張文韜，吳明亮,2*，謝偉,2，羅海峰,2，許月文

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128)

目前收獲菜用油菜苔[1–2]基本由人工完成，勞動強(qiáng)度較大，成本較高[3–4]，生產(chǎn)效率較低。蔬菜采收機(jī)械的研究和開發(fā)主要集中在結(jié)球類葉類蔬菜和不結(jié)球類葉類蔬菜，如日本、意大利研制的自走式甘藍(lán)聯(lián)合收獲機(jī)，多采用先拔取后切根的方式，一次完成甘藍(lán)的拔取、切根以及去包葉[5–6]；浙江大學(xué)和甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)的甘藍(lán)收獲機(jī)械[7–8]均為單行一次性收獲作業(yè)；對于不結(jié)球類葉類蔬菜的機(jī)械化無序收獲均為一次性、不帶根收獲[9–10]。由于油菜菜苔的物料特性和剪切性能與其他葉菜類作物差異較大，現(xiàn)有的采收裝備并不適合油菜菜苔機(jī)械化收獲作業(yè)，筆者在吸收現(xiàn)有蔬菜采收機(jī)相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，研制了切割高度可調(diào)的4SYT–0.8 型自走式油菜苔收割機(jī)。

1 油菜苔收割機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

根據(jù)南方油菜壟作種植的農(nóng)藝要求，油菜苔種植壟面寬為60 cm，溝深25 cm，上溝寬40 cm，下溝寬15 cm。設(shè)計(jì)油菜苔收割機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。主要由行走底盤、傳動系統(tǒng)、立式割臺、割臺升降裝置等組成。行走底盤選用高速插秧機(jī)行走系，立式割臺通過割臺升降裝置掛接于行走底盤前方，主要由往復(fù)式切割器、分禾器和橫向輸送裝置等組成，割臺升降裝置在電動推桿的驅(qū)動下使立式割臺沿豎直方向垂直升降，調(diào)節(jié)切割高度。整機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

圖1 4SYT–0.8 型自走式油菜苔收割機(jī)的結(jié)構(gòu) Fig.1 Structure of 4SYT-0.8 self-propelled rape bolt harvester

表1 4SYT–0.8 型自走式油菜苔收割機(jī)主要技術(shù)參數(shù) Table 1 Main technical indexes of 4SYT-0.8 self-propelled rape bolt harvester

1.2 工作原理

行走底盤動力經(jīng)過割臺升降裝置傳遞到立式割臺上，分別驅(qū)動往復(fù)式切割器和橫向輸送裝置中的上、下兩排輸送撥齒運(yùn)動，橫向輸送撥齒再帶動撥禾星輪旋轉(zhuǎn)。工作時，油菜苔在撥禾星輪的扶持下被往復(fù)式切割器割斷，并將割斷的油菜苔推送至橫向輸送裝置處，在其上下輸送撥齒和彈性壓桿共同作用下，自左向右橫向輸送并有序鋪放于機(jī)具前進(jìn)方向的右側(cè)，最終完成對油菜苔的切割和橫向輸送。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

2.1 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)的總體方案如圖2 所示。作業(yè)時，發(fā)動機(jī)輸出軸動力通過鏈傳動傳遞至過橋軸Ⅰ上的鏈輪，并通過同軸鏈輪傳遞至割臺升降裝置的傳動軸Ⅱ上的鏈輪，經(jīng)同軸鏈輪將動力傳遞至割臺升降裝置上的傳動軸Ⅲ上鏈輪，并經(jīng)同軸鏈輪將動力傳遞至立式割臺動力輸入軸Ⅳ上的鏈輪，經(jīng)同軸齒輪傳動將動力輸入至減速器，減速器輸出軸Ⅴ上一鏈輪帶動橫向輸送傳動軸Ⅵ旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動橫向輸送裝置上、下輸送撥齒自左向右運(yùn)動。減速器輸出軸Ⅴ同時將動力傳至曲柄滑塊機(jī)構(gòu)并驅(qū)動往復(fù)式切割器運(yùn)動。

圖2 傳動系統(tǒng) Fig.2 Transmission system

2.2 割臺升降裝置

油菜苔收割為多茬收獲作業(yè)，在完成一茬收獲作業(yè)后，留茬會繼續(xù)生長，前后茬的割茬高度不同，需割臺升降裝置調(diào)節(jié)割臺高度。

2.2.1 割臺升降裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

割臺升降裝置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。主要包括平行四邊形框架、鏈輪鏈條組合、電動推桿等部件。平行四邊形框架包括上方的短連桿、下方的長連桿與立桿，短連桿與立桿鉸接于上方2 根固定心軸上，長連桿與立桿鉸接于下方2 根固定心軸上，短連桿和立桿以及長連桿和立桿均可繞固定心軸轉(zhuǎn)動。鏈輪鏈條組合由2 組同軸鏈輪構(gòu)成，2 組同軸鏈輪分別安裝于短連桿與立桿鉸接點(diǎn)處的2 根固定心軸上，右端同軸鏈輪中的外鏈輪與底盤動力相連，左端同軸鏈輪中的外鏈輪與立式割臺動力相連，割臺升降裝置作業(yè)時，2 組同軸鏈輪始終同速轉(zhuǎn)動，故在進(jìn)行升降作業(yè)時，無需切斷割臺動力，操作方便。支撐桿與電動推桿底部鉸接，工作時，通過電動推桿的伸縮帶動長連桿繞其與立桿鉸接點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，完成平行四邊形框架的升降，進(jìn)而驅(qū)動立式割臺升降，升降過程中立式割臺始終保持豎直狀態(tài)，可避免因割臺升降導(dǎo)致的割臺角度變化引起的割茬不整齊。

圖3 割臺升降裝置的結(jié)構(gòu) Fig.3 Structure of lifting device of header

2.2.2 割臺升降裝置行程的確定

割臺升降裝置工作原理如圖4 所示。OCDE為平行四邊形機(jī)構(gòu)，電動推桿由初始長度L伸長為l，驅(qū)動長連桿BC繞鉸接點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)∠BOB′，根據(jù)平行四邊形機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，短連桿DE繞E點(diǎn)旋轉(zhuǎn)相同角度∠DED′，立桿CD平行移動到C′D′位置，立式割臺由F點(diǎn)平行移動提升至F′點(diǎn)，提升高度為h。

根據(jù)農(nóng)藝要求，割臺割刀離地高度為100～300 mm，計(jì)算出所需電動推桿總行程為129.6 mm，因而選擇總行程為150 mm 的LX700 型電動推桿。

圖4 割臺升降裝置的工作原理 Fig.4 Working principle figure for the lifting device of header

2.3 立式割臺

立式割臺通過連接桿與割臺升降裝置剛性連接。油菜苔收割機(jī)的行走速度與往復(fù)式切割器切割速度的匹配，以及行走速度與橫向輸送鏈撥齒線速度的匹配，是保證油菜苔收割機(jī)順利切割、輸送不堵塞的重要前提。為此，需根據(jù)生產(chǎn)率確定機(jī)具行走速度，進(jìn)而確定切割器切割線速度與橫向輸送鏈撥齒線速度。

2.3.1 橫向輸送鏈撥齒線速度的確定

立式割臺工作時，相鄰2 個輸送鏈齒及其接觸的星輪撥齒與輸送鏈之間形成待輸送空腔V0，如圖5 所示，定義該輸送空腔在水平面上的橫斷面積為有效輸送面積，記為A0。該空腔容納著被割下的油菜苔，并由橫向輸送鏈撥齒將其往側(cè)邊輸送。

圖5 輸送空腔位置 Fig.5 Position for conveying space

機(jī)具單位時間t內(nèi)作業(yè)面積A為割臺割幅B與機(jī)器行走速度v1的乘積，即A=B·v1·t。

設(shè)單位時間作業(yè)面積A與油菜苔莖稈聚積到待輸送空間V0后所占空間的水平橫斷面面積A1的比值為油菜苔聚積系數(shù)q，則A1=B·v1·t/q。

輸送鏈帶動撥禾星輪轉(zhuǎn)動時，相同時間內(nèi)撥禾星輪轉(zhuǎn)過的總面積A2是2個星輪齒間有效輸送面積A0的倍數(shù)，即A2=A0·v2·t/b，其中b為輸送鏈上兩相鄰鏈齒間距，v2為橫向輸送鏈撥齒線速度。

為保證輸送不堵塞，割臺撥禾星輪轉(zhuǎn)動的總面積A2應(yīng)不小于收割的油菜苔聚積后的面積A1，同時，設(shè)λ為輸送速比，即輸送鏈上的輸送線速度v2與機(jī)器的行走速度v1的比值，λ=v2/v1。

輸送鏈齒與星輪齒嚙合，故輸送鏈齒距與星輪齒距相等，由行星輪尺寸得出輸送鏈齒距b=125 mm，割幅B=0.8 m，聚積系數(shù)q與油菜苔的種植密度和油菜苔植株大小有關(guān)，在長江中下游多熟制條件下，10 月上旬油菜直播的最佳種植密度為3.0×105～4.5×105株/hm2[11]，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，取油菜苔聚積系數(shù)q=25，計(jì)算可得λ≥0.52。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，撥禾星輪順利撥動物料進(jìn)行切割的條件為：λcosα≥1，其中α為撥禾星輪安裝傾角。根據(jù)文獻(xiàn)[14]和[15]，撥禾星輪的安裝傾角以20°為宜，可得λ≥1.06；根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》[16]，輸送速比為1.4～2.0 時，輸送速比越大，對油菜苔的損傷越大，故取λ=1.4。選取行走底盤低速檔作業(yè)，前進(jìn)速度v1為0.8 m/s，計(jì)算得輸送鏈線速度v2=1.12 m/s。

2.3.2 切割器線速度及曲柄轉(zhuǎn)速的確定

往復(fù)式切割器工作時，動刀的絕對運(yùn)動是自身往復(fù)運(yùn)動與隨機(jī)具前進(jìn)運(yùn)動的合成，動刀切割線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的比值刀機(jī)速比β=v3/v1。其中β為刀機(jī)速比，v3為切割器切割線速度。

刀機(jī)速比大小由被割作物的種類、機(jī)器類型決定，割曬機(jī)β取值1.0～1.2[16]。刀機(jī)速比越大，重割率越大，漏割率越小。重割現(xiàn)象僅會增大機(jī)具功耗，而漏割率過高將增大損失率，降低作業(yè)質(zhì)量，故在推薦的刀機(jī)速比范圍內(nèi)宜取較大值(1.2)，計(jì)算得切割器線速度v3為0.96 m/s。

3 試驗(yàn)

2019 年10 月，在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園基地，機(jī)械化條播種植‘湘油1035’菜用油菜，出苗后基本苗為39.82 萬株/hm2，壟面寬60 cm，單壟2 行，行距40 cm。

為檢測油菜苔收割機(jī)各作業(yè)參數(shù)配置的合理性及油菜苔切割與橫向輸送性能，依據(jù)JB/T 7733—2007《割曬機(jī)技術(shù)條件》和DB/T 1106—2019《非結(jié)球葉類蔬菜機(jī)械收獲作業(yè)技術(shù)規(guī)程》[17–18]，以漏割率、輸送損失率為評價指標(biāo)，對菜苔收割機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)時，調(diào)整機(jī)具行駛速度為0.8 m/s，往復(fù)式切割器動刀片線速度為0.9 m/s，橫向輸送鏈撥齒線速度為1.12 m/s。重復(fù)5 次。整機(jī)作業(yè)過程中運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，輸送無堵塞，割茬整齊。

漏割率和輸送損失率列于表2。平均漏割率0.8%，平均輸送損失率1.3%，說明作業(yè)質(zhì)量可滿足油菜苔收獲作業(yè)要求。

表2 割臺切割油菜苔的漏割率和輸送損失率 Table 2 Rate of cut leakage and rate of conveying loss of rape bolt harvesting

4 結(jié)論與討論

基于油菜立式割曬機(jī)的切割與輸送方式，研制了集油菜苔分禾、切割與橫向輸送作業(yè)為一體的4SYT–0.8 型自走式油菜苔收割機(jī)。

收割油菜菜苔試驗(yàn)表明，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為0.8 m/s、橫向輸送鏈撥齒線速度為1.12 m/s、切割器線速度為0.96 m/s 時，漏割率僅為0.8%，輸送損失率為1.3%，作業(yè)質(zhì)量可滿足油菜苔收獲作業(yè)要求。

油菜苔莖葉柔嫩，在機(jī)械化收獲過程中對其造成的破損程度應(yīng)是檢驗(yàn)油菜苔收獲的重要依據(jù)，但由于現(xiàn)階段缺乏破損評價指標(biāo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本研究未將菜苔破損率作為試驗(yàn)評價指標(biāo)。對油菜苔收獲的相關(guān)破損的定量評價指標(biāo)體系需要進(jìn)一步研究確定，以利油菜苔收獲機(jī)械設(shè)計(jì)的進(jìn)一步完善。