背负式大白菜收获机的研制

李向军，赵大勇，张宝库，王明军

（哈尔滨市农业科学院，哈尔滨 150029）

目前我国大白菜的生产和收获主要依靠人工进行。尤其是大白菜收获作业，人工先要用菜刀等工具将大白菜根部切断，然后再拣拾、摆放、装车运输等，不仅劳动强度大，浪费大量人力、物力、财力，而且工作效率十分低下，难以满足大规模生产需要。国内在大白菜机械化收获方面的研究非常少，由于各地区种植模式和各品种大白菜物理特性及几何形状的不同，现有几种机型专用性强、通用性差，且存在结构复杂、智能化程度低、作业时易堵塞等问题，难以保证大白菜收获质量。为此，在分析我国大白菜机械化收获技术现状基础上，创新研制出一种适用于黑龙江地区大白菜种植模式的收获机，该机具可以快速完成切根、捡拾、摆放、装车运输等多项作业，降低了人工劳动强度，提高了大白菜的收获效率，弥补了大白菜机械化生产技术领域的空白。

1　总体设计及工作过程

1.1　整体结构

背负式大白菜收获机主要由自动仿形机构、夹持机构、切割机构、运输机构、装车机构、主体框架、液压传动总成等部分组成（如图1所示），一次进地能够完成自动仿形夹持、切割、纵向运输、横向运输、侧向装车等多项作业。

图1　背负式大白菜收获机整体结构示意图Figure 1　Overall structural diagram of knapsack cabbage harvester

1.2　工作过程

该机具的工作过程为：用两边对称的夹持机构扶正并夹持住大白菜，用对称放置的高速旋转圆盘切刀将大白菜根部切断，经升运机构将大白菜运输到人工捡拾的工作带上，由人工分选处理，然后或装箱或由装车机构进行装车，完成大白菜的收获作业。

1.3　技术参数

该机具的主要技术参数见表1。

表1　主要技术参数Table 1　Main technical parameter

2　主要工作部件的设计

2.1　夹持机构

夹持机构的结构如图2所示。由于大白菜叶含水率较大，收获时容易破碎，所以采用厚度H＝15 mm、宽度B＝80 mm、长度L＝1 700 mm的两条高密度柔性皮带进行夹持，既能稳稳夹住大白菜进行运送，又能保护大白菜不受损坏，保证收获后大白菜的外观质量。根据黑龙江省大白菜种植品种现状，多数大白菜的质量为4 kg/颗左右。由于大白菜质量较大，在收获时皮带容易脱落；同时，在收获过程中难免有白菜叶落入夹持主动轮和皮带中间，经过挤压后渗出大量水分，导致皮带出现打滑现象。针对以上两种情况，在皮带中间位置加装一条齿状C型带，既能导向防止皮带竖向下滑，又能强制驱动皮带防止打滑现象发生。

图2　夹持机构结构示意图Figure 2　Structural diagram of clam ping device

2.2　切割机构

切割机构的动力来源于2个液压马达，工作时高速旋转的马达驱动切割盘进行切割作业。切割盘采用2个缺口圆盘，直径D＝350 mm、曲率半径ρ＝600 mm、厚度δ＝3 mm。该圆盘起到两方面作用：一是对白菜根部进行切割；二是利用圆盘弧面与地表接触起到限深作用，保证白菜根部切削一致。切割机构具体结构如图3所示。

图3　切割机构结构示意图Figure 3　Structural diagram of mechanism of cutting device

2.3　升运机构

升运机构的升运角θ＝25°。为有效防止大白菜在升运过程中向下滚动，采用凸凹式杆条输送链（如图4所示），2个凸杆条的安装间距为356 mm，中间均匀分布3个凹杆条，凸凹杆的上下间距为52 mm。根据黑龙江主要大白菜品种的外形尺寸，多数大白菜直径D＝350 mm，所以设定输送链的宽度B＝381 mm。

图4　升运链结构示意图Figure 4　Structural diagram of the lifting chain

2.4　运输机构

输送带的运行速度是大白菜收获机设计时的重要参数之一。当带宽一定时，输送量越大，带速越要降低，尤其是倾角较大的输送装置。根据实际作业要求，设定输送倾角 θ＝10 °、 带速 v＝0.4 m/s，输送带规格长×宽＝6 300 mm×500 mm，且输送带表面贴有间距350 mm、尺寸350 mm×30 mm的挡条，以防止大白菜向下滚动。由于大白菜质量较小，所以输送机构的功率消耗较小，输送机构的功率主要消耗在大白菜运输及滚筒自身的转动方面。正常运转时，输送带上可运载30 kg的大白菜。大白菜受力情况如图5所示，则有：F＝G cos10≈30（N），所以运输白菜消耗的功率为：p＝Fv＝30×0.4＝0.012（kW）

图5　输送带上大白菜的受力图Figure 5　Stress diagram of cabbage on conveyor belt

输送带滚筒按作用的不同，可分为驱动滚筒和从动滚筒。该机具设计中，驱动和从动滚筒结构相同，包角为180°，主体直径为80 mm，长度为510 mm，具体结构如图6所示。

图6　滚筒结构示意图Figure 6　Structural diagram of the roller

可得滚筒驱动轴转速n为：

式中：n为滚筒驱动轴转速；v为带速；d为滚筒直径。

3　性能试验

背负式大白菜收获机设计制造完成后，在哈尔滨市农业科学院白菜种植基地进行田间性能试验（如图7所示）。该机具采用纽荷兰110-90拖拉机进行3点挂接。试验效果表明：所设计的收获机能够满足白菜的收获要求；其工作效率是人工效率的4倍。

图7　大白菜收获机田间试验现场图Figure 7　Field test of cabbage harvester

4　结语

背负式大白菜收获机结构简单，操作方便，具有很高的收获完整度，能满足行距65～70 cm、株距35～45 cm的单行种植大白菜的收获要求。田间性能试验结果证明该机具具有以下特点：1）采用拖拉机三点挂接，地头转弯半径小，操作灵活，适于大中小不同地块的大白菜收获作业。2）圆盘切刀在切割的同时利用其弧面实现自动仿形，保证大白菜根部切削长度一致。3）一次进地可以完成夹持、切割、分选、集装等多项工作，实现大白菜的高效、高质量收获作业。4）所设计的液压控制系统工作平稳可靠，满足收获机的要求。

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