小型电动叶菜收割机设计与试验

祝正兵，杨兰玉

（常熟理工学院，江苏常熟 215500）

我国是世界上最大的叶菜类蔬菜生产国，随着设施农业的快速发展，叶菜类蔬菜收割对时效性的要求越来越高，人工收割已经远远无法满足要求，因此机械收割越来越被人们所关注。叶菜类在蔬菜中占有很大的比例，目前鸡毛菜等绿叶蔬菜的收割仍然依靠手工完成，费时、劳动强度大、收割效率低[1]。设施农业中，叶菜类蔬菜种植面积的快速发展对叶菜收割的机械化提出了一定的要求。基于此，设计出一种适合我国国情的小型电动叶菜收割机，对促进实现叶菜收割的机械化具有十分重要的现实意义。

1 总体方案设计

1.1 主要技术参数

小型电动叶菜收割机主要性能指标见表1。

表1 主要性能指标

1.2 设计方案

小型电动叶菜收割机主要由采摘部件、输送部件、机架部件、动力部件及叶菜收集筐等组成，如图1所示。收割机采用前轮导向后轮驱动底盘系统，将电源放置于后端，以起到配重平衡的作用，保证收割机处于水平状态并能沿直线行走，不偏离叶菜区域。切割部件采用 2.2 kW的汽油机作为动力源，避免了柴油机自重大、噪声大、油气污染重等缺点，也解决了蓄电池自重大、连续作业时间短等问题，实现了过程充电，能够长时间作业。该机型的总体结构紧凑且轻便，适用于各类叶菜类蔬菜收割，起到了一机多用的效果[2-6]。

图1 总体设计方案图

2 主要部件设计和计算

2.1 动力系统设计

2.1.1 动力电池组设计

依据切割、行驶、传送等功率消耗4 h的设计目标进行计算，若仅使用蓄电池供电，电池的容量必须要求60 Ah以上，采用4组48 V/20 Ah的铅酸电池，电池重量约65 kg，将无法降低整机重量。因此，设计采用2.2 kW的汽油发动机驱动切割部件、采摘部件和输送部件，48 V/20 Ah的铅酸电池电池组只作为驱动动力，电池重量仅为25 kg。

2.1.2 动力传动系统设计

小型电动叶菜收割机是将汽油发动机传出的扭矩转化为割刀的往复直线运动。传动机构由离合装置、拨叉组合、传动轴、V带轮等组成[3]。利用离合器使拨叉拉动张紧滚轮组合件，实现皮带的张紧与松弛，皮带轮从动轮和齿轮箱主动轴利用螺母紧固，主动轴利用减速齿轮轴、连轴器等将动力传递到偏心轴，从而带动连杆驱使刀片作往复直线运动，以此实现切割，传动结构如图2所示。

2.2 机架结构设计

由于机架要承重，故选取30 mm×20 mm×2.5 mm的方钢，便于承重与焊接。机架结构如图3所示。

图3 机架结构三维图

2.3 采摘部件设计

采摘部件是收割机的核心部件之一，这部分主要用于安装切割和传送装置，且针对不同的作物切割装置的高度可以随时调整，高度的调整主要通过铰链和机架自动实现。操作时，由机器操作员根据作物的实际生长情况灵活地选择收割高度，既达到质量要求又避免浪费。

2.3.1 割刀部件设计

割刀是收割机的核心部件之一，用于割断所要收割的作物。按照采摘部位的不同，割刀可以分为刀片往复运动式和刀片回转运动式两种。选用双刀往复式切割方式，刀片用不锈钢制作，刀片种类为光刃式，切割的速度按实际的作物要求灵活选择。考虑到速度过低时可能无法切断作物还会损坏刀片，设定速度的下限为0.6 m·s-1，而速度过大时容易收割不完全出现浪费，因此取平均速度1.0 m·s-1。采摘部分刀片如 图4所示。

图4 双刀双动往复式切割机构示意图

刀片相邻刀尖间距为S，选用S=35 mm。取刀间的中间点推算割刀的平均速率，两个刀片做相对的往复切割，两者速度相同，但是运动的方向相反。工作时割刀的最低切割频率

收割机移动时，割刀上的某一点都在一个频率中有两次切割，则割刀上这一点与地面上的某一个点沿着收割机移动方向的切割距离

式中：L为刀尖高度，mm；α为刀面与地面的 夹角，°。

Q的数值必须小于收割机在同等时间内行驶的距离，否则切割时会发生漏割现象。机器前进的最高速度v=140 mm·s-1。为避免发生漏割现象，割刀的最小切割频率

选取式（1）和式（3）计算结果中较高的数值作为割刀的最低切割频率，即fmin=11 Hz。割刀的切割频率越高，切割质量越高。随着切割频率的增高，割刀部分的冲击量变大，收割机会发生很强的振动，对割刀的损耗很大，因此，割刀最高切割频率设定为fmax=50 Hz。割刀展示图如图5所示。

图5 割刀展示图

2.3.2 传送部件设计

考虑到叶菜柔软易损伤的特性，采用气动式输送装置，将割刀切割下来的叶菜输送到下一级的传送装置上，风机转速为3 600 r·min-1，风速不低于15 m·s-1。根据计算和试验结果，本机型的倾角为20°。

由于叶菜质量小，输送带满载时所受的压力并不大，所以可以适当提高输送带的运行速度[7]。考虑到在作业时有可能会发生滑动或者损伤叶菜的情况，设定带速v=0.5 m·s-1。

因叶菜质量较小，所以输送装置的功率消耗并不大，同时输送装置的功率主要消耗在叶菜的运输及滚筒自身的转动上。设满载时，输送带上约运载5 kg的叶菜，则

所以，运输叶菜消耗的功率

但由于输送装置所消耗的功率还包含驱动皮带和滚筒工作所消耗的功率，所以取输送装置的总消耗功率约为0.05 kW[7]。

2.3.3 气动收集装置

气动收集装置如图6所示。

图6 气动收集结构三维图

3 田间验证试验

为了充分说明叶菜收割机的优良性以及机械收割的重要性，在田间进行了对比试验，将收割机与人工进行对比作业，见表3。

表3 收割机收割和人工收割对比试验结果

从表中可直观地发现，机械收割与人工收割差异悬殊，人工收割的成本约为机械收割的7倍，但是机械收割的效率约是人工收割的20倍。可以看出，叶菜收割机收割效率高，收割质量好，且节省了大量的成本。现场收割试验及调试见图7。

图7 现场图

4 结语

采用双动往复式割刀，经割刀收割后的蔬菜是利用风的吹力，将蔬菜吹至输送带上，大大减轻了蔬菜收获后的二次破坏。由于风量可调，相比传统的扶禾器有更大的前景与优点。机器总质量100 kg，携带了自动能力，完全可以单人操作，对提高叶菜收割的速度、减少资源消耗和降低劳动强度具有十分重要的意义，具有非常好的市场前景。