双行自走式大葱收获机的设计研究

刘敬伟，李玉华，吴彦强，侯加林，牛子儒，王建国，窦广义

(1.山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安 271018； 2.济南鑫光试验机制造有限公司，济南 250200)

0 引言

大葱是我国广泛栽培的调味蔬菜及经济作物，在蔬菜产业中占有很重要的地位，中国的大葱种植面积和产量均居世界前列。大葱生产环节中，收获环节用工量大、劳动强度高，但机械化收获水平非常低,大部分地区还主要依靠人工收获,少部分地区使用大葱挖掘机，可以实现大葱挖掘，后期需要人工捡拾[1-4]。国外发达国家所使用的大葱联合收获机分为牵引式和自走式两类：日本、韩国等地区主要使用的是小型自走式大葱联合收获机，动力小、单行收获；欧美地区大多采用大型侧牵引式大葱联合收获机，机具由大马力拖拉机带动，作业和传动实现了电液自动化，行走速度快、作业效率高，能够应用于大规模的收获作业[5-8]。受国内种植模式和价格的限制，国外的机械很难得到应用和推广，且随着农村土地规模化进程加快及农村劳动人口减少，大葱收获难题成为制约大葱产业发展的瓶颈，因此研制适合中国国情的大葱收获机成为当前亟待解决的问题。

为此，结合大葱种植模式和农艺要求，同时借鉴国外的先进技术，研制了自走式双行大葱收获机，并进行了相关性能试验，以期解决大葱收获难题。

1 总体方案及技术参数

1.1 种植模式及农艺要求

本机适用于垄作大葱收获，种植模式为单行单垄，如图1所示。每行垄高300mm，垄宽700mm，平均垄距150mm，大葱的最大生长深度约为250mm，外形尺寸平均颈粗约为40mm。

图1 大葱垄作种植模式

1.2 整机结构及工作原理

针对大葱的种植模式和农艺要求，为提高整机的工作效率、减少对土壤的压实，采用自走式双行大葱收获机，整体结构如图2所示。

1.分土盘 2.挖掘铲 3.铲柄 4.液压马达 5.主传动轴 6.伸缩液压缸 7.底盘 8.履带 9.收集箱 10.发动机 11.传送带 12.夹持带 13.二次去土装置 14.扶禾器 15.操作台 16.座椅 17.油箱 18.去土链 19.汇集器

整机主要由履带式底盘、传动系统、挖掘抖土装置、夹持输送装置、二次去土装置和收集装置等组成。该机能够同时完成2行大葱收获，具体的工作过程：行进过程中，挖掘抖土装置完成挖掘松土和对大葱根部的抖土工作；大葱通过双行汇集装置进行双行的汇集,汇集过程中大葱的茎叶由扶禾器扶持，随后大葱进入夹持输送装置；夹持输送的过程中，二次去土装置将大葱根部的土壤再次清除，大葱再由夹持输送装置带动运送到机器上端，由收集装置进行收集，完成收获作业。

1.3 技术参数

根据大葱的种植模式和农艺要求,整机的主要参数如表1所示。

表1 双行自走式大葱收获机的主要参数

2 关键部件设计

2.1 传动系统

传动系统的工作过程：发动机的输出轴动力通过皮带传送到变速箱，变速箱将动力通过皮带传到主轴。主轴将动力分为两路：一路带动二次去土装置和夹持输送装置；另一路由夹持输送装置又传递到运送装置。其传动简图如图3所示。

图3 传动系统图

2.2 分土盘的设计

分土盘位于挖掘铲前端,负责在挖掘前对葱垄两侧的土进行分离,方便后续挖掘抖土和夹持输送作业,如图4所示。其工作参数主要有分土角α和分土宽度H,其结构如图5所示。分土角α越小则入土性能越好,本机型采用25°，分土宽度则根据实际情况调节。

2.3 挖掘铲

挖掘铲在工作过程中，其切断根须的能力主要取决于铲刃斜角θ，如图5所示。θ过小时，大葱根须易滑脱，不易切断；θ过大时，大葱根须易缠结在铲尖周围，造成堵塞。为了使挖掘铲有较好的切割性能，铲刃斜角应满足下面关系式[9]，即

θ<90°-φ

式中φ—土壤对挖掘铲面的摩擦角(°)。

土壤对钢的摩擦因数tanφ=0.4～0.7，在此取θ=60°。

图4 分土盘结构图

θ.铲刃角(°) L.铲面宽度(mm)

2.3.1 双行汇集装置

双行汇集装置(见图6)主要包括栅格状的汇集带和传动带轮，主要功能是完成大葱在挖掘后的汇集，与扶禾器一起实现大葱扶正功能。两栅格之间宽度为C，栅格间宽度应能够满足单个大葱通过，且不造成过多土壤堆积在汇集装置造成拥堵，因此取50mm。

1.汇集带 2.传动带轮

2.3.2 链条抖土装置

链条抖土装置由链轮驱动链条转动，同时固定在链条上的杆条随链条一起转动，对大葱根部的土壤进行抖动去除，还有辅助输送的作用，其转动速度应当大于机器前进速度，否则没有抖土效果，如图7所示。

1.传动链轮 2.链条 3.杆条

2.4 扶禾与夹持输送装置

扶禾装置的主要功能是保证大葱在进入夹持输送装置前能够得到有效的扶持，夹持输送装置能够通过夹持带的拔起力将大葱拔起，随后大葱被输送到机器的顶端。工作过程中，扶禾装置在葱叶下方，能够将葱叶聚拢且不会造成损伤，夹持带后面设有张紧装置，保证平稳输送大葱。

2.4.1 夹持输送装置参数的确定

夹持输送装置的夹持带采用软质橡胶材料，在拔起和夹持大葱葱颈的过程中不会对大葱造成损伤,其结构如图8所示。

夹持输送装置的原理如图9所示,两带轮带动夹持带转动,夹持带由张紧装置进行张紧。在收获过程中，两带轮开口处将大葱颈部夹紧拔起,大葱被夹持带带动向机器上方运动,带轮的直径主要由大葱颈部的摩擦角β决定,即

其中，β为大葱颈与夹持带之间的摩擦角(°)；D为带轮的直径和带厚之和；d为大葱直径。

1.扶禾器 2.夹持带 3.固定支架 4.张紧装置

D.带轮和带的直径(mm) d.大葱直径(mm)，取d=20～40

2.4.2 二次去土装置的设计

二次去土装置，如图10所示。该装置主要负责对输送运输状态下的大葱根部进行去土作业，去土辊能够去除根附着在须根上的杂土和死皮。

1.传动轴 2.去土辊

3 样机性能试验及分析

3.1 试验目的

对大葱收获机进行性能及生产考核试验，验证大葱收获机正情况下的作业效果，以及样机在本地区是否具有先进性、适用性及安全性。

3.2 试验地点及土壤条件

试验地点选在山东农业大学大葱生产基地，收获的气温为30℃，田内土壤平均湿度为37℃，土壤类型为沙土。

试验时的收获距离为15m，重复4次；分别记录每次试验所用的时间、大葱收获的总株数及损伤的个数等相关数据。

3.3 试验结果分析

根据试验数据经计算获得收获机的性能参数，如表2所示。

表2 大葱联合收获机性能参数

试验过程中，样机运转平稳，工作安全可靠，主体功作部件能够有效完成大葱的挖掘、抖土、夹持运输和收集作业，工作过程协调而通畅。大葱在收获过程中，能够实现各项作业功能。同时，样机在试验的过程中还发现存在以下问题：

1)在挖掘过程中，由于设置有较深的挖掘深度，因此挖掘铲所受的阻力较大，入土稳定性和铲面强度都有待提高。在接下来的优化改进中，应该深入研究分析挖掘铲的结构参数和工作参数，提高其结构强度及入土的稳定性，保证大葱挖掘时的质量和效率。

2)大葱在夹持运输到顶部进行铺放时，还需要人工进行整理和摆放，会耗费一定的劳动力，解决办法是设置一个能够实现有序铺放的装置用来节省劳动力，提高自动化。

4 结论

1)根据国内大葱的种植模式，研制出了双行自走式大葱收获机，该机器能够实现大葱的挖掘抖土、双行汇集、夹持输送和二次去土等功能。

2)该挖掘抖土装置的设计为双行收获，双铲翼为三角状，减小了铲面与土壤的解除面积，降低了阻力，提高了切断性能；能够根据需要针对不同土壤条件调节入土的角度及挖掘深度等工作参数；双行汇集能够完成大葱两行收获的汇集到一起的功能，提高了收获效率。

3)张紧装置能够有效地对大葱进行夹紧，而柔性橡胶的夹持带能够保证在夹紧过程中大葱不会被损伤。