马玲岩 任付娥 毛 玮 古福兴

(青岛理工大学 机械与电子工程系，山东 临沂 273400)

根据实地调查，现阶段大型超市所售菠菜和市民食用菠菜都留有根部，一方面有利于保鲜；一方面菠菜根营养丰富[1]，含有纤维素、维生素、矿物质等。在农业机械化的背景下[2-4]，现阶段的菠菜收割机都是只能对菠菜的茎叶进行切割，对带有根部菠菜的收割仅停留在手工收割阶段。本文针对这种低效率、高成本现象提出了一款能够对菠菜的根部进行切割的机器，用以满足农民现阶段的需求。

1 研究背景

随着人们生活水平的日益提高，市民对菠菜的需求日益升高。但是菠菜收割问题一直被人们忽略，通过实地调查发现，现阶段菠菜的收割主要靠人工进行，存在效率低、成本高的现象(图1、图2)。

图1 手工收割一

图2 手工收割二

另外，通过对不同地区的菠菜收割农民进行访谈可知，农民急需一台能够对菠菜的根部进行切割的机器。

2 国内外现有技术

2.1 国内研究状况

截至2020年3月底，国内能够对菠菜的根部进行切割的机器主要有两种：一是通过下方的盘头刀进行切割，把手进行切割深度控制的收割机[5](图3)。但是由于盘头刀地下切割阻力大，把手控制深度不精确，对菠菜进行切割时切散现象严重，而且一垄收割效率低，现阶段主要用于对韭菜的收割，还未应用于菠菜的收割。二是一种用于流水实施的菠菜收割机[6](图4)，能够对菠菜的根部进行切割，但是存在刀片阻力大，使用不方便且只适用于特定的土地，因而未得到广泛应用。

图3 韭菜收割机

图4 流水实施

2.2 国外研究状况

目前国外对菠菜的收割[7]主要是根茎的收割，且只适用于大面积的露天种植，不适用于大棚种植，对于带根菠菜的收割还停留在人工收割，如图5为大型收割机。

图5 国外大型收割机

综上所述，现阶段国内外缺少一款适用于农民需求的可以对菠菜的根部进行切割的机器，但是本文所提出的中小型带根菠菜收割机能够很好地解决这些问题。

3 主要结构设计

3.1 整体结构设计

本文提出的中小型带根菠菜收割机主要包括收拢部分(图6中5)，在对菠菜收割前进行收拢方便切割；收割部分(图7中6和2)，由两部分构成，从两侧对菠菜进行倾斜切割，能够减少前进阻力补偿切割误差；连接部分(图6中3)主要由机架构成，用以连接各个部分；调节部分(图6中2)主要由调节杆和调节孔构成，用以调节图2整个装置的高低；传送系统(图6中4)主要由传送带组成，用以传送菠菜；主动力系统(图1中1)为整个系统提供前进动力，为一小型微耕机。

图6 整体图

图7 前端图

3.2 重要结构设计

对于本文提出的中小型带根菠菜收割机其核心结构为收拢部分和收割部分，对于收拢部分有两种组成。一种为三角式收拢装置(图8)，其左侧内部焊有后端收割刀(图8中2)起补偿切割作用，右侧外部焊有椭圆形铁丝(图8中1)控制切割后菠菜的倾斜方向，能够保证切割往相同的方向倾斜，最终实现较为整齐的排放，方便人工捆绑。

图8 三角式

图9 斜板式

另一种为斜板式收拢装置(图9)，在整个系统中只含有一个，其置于前端最右侧是为节省材料而设计，内侧含有后端收割刀(图9中1)起补偿切割作用。

对于收割部分主要由两部分构成，一部分为主要切割部分(图10中4)，其与套圈(图10中1)是一个整体，与滚动轴承(图10中2)呈过盈配合，而滚动轴承与轴(图10中2)过盈配合，当受到前进的动力时实现刀片的旋转，从而实现对菠菜根部的切割。另一部分为后端收割刀(图10中2、图11中1)，用以补偿主要切割部分未切下的菠菜。

图10 切割部分

3.3 机器运作过程及图片展示

中小型带根菠菜收割机收割菠菜时，首先收拢部分将菠菜收拢，前端收割刀对其进行切割，随着对菠菜根部的切割，椭圆形铁丝使菠菜倒向一侧。考虑到在切割过程中存在遗漏情况，后端收割刀再次对菠菜的根部进行切割。收割完毕后，右侧菠菜直接摆放在地面，中部及左侧的菠菜通过传送带传送至右侧地面。图12为仿真过程图片以及实体模型图片。

图11 仿真过程模型

图12 实体模型展示

4 结语

本文介绍的中小型带根菠菜收割机，在结构上做了重要改进，满足了农民收割菠菜的需求。截至2021年4月，已完成3D模型和实体模型制作，专利已进行申报，实用新型已授权，发明专利还在进行中，其仿真模型和实体模型良好。