小型叶菜收割机研发与市场初探

丁馨明 何白春 薛 臻

叶菜在蔬菜中占有很大的比例。由于叶菜的种植、收获等环节用工量大，人工生产效率低下，人力成本高成为影响叶菜生产效益和产业发展的直接障碍。研究开发叶菜生产机械对提高叶菜种植的劳动效率，降低生产成本、减轻劳动强度具有十分重要的意义。下面介绍一款新型叶菜收割机械。

1 叶菜收割机的主要部件及设计

该叶菜收割机主要适用于收获金花菜（俗称秧草）、豆苗、小菜秧等蔬菜，主要由动力、切割器、输送装置、升降割台、行走机构、控制装置、机架等部件组成。为满足不同种类叶菜的收获，要求机器小巧轻便，可以进入大棚作业，切割高度在一定范围可调，操控方便灵活。该机的整体结构如图 1所示。

图 1 小型叶菜收割机的结构示意图

1.1 动力选择

考虑到蔬菜大棚封闭空间有限，汽油机排放的废气会污染空气，导致操作人员呼吸困难，同时也会对生产的蔬菜造成一定的污染，因而选用蓄电池和直流电机作为动力。各工作部件可分别组成从直流电机到工作部件的相对独立的系统，使整机的传动系统更为简单。

1.2 切割刀及切割速度的选择

为适应多种叶菜类蔬菜的收获，选用双刀双动往复式切割装置，刀片选用不锈钢材料制作的光刃刀片。作业时，割刀的切割频率可以根据不同的作业要求进行调整。

为保证割刀正常的切割，割刀运动时的平均速度不能低于0.6 m/s，否则会出现将作物撕裂、扯断、拔出及割刀堵塞等现象。该机工作时行进速度较慢，负荷较小，取割刀平均速度V=1 m/s。切割器刀片如图 2所示。

图 2 切割器刀片示意图

刀片相邻刀尖间距为S，选用S=35 mm。取刀刃的中点计算割刀平均速度，割刀为双刀双动往复式，上下二个刀片相对运动，运动速度相同，但运动方向相反。工作时割刀的最低切割频率为：

机器前进时，割刀上某一条刀刃点在每一频次有二次切割。那么割刀刀刃某一点上相对于地面上的某一点沿机器前进方向的位移

式中：L——刀尖高度为30 mm；

a——刀面与地面的夹角为30°。

要求Q值小于机器在相同时间内前进的距离，否则工作时会发生漏割。机器前进的最高速度V=1 400 mm/s。为保证不发生漏割，割刀的最低切割频率为

取和中较大的一个为割刀最低切割频率。

割刀切割频率越高，切割越顺利。但切割频率增高，切割器的惯性越大，机器会产生很大的振动，造成零件的磨损等不良现象。取割刀最高切割频率Hmax=50 s-1。

1.3 叶菜的输送与收集

输送装置的作用是将切割好的叶菜输送到收集箱存放。输送装置由驱动电机、主动辊、从动辊、输送带和助运拨板等组成。为了防止叶菜切割后滞留在割刀上方，导致被重复切割，在割刀上方设计了助运拨板，该拨板采用软体材料制作，作业时可将割刀切割下的叶菜及时地从割刀上拨运到输送带上。

1.4 升降式割台的设计

割台安装切割装置和输送装置等部件，可以满足不同收割对象对切割高度的要求。割台通过铰链与机架铰接，选用电动推杆来实现割台的自如升降。作业时，操作人员可以根据叶菜的生长情况，通过按钮及时地调整割台来控制收割高度，满足收割叶菜的质量要求。

1.5 行走机构

行走机构的作用是实现叶菜收获机在收获作业时的正常行走和田间、道路转移。为简化结构，采用内置电机式双驱动轮作为收割机的行走机构。经试验证明，该行走机构在叶菜地面行走打滑率较低(经测定打滑率为3%～5%)，转向操作方便灵活，满足叶菜收获作业要求。

1.6 操控装置设计

操控装置的作用是控制各工作部件的工作状态。由于选用了直流电机作为各工作机构的原动机，通过控制装置的调整可以针对不同的叶菜种类和作业环境采用不同的工作速度。

2 小型叶菜收割机的主要技术参数及试验情况

采用该机在泰州、扬中等地进行田间试验，并对机器的作业性能进行检测，收割试验的叶菜品种有金花菜、豆苗等。该机的作业性能见表 1：

表 1 作业性能

金花菜、豆苗的收割试验情况分别见表2、3。由试验得出：

（1）该小型叶菜收割机能适用于金花菜、豆苗、马兰等叶菜的收获，且有较高的作业质量。

（2）作业时通过助运拨板、输送带和收集箱的配合，较好地解决了叶菜的输送和收集问题。

（3）收割效率较高。一般情况下，该机收割效率是人工收割效率的20～30倍，可以较大幅度降低金花菜等作物的种植成本。

（4）采用清洁能源（电池），环保、节能、无污染，特别适合大棚等密闭空间的收获作业。

（5）整机结构紧凑，操作轻便，安全可靠。

3 设计改进与推广前景评估

该机通过一个季节的初步试验，基本达到了对金花菜等叶菜类蔬菜的收割作业要求，但收割作业范围和质量有待于进一步改进。

（1）为适应对青菜苗（鸡毛菜）等叶菜的收获，收割机的最低收割高度需要进一步降低。根据有关农艺的要求，割刀的最低收割高度要达到10 mm。

（2）为提高叶菜的种植作业质量，地面平整要提高标准，应研发专用种植装备。

（3）为进一步提升机器通过性，计划在目前的双侧双驱动胶轮行走机构基础上，改进设计出新一轮行走机构，尽量减少地形对行走的影响，使得滑转率更低，行走、转向、操作更轻便。

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（4）降低成本。要通过机构的优化等降低原材料用量，对于棚外作业的机器可以采用小型汽油机为动力，使制造成本大幅下降。

我国叶菜类蔬菜品种繁多，特别是长三角地区，金花菜、豆苗、马兰头、菊花菜、小青菜（鸡毛菜）、草头等是广大百姓十分喜爱的食用蔬菜。此类蔬菜种植后可多次收割，但收割环节用工量大，增加了生产成本，遏制了产业的发展。一个正常劳力一天（10小时）仅能收割0.04～0.05 hm2，日工时费用为100～120元/日。由于此类叶菜适用无序收获，采用小型叶菜收割机的收割效率是人工的20～30倍，平均作业效率为人工作业效率25倍，收费按人工费用的50%计算，机器一天作业的净收入至少为2 000～2 500元，如机器售价为30 000～35 000元/台，预计当年可以收回投资。如按照一台机器服务13.33 hm2计算，沿海地区对小型叶菜收割机的市场需求预计在3 000～5 000台。所以，小型叶菜收割机具有较好的市场前景。