论文部分内容阅读
摘要：针对我国蔬菜收获仍然属于手工收获、劳动强度极大且工作效率低的现状，设计了茎叶类蔬菜通用收获机械。该机械具有操作简单、效果好等特点。重点介绍了茎叶类蔬菜收获机的整体结构设计、工作原理、技术参数。目前该机具已通过试验验证，完成了预定功能。
关键词：叶茎类蔬菜；收获机；设计
中图分类号： S225.92 文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2015）03-0365-03
我国是蔬菜生产大国，随着农村产业结构的调整和蔬菜产业的发展，对蔬菜生产机械的需求日益迫切。近年来，设施蔬菜生产已经遍布全国各地，蔬菜育苗移栽技术取得重大突破，灌溉和植保技术突飞猛进，但是，蔬菜收获环节的机械化进展缓慢，特别是叶类蔬菜的收获机械化尚属空白。2008年，蔬菜播种面积增加到1.864×107 hm2，且每年以7%速度增长，其中，叶菜类作物的播种面积是6.057×106 hm2，占总播种面积的32.5%，产量占蔬菜总产量的30.5%。随着我国经济的高速发展，广大民众对新鲜蔬菜的需求逐年上升，部分省市新鲜蔬菜价格居高不下，且供不应求，归其原因主要是菜农不能及时将田间蔬菜收获。在整个叶类蔬菜的生产过程中，收獲与加工作业约占整个作业劳动量的60%以上。收获作业质量的好坏直接影响到蔬菜的储存、加工和销售，从而影响市场价格和经济效益。由于收获作业的复杂性，收获作业的自动化程度还很低。目前，国内叶菜的收获作业主要依靠人工完成，需要劳动者不停地弯腰，劳动强度大。因此，发展机械化收获技术、研究开发叶菜收获机械具有重要意义[1]。
1 整体结构设计
本研究结合国内外叶类蔬菜收获机的发展趋势，从符合我国国情的叶类蔬菜收获机设计制造的关键技术中凝练科学问题，采取理论研究、规律探索与实验验证相结合、前沿技术研究与工程应用示范相结合的方式，集中和融合科研院所和装备制造企业各自的优势，开展叶类蔬菜收获机设计制造的关键科学理论和核心设计制造技术研究。该研究成果将直接推动我国蔬菜收获机械化。其总体技术路线见图1[2-5]。
1.1 叶类蔬菜收获机的结构
该机具收割的对象为茎叶类蔬菜。主要分为蔬菜收割部分、蔬菜收集部分和行走控制部分。总体设计方案如图2所示，具体部件分为：操作手把杆、 蔬菜收集箱、后固定轮、发动机、变速齿轮箱、鼓风系统、切割齿轮箱、割刀、机架、前浮动轮等10个部件组成。
1.2 蔬菜收获机的工作原理
由发动机提供割刀收割蔬菜和鼓风机收集已收割蔬菜的
[FK（W15][TPXSH1.tif]
两方面动力，利用调速齿轮箱对输出的转速进行调整至合适的速度。通过曲轴和凸轮的有效配合来控制割刀的开合，从而完成蔬菜的收割工作。当蔬菜被割刀切断后，固定在割刀前上方的吹风孔吹着被割下的蔬菜并将蔬菜收到收割台上，进而对已经收割的蔬菜进行收集，最终完成蔬菜的收割工作。
1.3 机具的结构设计
（1）设计高度、角度均可调的水平割刀，达到高效、地毯式割尽的目的。为了适应在不同的田块里均能够实现从叶类蔬菜根部地毯式切割，本研究所设计的机具采用高度和角度均可调节的水平割刀，每把割刀根据种植地面的坡度实现角度与高度的调节，并优化最佳切割角度（图3）。发动机的动力输出通过调速齿轮箱、曲轴与凸轮的有效配合，合理地输出切割力及切割频率等参数，这样可以保证蔬菜切割齐整，留茬深浅一致，不但有利于蔬菜整齐收获，而且方便田块后续作业。
（2）设计轮式行走机构以满足不同宽度田间作业要求，行走轮间距方便可调。由于叶类蔬菜种植模式为垄上种植，收获方式必然是一垄一收，保证叶类蔬菜收获机收获行驶的直线是必要的，因此，这给行走底盘的设计有了更高的要求。本研究设计的行走轮为前轮浮动可调，可以根据田块的平整程度上下自动调整，从而保证机具在工作的时候蔬菜切割整齐，对割刀也起到有利的保护作用。由于使用的是导向轮，机具在行走过程中可以根据地垄直线要求进行灵活的调整，从而保证机具的行走轮始终保持在垄沟中。为了满足不同作物的农艺要求，本机具所设计的轮心距可调。
（3）设计输送装置起落架与微调装置并联控制系统，实现输送装置与切割刀的高度调节。叶类蔬菜收获机的田间转向灵活与平地行驶方便是现代蔬菜收获机发展的一个亮点。设计的输送装置起落架与微调装置并联控制系统可实现收获装置高度的调节，使其脱离地面，该系统使得机具行驶更为灵活，田间调头更为快捷，减少驾驶员操作难度，提高机具工作效率。
1.4 设计的验证和改进
本项目的研发体现了产学研的充分结合，设计工作由农业部门组织科研院校与南通富来威农业装备有限公司共同完成，使用了成熟的技术。零部件的加工来自富来威公司及江浙一带设备先进、质量保证体系完善的机械加工企业，以保证零件的质量。但是，在实际试制生产和田间试验过程中，也暴露了产品的一些问题。针对存在的问题进行了一些改进：（1）风机，原先选用的是青岛一家风机企业生产的风机，这种风机结构简单，技术成熟而且价格便宜，试验结果表明，这种风机为立式时会对发动机及整机的安装配套带来不便，而且此风机外罩材料为铸钢材料，整体笨重，操作不方便，风压也达不到要求，为此，改变了设计思路，按照任务书的设计要求和市场上发动机规格型号及相关零件的配合尺寸重新设计合适的风机，并通过模具来保证尺寸要求；（2）第一轮设计制造的样机主要用于菠菜、白菜等平地种植形式的蔬菜收割，对于生长在垄上的蔬菜（如食用红薯叶）该机具却无法进行收割，为了提高此机具的适用能力，改进了地轮行走及调节机构，增加其调节高度的范围，不但可以在平地上进行收割而且也可以在垄上进行收割，从而拓宽了机具的使用性能。
2 机具主要技术参数及性能指标
本研究通过2～3轮样机的试制试验获得较理想的叶类蔬菜通用收获机，可实现叶类蔬菜地毯式切割，其技术在国内领先，可提高江苏省叶类蔬菜收获机械化水平，加快与国际先进技术的接轨。设备各项技术参数及指标如下： 2.1 技术指标
作业能力：0.33～0.40 hm2/h；收 获 率：≥98%；配套动力：18.4 kW；行驶速度：0.2～0.3 m/s。
2.2 经济指标
（1）机械收获费用比人工收获费用降低60%；（2）作业效率比传统机具效率高50%以上；（3）形成年生产300台的生产能力；（4）制定叶类蔬菜通用收获机的操作规程和相关标准。
3 叶类蔬菜收获试验情况
2013年6月19日在江苏省海门市海门镇文明村蔬菜种植基地进行茎叶类蔬菜收获机性能试验。该大棚占地约004 hm2，规格为8 m×50 m。收获的品种为白菜，整体收获情况良好，留茬整齐，高度在3～5 cm。收获过程中对白菜的茎叶损坏情况较小，使用灵活，操作方便。但是也暴露出了一些问题：一是此收获机的收获形式为无序收获，收割完的蔬菜是杂乱无序的，蔬菜的后续整理工作量很大，此问题是由该机具结构形式决定的，如果要满足有序收获，机具的结构形式要进一步改善；二是由于机具是在平地上进行收割，行走轮是在蔬菜田里行走，不是在垄沟内行走，该大棚种植前期没有考虑机械收获，种植的时候是成片种植，没有预留机具行走的垄沟，机具在菜地里行走时，田块本身不平整，车轮有时轧到白菜，给机具行走带来一定的困难，所以如果要考虑使用机具收获，那么在蔬菜的种植前期就应该为机具预留收获时行走的垄沟。
通过几次试验情况下来机具的整体适用性还算良好，不管从机具收获的质量、留茬的高度、对蔬菜茎叶的损坏情况，还是机具的工作效率、操作的方便灵活性都完全达到预期设计目标。但是由于蔬菜机械化收获是系统工程，单是从收获一个环节无法彻底解决问题。所以在整田种植的开始环节就应该考虑机械的收获，为后续的收获工作做好准备，让蔬菜种植的农艺与农机充分结合，只有这样机械才能充分发挥其性能，很好地完成每一次收获工作。
4 收获机主要特点
采用轮式后轮导向前轮驱动底盘系统，利于采用发动机前置前驱，使收获机整体结构紧凑，且能有效保证收获机沿直线行驶，不偏离蔬菜种植田块。
采用高度和角度可调、可换的水平割刀，將叶类蔬菜地毯式切断，保证叶类蔬菜收获干净；水平割刀可换能使收获机在保证收获质量的情况下对不同收获要求的蔬菜进行收获。
叶类蔬菜收获机的田间转向灵活与平地行驶方便是现代蔬菜收获机发展的一个亮点，设计的输送装置液压起落架与液压微调装置并联控制系统实现收获装置的高度调节，使其脱离地面。该系统使得机具行驶更为灵活，减少驾驶员操作难度，增加机具工作效率。
5 结论
本研究所设计的茎叶类蔬菜收获机经过初步试验能够完成预定的设计功能，实现茎叶类蔬菜的机械化收获。收获的效率为 0.33～0.40 hm2/h，是人工收获的数十倍，并且机具具有结构简单、操作维修方便等优点。该机具的设计研究对于提高蔬菜收获的作业效率、降低劳动强度、促进蔬菜种植全程机械化的进程，加快我国高效设施农业前进的步伐有着十分重要的意义。
参考文献：
[1]王 俊，杜冬冬，胡金冰，等. 蔬菜机械化收获技术及其发展[J]. 农业机械学报，2014，45（2）：81-87.
[2]王志强，郭维俊，王芬娥，等. 4YB-Ⅰ型甘蓝收获机的总体设计[J]. 甘肃农业大学学报，2011，46（3）：126-130.
[3]谭洪祥. 加工番茄果秧分离装置的试验研究[D]. 石河子：石河子大学，2012.
[4]胡志超，Peng B L，尹文庆，等. 多功能根茎类作物联合收获机设计与试验[J]. 农业机械学报，2008，39（8）：58-61.
[5]姚会玲. 大白菜收获机关键部件的研究[D]. 北京：中国农业大学，2007.
关键词：叶茎类蔬菜；收获机；设计
中图分类号： S225.92 文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2015）03-0365-03
我国是蔬菜生产大国，随着农村产业结构的调整和蔬菜产业的发展，对蔬菜生产机械的需求日益迫切。近年来，设施蔬菜生产已经遍布全国各地，蔬菜育苗移栽技术取得重大突破，灌溉和植保技术突飞猛进，但是，蔬菜收获环节的机械化进展缓慢，特别是叶类蔬菜的收获机械化尚属空白。2008年，蔬菜播种面积增加到1.864×107 hm2，且每年以7%速度增长，其中，叶菜类作物的播种面积是6.057×106 hm2，占总播种面积的32.5%，产量占蔬菜总产量的30.5%。随着我国经济的高速发展，广大民众对新鲜蔬菜的需求逐年上升，部分省市新鲜蔬菜价格居高不下，且供不应求，归其原因主要是菜农不能及时将田间蔬菜收获。在整个叶类蔬菜的生产过程中，收獲与加工作业约占整个作业劳动量的60%以上。收获作业质量的好坏直接影响到蔬菜的储存、加工和销售，从而影响市场价格和经济效益。由于收获作业的复杂性，收获作业的自动化程度还很低。目前，国内叶菜的收获作业主要依靠人工完成，需要劳动者不停地弯腰，劳动强度大。因此，发展机械化收获技术、研究开发叶菜收获机械具有重要意义[1]。
1 整体结构设计
本研究结合国内外叶类蔬菜收获机的发展趋势，从符合我国国情的叶类蔬菜收获机设计制造的关键技术中凝练科学问题，采取理论研究、规律探索与实验验证相结合、前沿技术研究与工程应用示范相结合的方式，集中和融合科研院所和装备制造企业各自的优势，开展叶类蔬菜收获机设计制造的关键科学理论和核心设计制造技术研究。该研究成果将直接推动我国蔬菜收获机械化。其总体技术路线见图1[2-5]。
1.1 叶类蔬菜收获机的结构
该机具收割的对象为茎叶类蔬菜。主要分为蔬菜收割部分、蔬菜收集部分和行走控制部分。总体设计方案如图2所示，具体部件分为：操作手把杆、 蔬菜收集箱、后固定轮、发动机、变速齿轮箱、鼓风系统、切割齿轮箱、割刀、机架、前浮动轮等10个部件组成。
1.2 蔬菜收获机的工作原理
由发动机提供割刀收割蔬菜和鼓风机收集已收割蔬菜的
[FK（W15][TPXSH1.tif]
两方面动力，利用调速齿轮箱对输出的转速进行调整至合适的速度。通过曲轴和凸轮的有效配合来控制割刀的开合，从而完成蔬菜的收割工作。当蔬菜被割刀切断后，固定在割刀前上方的吹风孔吹着被割下的蔬菜并将蔬菜收到收割台上，进而对已经收割的蔬菜进行收集，最终完成蔬菜的收割工作。
1.3 机具的结构设计
（1）设计高度、角度均可调的水平割刀，达到高效、地毯式割尽的目的。为了适应在不同的田块里均能够实现从叶类蔬菜根部地毯式切割，本研究所设计的机具采用高度和角度均可调节的水平割刀，每把割刀根据种植地面的坡度实现角度与高度的调节，并优化最佳切割角度（图3）。发动机的动力输出通过调速齿轮箱、曲轴与凸轮的有效配合，合理地输出切割力及切割频率等参数，这样可以保证蔬菜切割齐整，留茬深浅一致，不但有利于蔬菜整齐收获，而且方便田块后续作业。
（2）设计轮式行走机构以满足不同宽度田间作业要求，行走轮间距方便可调。由于叶类蔬菜种植模式为垄上种植，收获方式必然是一垄一收，保证叶类蔬菜收获机收获行驶的直线是必要的，因此，这给行走底盘的设计有了更高的要求。本研究设计的行走轮为前轮浮动可调，可以根据田块的平整程度上下自动调整，从而保证机具在工作的时候蔬菜切割整齐，对割刀也起到有利的保护作用。由于使用的是导向轮，机具在行走过程中可以根据地垄直线要求进行灵活的调整，从而保证机具的行走轮始终保持在垄沟中。为了满足不同作物的农艺要求，本机具所设计的轮心距可调。
（3）设计输送装置起落架与微调装置并联控制系统，实现输送装置与切割刀的高度调节。叶类蔬菜收获机的田间转向灵活与平地行驶方便是现代蔬菜收获机发展的一个亮点。设计的输送装置起落架与微调装置并联控制系统可实现收获装置高度的调节，使其脱离地面，该系统使得机具行驶更为灵活，田间调头更为快捷，减少驾驶员操作难度，提高机具工作效率。
1.4 设计的验证和改进
本项目的研发体现了产学研的充分结合，设计工作由农业部门组织科研院校与南通富来威农业装备有限公司共同完成，使用了成熟的技术。零部件的加工来自富来威公司及江浙一带设备先进、质量保证体系完善的机械加工企业，以保证零件的质量。但是，在实际试制生产和田间试验过程中，也暴露了产品的一些问题。针对存在的问题进行了一些改进：（1）风机，原先选用的是青岛一家风机企业生产的风机，这种风机结构简单，技术成熟而且价格便宜，试验结果表明，这种风机为立式时会对发动机及整机的安装配套带来不便，而且此风机外罩材料为铸钢材料，整体笨重，操作不方便，风压也达不到要求，为此，改变了设计思路，按照任务书的设计要求和市场上发动机规格型号及相关零件的配合尺寸重新设计合适的风机，并通过模具来保证尺寸要求；（2）第一轮设计制造的样机主要用于菠菜、白菜等平地种植形式的蔬菜收割，对于生长在垄上的蔬菜（如食用红薯叶）该机具却无法进行收割，为了提高此机具的适用能力，改进了地轮行走及调节机构，增加其调节高度的范围，不但可以在平地上进行收割而且也可以在垄上进行收割，从而拓宽了机具的使用性能。
2 机具主要技术参数及性能指标
本研究通过2～3轮样机的试制试验获得较理想的叶类蔬菜通用收获机，可实现叶类蔬菜地毯式切割，其技术在国内领先，可提高江苏省叶类蔬菜收获机械化水平，加快与国际先进技术的接轨。设备各项技术参数及指标如下： 2.1 技术指标
作业能力：0.33～0.40 hm2/h；收 获 率：≥98%；配套动力：18.4 kW；行驶速度：0.2～0.3 m/s。
2.2 经济指标
（1）机械收获费用比人工收获费用降低60%；（2）作业效率比传统机具效率高50%以上；（3）形成年生产300台的生产能力；（4）制定叶类蔬菜通用收获机的操作规程和相关标准。
3 叶类蔬菜收获试验情况
2013年6月19日在江苏省海门市海门镇文明村蔬菜种植基地进行茎叶类蔬菜收获机性能试验。该大棚占地约004 hm2，规格为8 m×50 m。收获的品种为白菜，整体收获情况良好，留茬整齐，高度在3～5 cm。收获过程中对白菜的茎叶损坏情况较小，使用灵活，操作方便。但是也暴露出了一些问题：一是此收获机的收获形式为无序收获，收割完的蔬菜是杂乱无序的，蔬菜的后续整理工作量很大，此问题是由该机具结构形式决定的，如果要满足有序收获，机具的结构形式要进一步改善；二是由于机具是在平地上进行收割，行走轮是在蔬菜田里行走，不是在垄沟内行走，该大棚种植前期没有考虑机械收获，种植的时候是成片种植，没有预留机具行走的垄沟，机具在菜地里行走时，田块本身不平整，车轮有时轧到白菜，给机具行走带来一定的困难，所以如果要考虑使用机具收获，那么在蔬菜的种植前期就应该为机具预留收获时行走的垄沟。
通过几次试验情况下来机具的整体适用性还算良好，不管从机具收获的质量、留茬的高度、对蔬菜茎叶的损坏情况，还是机具的工作效率、操作的方便灵活性都完全达到预期设计目标。但是由于蔬菜机械化收获是系统工程，单是从收获一个环节无法彻底解决问题。所以在整田种植的开始环节就应该考虑机械的收获，为后续的收获工作做好准备，让蔬菜种植的农艺与农机充分结合，只有这样机械才能充分发挥其性能，很好地完成每一次收获工作。
4 收获机主要特点
采用轮式后轮导向前轮驱动底盘系统，利于采用发动机前置前驱，使收获机整体结构紧凑，且能有效保证收获机沿直线行驶，不偏离蔬菜种植田块。
采用高度和角度可调、可换的水平割刀，將叶类蔬菜地毯式切断，保证叶类蔬菜收获干净；水平割刀可换能使收获机在保证收获质量的情况下对不同收获要求的蔬菜进行收获。
叶类蔬菜收获机的田间转向灵活与平地行驶方便是现代蔬菜收获机发展的一个亮点，设计的输送装置液压起落架与液压微调装置并联控制系统实现收获装置的高度调节，使其脱离地面。该系统使得机具行驶更为灵活，减少驾驶员操作难度，增加机具工作效率。
5 结论
本研究所设计的茎叶类蔬菜收获机经过初步试验能够完成预定的设计功能，实现茎叶类蔬菜的机械化收获。收获的效率为 0.33～0.40 hm2/h，是人工收获的数十倍，并且机具具有结构简单、操作维修方便等优点。该机具的设计研究对于提高蔬菜收获的作业效率、降低劳动强度、促进蔬菜种植全程机械化的进程，加快我国高效设施农业前进的步伐有着十分重要的意义。
参考文献：
[1]王 俊，杜冬冬，胡金冰，等. 蔬菜机械化收获技术及其发展[J]. 农业机械学报，2014，45（2）：81-87.
[2]王志强，郭维俊，王芬娥，等. 4YB-Ⅰ型甘蓝收获机的总体设计[J]. 甘肃农业大学学报，2011，46（3）：126-130.
[3]谭洪祥. 加工番茄果秧分离装置的试验研究[D]. 石河子：石河子大学，2012.
[4]胡志超，Peng B L，尹文庆，等. 多功能根茎类作物联合收获机设计与试验[J]. 农业机械学报，2008，39（8）：58-61.
[5]姚会玲. 大白菜收获机关键部件的研究[D]. 北京：中国农业大学，2007.