小型葉菜收割機(jī)研發(fā)與市場(chǎng)初探

丁馨明 何白春 薛 臻

葉菜在蔬菜中占有很大的比例。由于葉菜的種植、收獲等環(huán)節(jié)用工量大，人工生產(chǎn)效率低下，人力成本高成為影響葉菜生產(chǎn)效益和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的直接障礙。研究開發(fā)葉菜生產(chǎn)機(jī)械對(duì)提高葉菜種植的勞動(dòng)效率，降低生產(chǎn)成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度具有十分重要的意義。下面介紹一款新型葉菜收割機(jī)械。

1 葉菜收割機(jī)的主要部件及設(shè)計(jì)

該葉菜收割機(jī)主要適用于收獲金花菜（俗稱秧草）、豆苗、小菜秧等蔬菜，主要由動(dòng)力、切割器、輸送裝置、升降割臺(tái)、行走機(jī)構(gòu)、控制裝置、機(jī)架等部件組成。為滿足不同種類葉菜的收獲，要求機(jī)器小巧輕便，可以進(jìn)入大棚作業(yè)，切割高度在一定范圍可調(diào)，操控方便靈活。該機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖 1 小型葉菜收割機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 動(dòng)力選擇

考慮到蔬菜大棚封閉空間有限，汽油機(jī)排放的廢氣會(huì)污染空氣，導(dǎo)致操作人員呼吸困難，同時(shí)也會(huì)對(duì)生產(chǎn)的蔬菜造成一定的污染，因而選用蓄電池和直流電機(jī)作為動(dòng)力。各工作部件可分別組成從直流電機(jī)到工作部件的相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，使整機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)更為簡單。

1.2 切割刀及切割速度的選擇

為適應(yīng)多種葉菜類蔬菜的收獲，選用雙刀雙動(dòng)往復(fù)式切割裝置，刀片選用不銹鋼材料制作的光刃刀片。作業(yè)時(shí)，割刀的切割頻率可以根據(jù)不同的作業(yè)要求進(jìn)行調(diào)整。

為保證割刀正常的切割，割刀運(yùn)動(dòng)時(shí)的平均速度不能低于0.6 m/s，否則會(huì)出現(xiàn)將作物撕裂、扯斷、拔出及割刀堵塞等現(xiàn)象。該機(jī)工作時(shí)行進(jìn)速度較慢，負(fù)荷較小，取割刀平均速度V=1 m/s。切割器刀片如圖 2所示。

圖 2 切割器刀片示意圖

刀片相鄰刀尖間距為S，選用S=35 mm。取刀刃的中點(diǎn)計(jì)算割刀平均速度，割刀為雙刀雙動(dòng)往復(fù)式，上下二個(gè)刀片相對(duì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度相同，但運(yùn)動(dòng)方向相反。工作時(shí)割刀的最低切割頻率為：

機(jī)器前進(jìn)時(shí)，割刀上某一條刀刃點(diǎn)在每一頻次有二次切割。那么割刀刀刃某一點(diǎn)上相對(duì)于地面上的某一點(diǎn)沿機(jī)器前進(jìn)方向的位移

式中：L——刀尖高度為30 mm；

a——刀面與地面的夾角為30°。

要求Q值小于機(jī)器在相同時(shí)間內(nèi)前進(jìn)的距離，否則工作時(shí)會(huì)發(fā)生漏割。機(jī)器前進(jìn)的最高速度V=1 400 mm/s。為保證不發(fā)生漏割，割刀的最低切割頻率為

取和中較大的一個(gè)為割刀最低切割頻率。

割刀切割頻率越高，切割越順利。但切割頻率增高，切割器的慣性越大，機(jī)器會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)，造成零件的磨損等不良現(xiàn)象。取割刀最高切割頻率Hmax=50 s-1。

1.3 葉菜的輸送與收集

輸送裝置的作用是將切割好的葉菜輸送到收集箱存放。輸送裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主動(dòng)輥、從動(dòng)輥、輸送帶和助運(yùn)撥板等組成。為了防止葉菜切割后滯留在割刀上方，導(dǎo)致被重復(fù)切割，在割刀上方設(shè)計(jì)了助運(yùn)撥板，該撥板采用軟體材料制作，作業(yè)時(shí)可將割刀切割下的葉菜及時(shí)地從割刀上撥運(yùn)到輸送帶上。

1.4 升降式割臺(tái)的設(shè)計(jì)

割臺(tái)安裝切割裝置和輸送裝置等部件，可以滿足不同收割對(duì)象對(duì)切割高度的要求。割臺(tái)通過鉸鏈與機(jī)架鉸接，選用電動(dòng)推桿來實(shí)現(xiàn)割臺(tái)的自如升降。作業(yè)時(shí)，操作人員可以根據(jù)葉菜的生長情況，通過按鈕及時(shí)地調(diào)整割臺(tái)來控制收割高度，滿足收割葉菜的質(zhì)量要求。

1.5 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)葉菜收獲機(jī)在收獲作業(yè)時(shí)的正常行走和田間、道路轉(zhuǎn)移。為簡化結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)置電機(jī)式雙驅(qū)動(dòng)輪作為收割機(jī)的行走機(jī)構(gòu)。經(jīng)試驗(yàn)證明，該行走機(jī)構(gòu)在葉菜地面行走打滑率較低(經(jīng)測(cè)定打滑率為3%～5%)，轉(zhuǎn)向操作方便靈活，滿足葉菜收獲作業(yè)要求。

1.6 操控裝置設(shè)計(jì)

操控裝置的作用是控制各工作部件的工作狀態(tài)。由于選用了直流電機(jī)作為各工作機(jī)構(gòu)的原動(dòng)機(jī)，通過控制裝置的調(diào)整可以針對(duì)不同的葉菜種類和作業(yè)環(huán)境采用不同的工作速度。

2 小型葉菜收割機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)及試驗(yàn)情況

采用該機(jī)在泰州、揚(yáng)中等地進(jìn)行田間試驗(yàn)，并對(duì)機(jī)器的作業(yè)性能進(jìn)行檢測(cè)，收割試驗(yàn)的葉菜品種有金花菜、豆苗等。該機(jī)的作業(yè)性能見表 1：

表 1 作業(yè)性能

金花菜、豆苗的收割試驗(yàn)情況分別見表2、3。由試驗(yàn)得出：

（1）該小型葉菜收割機(jī)能適用于金花菜、豆苗、馬蘭等葉菜的收獲，且有較高的作業(yè)質(zhì)量。

（2）作業(yè)時(shí)通過助運(yùn)撥板、輸送帶和收集箱的配合，較好地解決了葉菜的輸送和收集問題。

（3）收割效率較高。一般情況下，該機(jī)收割效率是人工收割效率的20～30倍，可以較大幅度降低金花菜等作物的種植成本。

（4）采用清潔能源（電池），環(huán)保、節(jié)能、無污染，特別適合大棚等密閉空間的收獲作業(yè)。

（5）整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，操作輕便，安全可靠。

3 設(shè)計(jì)改進(jìn)與推廣前景評(píng)估

該機(jī)通過一個(gè)季節(jié)的初步試驗(yàn)，基本達(dá)到了對(duì)金花菜等葉菜類蔬菜的收割作業(yè)要求，但收割作業(yè)范圍和質(zhì)量有待于進(jìn)一步改進(jìn)。

（1）為適應(yīng)對(duì)青菜苗（雞毛菜）等葉菜的收獲，收割機(jī)的最低收割高度需要進(jìn)一步降低。根據(jù)有關(guān)農(nóng)藝的要求，割刀的最低收割高度要達(dá)到10 mm。

（2）為提高葉菜的種植作業(yè)質(zhì)量，地面平整要提高標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)研發(fā)專用種植裝備。

（3）為進(jìn)一步提升機(jī)器通過性，計(jì)劃在目前的雙側(cè)雙驅(qū)動(dòng)膠輪行走機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計(jì)出新一輪行走機(jī)構(gòu)，盡量減少地形對(duì)行走的影響，使得滑轉(zhuǎn)率更低，行走、轉(zhuǎn)向、操作更輕便。

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（4）降低成本。要通過機(jī)構(gòu)的優(yōu)化等降低原材料用量，對(duì)于棚外作業(yè)的機(jī)器可以采用小型汽油機(jī)為動(dòng)力，使制造成本大幅下降。

我國葉菜類蔬菜品種繁多，特別是長三角地區(qū)，金花菜、豆苗、馬蘭頭、菊花菜、小青菜（雞毛菜）、草頭等是廣大百姓十分喜愛的食用蔬菜。此類蔬菜種植后可多次收割，但收割環(huán)節(jié)用工量大，增加了生產(chǎn)成本，遏制了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。一個(gè)正常勞力一天（10小時(shí)）僅能收割0.04～0.05 hm2，日工時(shí)費(fèi)用為100～120元/日。由于此類葉菜適用無序收獲，采用小型葉菜收割機(jī)的收割效率是人工的20～30倍，平均作業(yè)效率為人工作業(yè)效率25倍，收費(fèi)按人工費(fèi)用的50%計(jì)算，機(jī)器一天作業(yè)的凈收入至少為2 000～2 500元，如機(jī)器售價(jià)為30 000～35 000元/臺(tái)，預(yù)計(jì)當(dāng)年可以收回投資。如按照一臺(tái)機(jī)器服務(wù)13.33 hm2計(jì)算，沿海地區(qū)對(duì)小型葉菜收割機(jī)的市場(chǎng)需求預(yù)計(jì)在3 000～5 000臺(tái)。所以，小型葉菜收割機(jī)具有較好的市場(chǎng)前景。