镰刀型韭菜收割机的设计

□ 马建国 □ 程佳卫 □ 姚运萍

兰州理工大学 机电工程学院 兰州 730050

随着现代化机械进程的推进，农作物收获机械化成为农业生产过程中的重要环节和必然要求。由于农作物和蔬菜等季节性强、时间紧、任务重，且易遭受雨、雪、风、霜的侵袭等特点，机械化的普及成为迫切必要。其次实现农作物和蔬菜的机械化收获，对提高劳动生产率、减轻劳动强度、降低收获损失、确保农民收益均有极其重要的意义。

我国的农业机械，从3 500年前发明的镰刀，到如今的大型联合收割机，经历了漫长的发展，尤其是在新中国成立之后，先后经历了20世纪50～60年代的入门阶段，60～80年代的发展阶段，80～90年代的利用、引进先进技术阶段，尤其是90年代中后期，发展得更加迅速，各种农业机械不断完善，农业产量大幅度提高。从此，我国收获机械的发展进入了崭新的阶段。

1 设计要求与内容

韭菜收割机的难点在于要求收割机的刀片能紧贴地面，割完的韭菜茬离地高度不能过高，因为留茬过高不但会使菜农的收益受到严重的影响，同样会使韭菜在后面清理杂物、施肥时容易遭到踩踏，影响下茬的生长。但割茬也不能太低，否则，损伤到韭菜根部，同样会影响韭菜的下茬生长。

现有的类似锯齿形或者圆盘形收割机，主要用来收割小麦、水稻、苜蓿等高度较高的单杆茎植物,不能满足韭菜这种高度较低的簇生族植物的收割，也不能满足韭菜收割时的割茬低、不凌乱等需求。为了弥补此不足，笔者创新设计了一款链式剪切型刀具，利用韭菜收割机器的运动，带动传动柱运动，而传动柱又能带动链轮和同步带轮的转动，继而带动镰刀的剪切运动，完成韭菜的切割动作。而同步带又能实现韭菜的传送动作。

本设备可以边走边工作。实现韭菜的拔禾、扶正、剪割、传输等，方便捆绑及其后续动作的完成。另外，本设备只需手动推动，纯机械设计，节能、环保。

2 结构设计

在设计过程中，对镰刀、动力等机构进行了功能性设计，对同步带、链条等部件进行了选型改造，使收割机模型更加合理。

2.1 整体设计

收割机器的动力机构采用人力推动、轮子带动镰刀的后驱驱动方式。当使用者根据自己的身高调整好机器高度后，推动机器行走，机器的四个轮子开始转动，而作为驱动的两个后轮转动时，带动后轮轴上的斜齿轮转动，其与传动柱上的斜齿轮形成交错轴斜齿轮传动，改变运动方向，将轮子垂直地面的滚动变换成平行地面的水平运动。这种水平运动带动支撑链轮和传动轮的传动柱运动，从而使链轮旋转，带动安装在链条上的刀片运行，在收割机前面两个传动柱上的链轮相切处，两条镰刀互相啮合，进行剪切作物，当作物被剪断后，在啮合镰刀、高低两条同步传输带作用下，被输送到收集区，进行收集，机器完成动作，如图1所示。

2.2 动力结构设计

设计的目的是应用于小型农户垄植韭菜的收割，所以摒除了质量较大、使用费用较高的柴油机或电动机驱动装置，这就从根本上降低了韭菜收割成本，提高了设备的推广性价比。

本设备采用人力推动时，轮子滚动带动机器的运行是纯机械驱动方式。使用者可根据自己的使用高度调整好机器。当使用者推动机器行走时，机器的4个轮子开始转动，驱动后轮轴运动，带动后轮轴上的斜齿轮转动，其与传动柱上的斜齿轮形成交错轴斜齿轮传动，改变运动方向，带动镰刀运动，完成后续动作，如图2、图3所示。

2.3 镰刀结构设计

镰刀结构是本次设计的韭菜收割机中一个比较重要的部分，它将轮轴传来的动力经过传动柱上的链轮传递给链，并由链带动镰刀的运动，如图4所示。

张大爷老两口最近特别闹心，因为儿子小军年满35岁了，年初给他下了最后通牒，今年必须结婚，并且在亲戚朋友里广而告之。眼下就快年底了，儿子却一点动静都没有。最近，二老亲自上阵，四处张罗给儿子介绍对象，可儿子并不领情，安排10次相亲，顶多去两三次，连回家的次数都变少了。老两口吃不好、睡不香，俨然已经患上“儿女未婚恐惧症”。

由链的轮廓选定齿数为20。节距p为9.525 mm，传动比为1∶1，有中心距公式：

a=p[（L - z1+z2）+ （L - z1+z2）2-8 （ z2- z1）2] （1）
4p2p22π

式中：中心距a为450 mm。

笔者选择了06c-1 35型链，其链节数Lp为：

式中：z1、z2分别为两链轮的齿数；圆整后的链节数Lp为116节。

▲图1 结构简图

▲图2 传动柱简图

▲图3 后轮柱简图

镰刀和链节具有相同的数目，首先将金属薄型材料落料成长方形刀片，再机磨刀片非刃边，接着压背，而后依次加工过程是：淬火、回火、手工磨刃、抛光和清洗。为使刀片强度更高且不易产生变形，在每个刀片的非刃边上焊接与刀片等长且垂直于刀片的薄型板，此薄型板的强度不易发生弯曲变形即可，然后在此薄型板上反向焊接一块同链的外链板，将其夹固在外链板和内链板之间，将此镰刀的所有易产生较大应力的垂直处用加强筋加固，如此，镰刀便已制作完成。

当安装好刀片的收割机沿着作物垄行走时，散乱的簇生作物将在拨禾片的作用下，沿着拨禾片的内壁被扶正，进入剪切区。随着机器的前行，作物被同步带缓缓夹住，被同步带夹住后的作物就不会出现倒伏、倾斜等阻碍作物剪切的问题。当在动力作用下链轮带动链条运动时，安装在链条外链板和内链板之间的刀片运行，在收割机前部的两个传动柱上的镰刀啮合处形成剪切，逐步完成韭菜的切割动作。

2.4 输送带的设计

输送带的设计也是本产品的一大亮点，该韭菜收割机，采用了同步齿型带传动，如图 2的传动柱所示。同步带具有传动功率大、运行平稳、工作噪声小、无需润滑等多种优点，由于该设备中的带传动传递功率较大，但传递速率较小，前后传动柱的距离为450 mm左右，为了减少带与带齿的磨损，所以同步带的选择型号为30xl。齿数为30，节径为48.51 mm，外径为48 mm，挡边直径为51 mm，挡边内经3 mm，挡边厚度为1 mm的同步带。

如图1所示，该产品的设计充分应用了传动柱的结构，在传动柱的两头各设计了一段同步带轮，当机器在人力推动下，动力传递到传动柱，传动柱进行转动，带动左右、上下4条同步带同时转动。当韭菜被剪断时，韭菜被左右上下4条、两对同步带同时夹紧，传送过去，直到机器尾部离开啮合区。当所种韭菜较稀疏时，或者韭菜长势较弱小夹不紧时，镰刀发挥其另一个作用——托住韭菜防止下漏。因为本设计镰刀的优点还在于其前部两个传动柱进入啮合区后，镰刀将持续保持啮合状态，直到机器在尾部传动柱，啮合打开。

▲图4 镰刀结构简图

所设计的输送带不仅能保证所种韭菜较稠密时的传输问题，还能完美地解决长势较弱韭菜的传输。

2.5 传输带的固定

在整个机器的上方有一块上盖板，其上四角处各有一个螺纹孔，分别用来固定支撑传动柱T型固定杆，4根T型杆与上盖板用螺纹连接。收割机尾部的2个T型固定杆上各套有1根传动柱，与上盖板螺纹连接，T型杆的下端，有水平托台用来托住链条，防止在传动镰刀运作的过程中出现脱链等问题。此外，机器前端和尾部之间的T型杆中间布置有一个连杆，连杆的中间位置设置了一个张紧轮，用于张紧链条，防止链条脱链，或者链条老化后出现脱链的问题等。

3 实验效果

此收割机经实地实验数据表明，镰刀工作时，所剪切的韭菜茬高度随韭菜地的高度不同而不同，韭菜垄有凹坑时，割茬最大高度为10 mm。当韭菜垄有凸嘴时，韭菜割茬最小高度将在0～5 mm内（以韭菜根与叶的分界处为基准0），正常割茬高度为5 mm。但是，韭菜地过于不平坦（100 mm的取样长度内的地表最大高度Ry的平均值为50 mm以上）时，韭菜割茬高度将会在0～15 mm内变化，此时应该时刻注意设备的检查与调整，保证镰刀的链盒密封，防止泥土进入镰刀，影响切割效果。

正常人的行走速度为5～7 km/h即1.39～1.94 m/s，当一个行走速度为6 km/h的使用者推动此韭菜收割机时，其切割速度约为4 km/h，而一般大棚里行距为180 mm的韭菜，单垄产量平均为0.5 kg/m。如果使用者以4 km/h的速度不停息地进行作业1 h，那么本收割机的切割量为2 000 kg。而每亩大棚行距为180 mm的韭菜每茬的产量约为1 000～2 000 kg。也就是说，使用此韭菜收割机，一亩的韭菜将在不到一个小时的时间内割完。

4 结束语

韭菜收割机作为一款需求量较大的小型农业机械设备。其设计性能的优劣直接影响到机器是否实用。笔者开发的小型收割机的刀片能紧贴地面，割完的韭菜茬离地高度较低。其次，装备完全使用人力推动驱动的纯机械设计，大大降低设计及其使用和维修费用，成本较低，批量生产将更加便宜，还可以较大程度地提高农户的收益，具有较高的推广价值。

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