小型大白菜收获机结构设计

高艳红

（唐山学院河北省智能装备数字化设计及过程仿真重点实验室，河北 唐山 063000）

大白菜原产于我国，具有丰富的营养价值，是我国北方冬季的主要蔬菜，在全国范围内也是人们日常生活中喜爱的蔬菜之一，大白菜在我国的种植面积也是最大的。目前，大白菜的种植地主要分布在河北、黑龙江、辽宁、山东、广西、河南等地，随着工业4.0的兴起，蔬菜的机械化生产收获方式越来越受到国家的重视[1]，大白菜的收割方式也逐步向机械化作业方向发展。在大面积的平地上种植大白菜，可由拖拉机进行翻地、平地、起垄、播种、收割等连续机械作业，但在白菜的收获过程中，人工作业量仍占到整个作业量的40%左右。而我国农村田地大多数为小农户、小地块种植模式，随着城市化进程的加快，农村劳动力的转移，对于小农户、小地块的大白菜收获更为不易。我国在大白菜收获机械上的研究很少，大白菜的主要收获方式还是靠人工进行，白菜的拔取、切根、去老叶、装箱等过程需要耗费巨大劳动力，同时存在收获所需时间长、人们劳动强度大等问题，如果遇上恶劣天气，则会导致人工作业搁置，白菜不能及时收获，可能会导致大白菜冻伤，影响大白菜的存储和食用。现在我国的城市化进程飞速发展，大量的农村年轻劳动力向大城市汇集，导致农村劳动力短缺。目前，农村大白菜种植多以农户小规模、小地块的方式，一些国内外先进的大型机械设备并不适用，因此研究一种适用于小农户、小地块的小型大白菜收获机械是很有必要的[2]。

1 总体方案设计

大白菜收获机械化作业过程主要分为引拔、夹持、切根、传输、剥皮、装车几个过程，如果要完成全部的作业，会导致整个大白菜收获机的体积很大，不能适应小地块的大白菜种植模式，所以将收获过程简化为引拔、夹持、切根、传输、装车，以适应小地块的种植模式，同时达到提高效率、减轻人工负担的目的。

本设计结构主要包含引拔装置、夹持输送装置、切割装置、提升装置和收集装置五部分。首先通过引拔装置将大白菜从地里引拔出来，再经由夹持装置将其固定住，通过切割装置切去根部，由输送装置传送到提升装置，然后提升至收集装置中。在夹持输送装置处设置切根装置进行切根[3]，这种收获方式结构简单，只需要一个切割刀即可，但对夹持传输机构的设计要求较高[4]。

2 结构和工作原理

机器前进过程中，大白菜在引拔铲的作用下慢慢向上拔出，并沿着引拔铲的斜面向后移动，接着由夹持皮带夹持住并随着皮带运动，到达切割装置时由切割刀将大白菜的根部切除，当大白菜运输到皮带的末端时落入临时收获架处，再由提升机构的提升臂将大白菜提升到高处，然后落入收集袋中，完成一次大白菜的收获过程[4]。小型白菜收获机整体装配三维模型如图1 所示。

图1 小型大白菜收获机整机图

引拔装置选用固定的导向引拔铲，引拔铲浮动于收获机前，可很好地收拢白菜叶，并将大白菜从土中拔出；夹持输送装置采用平带夹紧，平带能很好地将白菜的腰部包覆住，减少白菜的受力集中，从而避免引拔白菜在收获过程中严重受损。输送采用含有单侧双孔弯板的链条传输方式，能很好地符合本设计的结构要求；切割装置选用圆盘刀，圆盘刀适用于切割根茎较大的植物，并且圆盘刀的结构简单，能够适应高转速的作业方式[5-8]；提升装置选用回转立式链条提升装置，在链条上安装提升齿，以实现大白菜的提升。

3 小型大白菜收获机主体部分设计

3.1 引拔铲的设计

引拔铲是将大白菜扶正并将大白菜的根部从土中引拔出来的装置，安装在机器的最前端，配合夹持传输机构完成大白菜的收获。为了将大白菜从土壤中拔取出来，在农业机械中常用到的主要有圆盘式、螺旋锥式和铲式等结构形式，根据拔取方式的不同，又可以分为垂直拔出和倾斜拔出。垂直拔取式结构在功率消耗方面比倾斜拔出式的机构要小，但拔取式的机构很容易受到大白菜生长情况、土地的湿度、土地的坚实度影响，很容易发生将大白菜拔断或者是拔不出的情况，所以这里选用倾斜铲式的引拔装置，将引拔铲设计为固定的引导式，安装在整个机器的正前方。随着机器的前进，左右两侧两个引拔铲插入大白菜的左右两端，在前进过程中，大白菜的底部随着引拔铲的斜面不断地向后上方移动，完成大白菜的引拔工作。要实现上述的工作过程，就要求引拔铲的斜面和大白菜底部的摩擦力不能过大，还要有适当的圆滑曲面，来保障大白菜的引拔过程，而且两个引拔铲之间的距离也要适当，确保能将大白菜很好地拖住。

通过对引拔铲作用的详细分析和大白菜种植间距及大小的调查，设定引拔铲与水平面的夹角为15º～30º，两引拔铲尖部的距离为85 mm，引拔铲的长度为200 mm，材料选择Q275。

3.2 皮带夹持传输机构的设计

皮带夹持机构的作用是将引拔铲引拔出的大白菜叶球部夹持住，让大白菜随夹持平带一起向斜上方运输，并且在夹持过程中通过切割装置将大白菜的根部切除。夹持传输机构的夹持部分由两条平带实现，为保证被夹持住的大白菜不发生相对滑动，影响切根的准确性，使左右两根夹持平带带速一致，故夹持传输机构的传动选用交叉平带来完成。

考虑到大白菜的尺寸差异，在夹持平带上设置张紧轮，可夹持不同大小的大白菜，以实现大白菜完成向上运输的运动过程[9]。

夹持过程用6 个弹簧调整夹持平带对大白菜的夹持力，在保障不同大小的白菜均能被夹持平带夹持住的前提下完成输送。考虑到弹簧的工作过程，此处选用圆柱螺旋压缩弹簧。在弹簧工作时，弹簧的最小载荷发生在大白菜还没被夹持时，根据夹持平带的张紧力作用得到弹簧的受力，弹簧的最大载荷发生在大白菜被夹持后，根据加持平带的张紧力和大白菜对弹簧的压紧力之和，得到弹簧的受力从而设定弹簧的工作行程为5 mm。

3.3 提升机构的设计

提升装置是大白菜收获机的重要组成部分，其主要作用是将前面夹持传输部件输送过来的大白菜提升至高处的收集袋。考虑到大白菜收获机体积要尽可能地小一些，故采用回转立式链条提升装置。在链条上安装提升齿，使已切根的大白菜置入提升齿上实现大白菜的提升，当大白菜提升到链轮顶部时依靠自身的重力落入收集袋。

采用两条16A 单侧双孔弯板的传输链条作为传动部件，通过提升齿将两条传输链条中的双孔弯板连接起来，从而达到提升大白菜的目的。

3.4 切割装置的设计

考虑到大白菜的根茎较大，而且是单行单颗的收割方式，此处采用圆盘式收割方式，选择圆盘锯齿刀。

在圆盘式切割装置中，切割方式的不同也会直接影响切割效果，常用的切割方式主要有正切和滑切。正切是指切割装置的切刀刀刃的运动方向垂直于大白菜根部的切割方式，其中刀片的运动方向和刀片的切削刃相互垂直，当进给运动时，刀片仅在垂直于切削刃线的方向上移动，而在沿着切削刃线的方向上没有运动。根据刀片平面相对于被切割作物轴的方向，将正切又分为横切、斜切和削切，不同切割方法产生的切割阻力和能耗也有很大差异。横切过程中的剪切强度最高，其次是斜切，而削切过程中的剪切强度最低。与横切相比，斜切时的切削阻力可降低30%～40%，削切时的切削阻力可降低55%～65%。滑切是指切割刀片沿着切割线垂直方向和沿着切割线方向的合运动。由于滑切的切割特点，使得其对根部的切削阻力小于横截面。滑动切削角度也是影响滑动切削效果的重要参数。根据不同作物茎的特性，合适的倾角可有效降低切割阻力并减少切割刀片的能耗。通常滑动切削角度为20º～50º，可以在这个范围内进行合理选择[7,10-11]。

3.5 收集装置的设计

收集装置是将提升装置提升上来的大白菜收集在一起的装置，经过对一些成熟的大白菜收获机的研究发现，大型的大白菜收获机能够通过人力将收获的大白菜放置到空间充足的车厢空间中[12]。而一些应用中的小型大白菜收获机，为了保证大白菜收获机的灵活性并没有设计大型的存储空间，而是尽量缩小收集箱的体积，从而导致收获到一定数目的大白菜后还需要再将大白菜取出，这样的收获过程大大影响了大白菜收获的效率。通过对小型收获机械研究发现，小型收获机械的收集箱一般从侧面打开，将收获的作物取出，这种方式虽然能一定程度地解决收获效率的问题，但大白菜收获机的效率依然不尽人意。

通过对以上问题的研究分析，笔者设计了一种袋式收集装置。可以利用农户家家都有的化肥袋作为收集装置，通过夹持装置将收获袋夹持在机架上，当收集袋中大白菜收集满时，通过更换收集袋的方式提高收获机的收获效率，并实现大白菜的简单打包。

3.6 传动系统的选择

在一般的农业机械装置中，大多选择的传动方式为皮带传动、链条传动、齿轮传动[13]，各种传动方式在使用过程中的优缺点不尽相同。其中，皮带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉、减震等优点。链传动在传动过程中没有弹性滑动，也不会像带传动产生打滑现象，还可以保持精确的传动比，传动效率高且成本低，但只能在平行轴之间传动。齿轮传动的效率高，结构上相对紧凑，工作比较可靠，使用寿命长，齿轮的传动比稳定，但要求安装精度高，价格贵，传动距离不宜过长。根据本设计的需要，选择皮带传动、齿轮传动、链传动相结合的传动方式。

4 结论

通过对各种大白菜收获机的分析，发现大型的、需要拖拉机作为动力源的大白菜收获机并不能满足小农户、小地块的收获需求。针对这一问题，为了降低农民的劳动强度，节省劳动力资源，提高收获效率，笔者设计了小型大白菜收获机的整体结构，确定了先引拔再夹持传输，在夹持传输过程中切根的技术路线，设计出能实现单行收获过程的小型大白菜收获机，可达到95%切根成功率，菜体的损伤率小于10%，大大满足小农户要求。在节省劳动力、降低劳动强度、提高收获效率等方面都具有实际的应用价值。