝置將胡蘿卜拔出并往后運(yùn)輸,往復(fù)割刀切割使纓果分離,切除的纓子被風(fēng)機(jī)吹落,而胡蘿卜則落至傳輸輥上,最終運(yùn)輸至可分離推車(chē)中。該收獲機(jī)集攏纓、疏土、夾拔、 切纓、除纓、運(yùn)輸收集功能于一體,實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化,具有很好的市場(chǎng)推廣使用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 袁慶,石卉.胡蘿卜栽培技術(shù) [J].新農(nóng)業(yè),2023 (23):14一15.

[2] 馬源.蘿卜種植技術(shù)[J].青海農(nóng)技推廣,2019(1):29一30.

[3] 范維.小型自走式白蘿卜收獲機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].貴陽(yáng):貴州大學(xué),2022.

[4]韓鳳.雙行拔取式胡蘿卜收獲機(jī)設(shè)計(jì)研究[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2012.

[5]關(guān)睿.胡蘿卜聯(lián)合收獲機(jī)仿生單圓盤(pán)式對(duì)頂切割裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2020.

[6] 曾功俊.胡蘿卜纓子的力學(xué)特性及拉拽式收獲部件研究[D].杭州:浙江理工大學(xué),2016.

2024年第20期第7篇