一种基于茎叶类蔬菜的收获机柔性夹持输送装置

杨凯凯 胡 昀

（宁夏工商职业技术学院，宁夏 银川 750021）

1.引言

我国是一个名副其实的农业大国，拥有规模相当大的蔬菜种植面积，然而从当下我国蔬菜种植现状来看，主要还是依靠传统人工方式开展工作，配套机械自动化水平不高，尤其是针对收获环境的机械设备更是缺少。根据相关研究数据显示，在蔬菜整个种植过程中，收获环节的作业规模占据了总作业量的4成左右，并且当下该环节主要还是依靠人工劳作来完成，不仅需要消耗大量的人力，同时也难以有效提升蔬菜收获的效率，不利于保证蔬菜收获的及时性。在现代社会环境下，用人成本越来越高，这必然会影响到蔬菜种植户的经济收益，不利于提高自身的市场竞争力。所以，积极开展农业收获自动化机械的设计与开发工作，对于改善我国农业生产效率、提升种植户经济收入具有十分重要的作用。为了有效解决现阶段我国蔬菜种植中存在的问题，我国许多专家学者开展了大量研究工作，研究方式主要包含了两个方面，分别是从国外引进成熟的农业自动化机械，然后依照我国实际种植状况，对其进行相应的改造与优化，这种农业机械性能稳定、工作效率高，相比较于人工劳作，其工作效率能够提高5倍左右；其次是自主研究与开发相关农业机械配套设施，机型结构规模较小，灵活性高，也能够很好地满足农业收获需求，特别是大棚与温室作业环境中。然而，我国现代农业机械尽管能够实现输出的收获，但是还不具备有序放置的功能，依旧需要通过人工进行二次劳作，本文探究的茎叶类蔬菜收获机实现了蔬菜收获的有序排放，并配套了一个柔性夹持输送装置，能够降低对蔬菜的损坏，保证收获机的整体工作效果。

2.收获机总体结构与工作流程分析

依照实际设计要求，确定蔬菜收获机关键技术参数，具体如表1所示。收获机总体架构如图1所示，主要涵盖了行走装置、仿形轮、蜗轮蜗杆动力传动装置、水平传输机构、转向机构、电动提升机构、输送带张紧机构、扶禾机构、切割机构以及分禾器等。

表1 茎叶类蔬菜收获机关键技术参数

图1 茎叶类蔬菜收获机总体架构示意图

茎叶类蔬菜收获机在进行工作过程中，主要流程包含了以下几个部分：

2.1 分禾

分禾器将蔬菜植株扶植起来，由于该装置设计了的敞开角，所以能够将蔬菜植株拢入到各个分禾器内部。

2.2 夹持

将各个茎叶类蔬菜植株输送到夹持装置。

2.3 切割

割刀安装设定的速度做水平往复直线运动，将植株的根茎切割下来。

2.4 输送

收获机向前运动，提升机构将蔬菜植株运输到转向装置，与此同时在输送带上方设置有扶禾机构，防止出现长蔬菜植株倒塌在输送带上。

2.5 转向

蔬菜植株在运输到转向装置之后，在没有上方夹持力的作用下，再加上蔬菜植株底部受到转向机构的阻挡，会使其有序的转向到水平输送线上。

2.6 装载

蔬菜植株在水平输送带的作用下，会有序转移到储料口侧，之后进入到集装箱或者太空袋中，实现蔬菜植株的有序存储。

3.柔性夹持输送装置设计

在茎叶类蔬菜收获机总体结构中，夹持输送装置占据了极其重要的地位，该装置工作效果将直接影响到蔬菜收获品质，所以夹持力大小的选取十分重要。当夹持力不足时，极易导致蔬菜的掉落，当夹持力过大时，可能会对蔬菜茎部产生损坏，降低蔬菜经济价值。为了解决这样的问题，本文设计了一种柔性夹持输送装置，其结构示意图如图2所示。

图2 茎叶类蔬菜柔性夹持输送装置结构示意图

柔性夹持输送装置涵盖了分禾器、主从动带轮、切割机构、夹持带、扶禾机构以及夹持轮等部分。由于蔬菜类茎秆的外径尺寸差别较大，所以在该机构中应用了双带式夹持方式，更好满足不同蔬菜茎秆对夹持形式与夹持力的要求。夹持输送装置以左右对称方式布置在前进方向机构的两侧，使得夹持输送线中心线和茎叶类蔬菜种植中心线保持一致。夹持轮也能够实现对输送带的张紧，设置在夹持带两边。柔性夹持输装置运行动力来自直流可调速电机，依托于涡轮蜗杆动力传输机构，驱动夹紧带往上进行提升运动。

3.1 输送带倾斜角度选取

柔性夹持输送装置在实际工作过程中，其运行面会与水平面保持一定的夹角，如图3所示，输送装置倾斜角的选取直接关系到茎叶类蔬菜收获效果。在本设计中，选取的输送带倾斜角为15°±5°，输送带初始位置和切割机构相连，最大程度确保夹紧带靠近蔬菜根部，夹持住蔬菜茎部。

图3 茎叶类蔬菜收获机输送带工作方式图

正常情况下，柔性夹持装置夹持点距离地面高度H为：

上述公式中，h表示为割刀距离地面的垂直高度，D表示带轮外径，α表示为输送装置与水平面的夹角。

芦蒿根茎外径一般为15mm左右，留茬高度通常为30mm左右，设定输送带轮中心距离为1100mm，让茎叶类蔬菜在恒定倾斜角的背景下确保输送机构的有效提升高度，与相邻的水平输送机构相配合，实现蔬菜的有序、稳定输送。

3.2 夹持带夹持方式的选择

根据茎叶类蔬菜实际夹持需求，选取同步齿形带为夹持带，该类型带拥有瞬时传动比准确性高、传动效率好、速度稳定、噪声低、耐冲击性能优越、维护简便以及初始张紧力较低等优势，能够确保整个传输过程稳定、可靠，确保蔬菜植株能够有序进入到水平输送带，有效降低冲击载荷。

3.3 夹紧轮结构设计

夹紧轮外径大小会对输送效果产生非常大的影响，如果夹紧轮外径尺寸偏小，会导致相连夹紧轮之间的距离尺寸偏大，对蔬菜植株的夹持力会变小，极易导致输送过程中蔬菜植株出现掉落的情况；如果夹紧轮外径尺寸偏大，会造成相连夹紧轮之间的距离尺寸偏小，降低蔬菜植株的实时运输量，不利于提升收获机的整体工作效率。

同步动在长时间工作以后会出现塑性变形，产生松弛问题，对装置正常运行与夹持效果产生较大影响，所以应当要为夹持装置配置张紧装置，确保夹持牢固可靠。在本设计中，夹持轮也能够发挥张紧轮的作用，通过松开夹持轮安装螺栓，可以实现夹持轮安装位置的调整。依托于改变张紧轮轴心位置改变张紧力大小，确保夹持带始终保持张紧状态。通过这种设计方式，在保证装置稳定可靠运行的同时，也能够降低装置拆卸、维修的便捷性。

3.4 输送速度的选择

因为收获机正常行走速度在3～6km/h，所以提升输送装置的运行速度应当要高于行走速度，确保蔬菜植株能稳定夹持，有效防范较多蔬菜积压在提升机构中。当作业速度太高时，会同步带动蔬菜植株快速运行，从而难以有序进入到横向输送带上，同时还容易对蔬菜产生较大损伤。所以，在进行设计过程中，应当要确保能够调整速度，调整幅度控制在0.5～0.9m/s。水平输送速度应当要适当高于提升输送机构运行速度，避免大量蔬菜植株积压在输送带前端，但是如果运行速度过高时，会出现较多的空行程现象，浪费较多功率，同时也会导致蔬菜植株进入到集装箱中的速度过高，造成蔬菜的损坏，降低蔬菜的经济价值。为此，综合各方面因素，在本设计中确保水平输送带的速度略高于提升输送装置的工作速度，大约为0.1m/s。

4.结语

综上所述，柔性夹持输送装置是茎叶类收获机中十分重要的一个部位，在实际设计过程中，要特别注重夹持形式的选择、夹持力的选取等，这些都具有较大的难度。同时在实际应用过程中，还需要针对问题进行不断优化，进一步提高蔬菜收获机的工作效率与质量。