摘要：因受制于多山地丘陵地貌，目前我國存在胡蘿卜采收仍以人工為主，采收效率低的問題。鑒于此，提出研發(fā)一種行間距可調(diào)的多行夾拔式胡蘿卜收獲機，將夾拔裝置模塊化，通過自由移動拆卸夾拔模塊，實現(xiàn)收獲行間距可調(diào)，擴大農(nóng)藝使用范圍。該收獲機通過手扶拖拉機提供動力，主要由攏纓部件、疏土裝置、夾拔裝置、往復(fù)割刀切纓裝置、風(fēng)機除纓裝置、運輸收集裝置構(gòu)成，集多功能于一體，并具有體積小、通用性強、結(jié)構(gòu)簡單、收獲效率高等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：胡蘿卜；小型收獲機；多行收獲；可調(diào)收獲行距；往復(fù)切割

中圖分類號：S225.7 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）20-0033-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.20.007

0 引言

我國的胡蘿卜種植面積和收獲總量均為世界第一，但其收獲機械化發(fā)展程度低，受制于我國多山地丘陵[1-2]，以及不同地區(qū)、不同人的種植農(nóng)藝差異這兩大因素，至今大部分地區(qū)仍采用人工采收的方式，效率低下[3-5]。本收獲機設(shè)計出于對這兩大因素的考慮，通過夾拔裝置模塊化實現(xiàn)收獲行間距可調(diào)，克服種植農(nóng)藝差異。收獲機整體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，適應(yīng)各種地區(qū)，收獲功能齊全，并且最多可一次性收獲三行胡蘿卜，收獲效率高。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本收獲機采用夾拔模塊同整機為一條直線的方式，切下后的纓子無法直接向后拋灑，故在夾拔裝置末端加裝擋板，再用風(fēng)機提供風(fēng)力吹除纓子。整機為純機械組成，未使用電力驅(qū)動，動力由搭載了8.5 kW常州單缸風(fēng)冷柴油機192F的手扶拖拉機提供，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

收獲機以攏纓部件、疏土裝置、夾拔裝置、往復(fù)割刀切纓裝置、風(fēng)機除纓、運輸收集這六大模塊為主要框架，輔以其他零件構(gòu)成，機體總長2 000 mm，寬1 200 mm，高1 600 mm，夾拔裝置模塊化設(shè)計，通過導(dǎo)軌滑塊來實現(xiàn)行間距可調(diào)可拆卸。

2 可調(diào)夾拔模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)多行夾拔間距可調(diào)，需將夾拔裝置模塊化，單組模塊的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由攏纓部件、疏土裝置、夾拔裝置構(gòu)成，對應(yīng)攏纓、疏土、夾拔三大收獲功能。

2.1 可調(diào)間距結(jié)構(gòu)實現(xiàn)

將夾拔裝置模塊化，會遇到如何實現(xiàn)夾拔裝置的移動、如何給夾拔裝置提供動力，以及前輪壓到旁側(cè)未收獲胡蘿卜的問題，在此采用如下方法實現(xiàn)。

2.1.1 移動問題

通過使用圓柱導(dǎo)軌解決裝置移動問題。圓柱導(dǎo)軌適用于精度要求不高、低速的場合，且在徑向有較好的承載力，制造價格便宜，結(jié)合機架尺寸等因素，考慮采用SBR25導(dǎo)軌滑塊裝置，導(dǎo)軌長度比機架長度小約一個滑塊，以便拆卸。并且滑塊帶有鎖緊手柄，方便固定調(diào)整位置，如圖3所示，支撐梁通過螺栓固連，滑軌移動，實現(xiàn)間距可調(diào)。

2.1.2 傳動問題

解決了移動問題后，需要考慮主動帶輪提供動力并使傳動部分能夠移動。從能夠進行遠距離傳動且傳遞較大力矩，便于拆卸和適應(yīng)惡劣環(huán)境等因素綜合考慮，選擇鏈傳動，其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，通過使用滑鍵將主動鏈輪安裝于主傳動軸上，以便進行滑移。

2.1.3 前輪距離問題

若前輪間距固定，則可能會壓到近旁還未采摘的胡蘿卜，所以需要能改變前輪間距的裝置，在此使用充氣萬向輪，可以很好地解決該問題。

2.2 攏纓部件設(shè)計

夾持拔取式收獲過程中，胡蘿卜纓子與傳送帶接觸產(chǎn)生摩擦力使其脫離土壤。由于胡蘿卜生長環(huán)境復(fù)雜，纓子狀態(tài)各異，且存在倒伏現(xiàn)象，若接觸的纓子數(shù)過少，可能導(dǎo)致拔力不足或脫落，影響收獲效率，因此加裝攏纓部件至夾拔裝置前端至關(guān)重要，如圖5所示。

圖5中攏纓器設(shè)計為類圓錐狀，與胡蘿卜莖點接觸，減小摩擦，能有效聚攏纓子。最后通過調(diào)整螺栓可旋轉(zhuǎn)和移動攏纓器，以調(diào)整敞口角度，適應(yīng)不同纓葉茂密程度，提高攏纓效果。

2.3 疏土裝置設(shè)計

胡蘿卜在土壤中生長，受土壤緊密包裹和摩擦力影響，直接拔出時力度難以掌握，易導(dǎo)致漏拔或莖部斷裂，而加裝疏土裝置可以很好地減少漏拔現(xiàn)象，即通過擾動土壤，破壞緊固結(jié)構(gòu)，使胡蘿卜在土壤中受到的摩擦和束縛減小，從而更易被拔出。

為便于疏土裝置隨夾拔裝置移動，且考慮到強度問題，選擇采用類三角支撐設(shè)計其結(jié)構(gòu)。如圖6所示，疏土裝置主要由疏土鏟、氣彈簧、鏟臂、支承架所構(gòu)成。為了能承受更大的力，在拐彎處加了兩個支撐桿，氣彈簧通過銷軸與鏟臂和支承架相連接，再通過拉線來遠程進行氣彈簧的伸長/縮短控制，使得鏟子能夠抬升進行鏟土作業(yè)，疏土鏟通過螺栓與鏟臂相連接，通過調(diào)節(jié)螺栓孔可微調(diào)入土深度。

2.4 夾拔裝置設(shè)計

2.4.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

拔取式胡蘿卜收獲機的核心是夾拔裝置，其決定了胡蘿卜能否被正確收獲。整體的夾拔裝置設(shè)計如圖7所示，其由兩條撓性回轉(zhuǎn)皮帶、拔持力自動調(diào)節(jié)裝置、張緊裝置、主動輪等組成。主動輪置于最后，動力通過減速器傳遞，出于對拔持力和長距離輸送的考慮，在裝置每邊加裝4個張緊裝置，其中最前端的裝置能自動調(diào)節(jié)拔持力大小。

2.4.2 自動調(diào)節(jié)拔持力裝置設(shè)計

皮帶在拔取、運輸胡蘿卜過程中，單靠帶輪與纓子之間的摩擦力是不夠可靠的，需要對其進行張緊才能保證收獲的可靠性。如圖8所示，裝置由連接板、單臂彎曲扭轉(zhuǎn)彈簧、銷軸、支座板組成，從動輪通過螺栓固定于連接板上，而連接板又由銷軸連接于支座板上，為可以活動的部件，在扭轉(zhuǎn)彈簧提供的轉(zhuǎn)矩作用下向中心靠攏，當(dāng)胡蘿卜纓喂入夾拔裝置時，纓子會撐開從動輪，而在作用力與反作用力下扭轉(zhuǎn)彈簧提供的扭矩會將胡蘿卜纓子夾得更緊，起到自動調(diào)節(jié)夾拔力的作用。

3 除纓運輸模塊機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 往復(fù)割刀切纓裝置設(shè)計

胡蘿卜切纓裝置市場主流設(shè)計分為兩種：圓盤割刀式和拉拽式[6]。但本設(shè)計的切纓裝置要能隨夾拔裝置移動，或者能一次切割多行，所以這兩種對本收獲機均不適用。常用的農(nóng)業(yè)機械切割裝置還有一種為往復(fù)切割式，其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、切割質(zhì)量好，并且結(jié)構(gòu)緊湊，動力提供方式剛剛好符合本設(shè)計需求，故將其選為設(shè)計對象。

目前研究的往復(fù)割刀整體分為動定刀片，切割的物體處于兩者缺口處，并在動刀片運動下進行切割，如圖9所示。但胡蘿卜莖較為粗壯，且受限于尺寸，并考慮到夾拔裝置是移動可調(diào)的，故只能采用平口的切刀。本設(shè)計往復(fù)割刀切纓裝置三維模型如圖10所示。

由圖10可知，光滑平板通過螺釘固聯(lián)于機架上，切割刀片被壓板通過扭轉(zhuǎn)彈簧緊緊壓附在光滑平板上，限制了垂直方向上的位移，保證其不脫離。驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，每當(dāng)驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)一圈，切割刀片就在凸輪提供的橫向推力作用下進行一次左右位移，進行切割?？紤]到過長的刀片不易生產(chǎn)和拆卸維修，故將其分為四段，更換刀片時只需將彈簧摳出機架上的凹槽，即可取出更換刀片。

3.2 鼓風(fēng)機除纓裝置設(shè)計

由于整體設(shè)計為一條直線式，切纓裝置切下的纓子無法直接向后端拋灑出去，故在夾拔末端加裝了隔擋裝置，并于一側(cè)安裝波紋管，通過鼓風(fēng)機提供風(fēng)力，將切下的纓子吹至另外一側(cè)，整體結(jié)構(gòu)如圖11所示。

3.3 運輸收集裝置設(shè)計

如圖12所示，運輸裝置采用L型運輸輥裝置，通過減速箱提供動力，傳輸輥為雙鏈輪的標(biāo)準(zhǔn)件，裝置的末尾為收集小推車，與機架相連。為保證胡蘿卜不從輥的縫隙中掉下，選取的輥直徑為50 mm，兩個輥之間的中心距離為70 mm，即縫隙距離為20 mm，而正常生長的胡蘿卜直徑在30～40 mm不等，故不會掉落。由于其運轉(zhuǎn)速度需要同整機行進速度相適應(yīng)，故取輥的線速度V輥=1.2V進。由于同一時間所運輸?shù)暮}卜數(shù)量不會很多，一般在10～20根，而一根胡蘿卜的重量僅為150 g左右，故對輥產(chǎn)生的載荷不會很高，無須校核。

4 結(jié)束語

本課題組研發(fā)了一種行間距可調(diào)的小型多行夾拔式胡蘿卜收獲機，通過手扶拖拉機提供動力，主要由攏纓部件、疏土裝置、夾拔裝置、往復(fù)割刀切纓裝置、鼓風(fēng)機除纓裝置、運輸收集裝置等構(gòu)成，收獲機的整個工作流程為：作業(yè)前，操作人員先通過導(dǎo)軌滑塊將夾拔模塊調(diào)到合適位置后啟動機器，在行進過程中位于最前端的攏纓部件將分散倒伏的胡蘿卜纓子聚攏，同時下方的疏土裝置疏松土壤破壞胡蘿卜和土壤的緊固結(jié)構(gòu)，而稍后到達的夾拔裝置將胡蘿卜拔出并往后運輸，往復(fù)割刀切割使纓果分離，切除的纓子被風(fēng)機吹落，而胡蘿卜則落至傳輸輥上，最終運輸至可分離推車中。該收獲機集攏纓、疏土、夾拔、切纓、除纓、運輸收集功能于一體，實現(xiàn)了高度自動化，具有很好的市場推廣使用價值。

[參考文獻]

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[5] 關(guān)睿.胡蘿卜聯(lián)合收獲機仿生單圓盤式對頂切割裝置設(shè)計與試驗[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2020.

[6] 曾功俊.胡蘿卜纓子的力學(xué)特性及拉拽式收獲部件研究[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2016.

收稿日期：2024-06-12

作者簡介：林志偉（2004—），男，福建福清人，研究方向：機械設(shè)計制造。

通信作者：林權(quán)（1980—），男，福建福州人，碩士，教授，研究方向：機械設(shè)計制造。