刘 华 ，黄激文 ，黄雄辉 ，何 林 ，岳丹丹

（广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630）

0 引言

中国是世界上蔬菜种植种类最多、种植面积最大的国家。统计资料显示，2016年我国的蔬菜种植面积约为2 166.9万hm2，产量约为80 005万t；其中，叶类蔬菜的种植面积约占总面积的32%，产量占蔬菜总产量的30%左右[1]。目前，叶类蔬菜在耕整地、播种、移栽、灌溉及植保等生产环节的机械化程度相对较高，而叶菜收获作业大多依靠人工完成，存在劳动强度大、效率低等问题。在蔬菜生产过程中，收获作业耗时占整个作业过程的40%[2]，人工收获成本约占蔬菜生产总成本的60%。

随着我国城镇化进程的加快和农村富余劳动力向非农产业的转移，叶菜生产劳动力短缺和老龄化趋势越来越严重，生产用工成本增加，谁来种菜的问题日益突出[3-4]，加快叶菜收获装备的研发已成为蔬菜产业机械化生产的迫切需要[5]。本文针对叶类蔬菜的生长特点和农艺要求，对叶菜收获关键技术和部件进行研究，研制了一种电动履带自走式叶菜收获机，该机作业效率高、叶菜损伤率低、适应性好，适合空心菜、苋菜、芹菜等茎叶类蔬菜的机械化收获作业。

1 总体结构和工作原理

1.1 总体结构

4YL-130型履带自走式叶菜收获机主要包括毛刷拨禾装置、往复切割装置、带式输送装置、履带行走装置、收集箱、蓄电池、直流电机、控制系统与机械升降装置，整体结构图如图1所示。

图1 4YL-130型履带自走式叶菜收获机整体结构示意图

1.2 工作原理

4YL-130型履带自走式叶菜收获机在进行茎叶类蔬菜收割时，采用蓄电池作为整机动力源，电机将蓄电池的电能转换为机械能，驱动收获机在田间行走[6]。采用蓄电池作为动力源，整机重量轻、结构简单。4YL-130型履带自走式叶菜收获机主要通过电动往复切割装置实现叶菜的茎叶切割；通过行走系统和拨禾轮的双重作用实现蔬菜的推入，使蔬菜切割后能够顺畅地进入输送装置；通过皮带输送装置将切割后的蔬菜运输到收集箱，实现蔬菜适时卸出。

1.3 主要技术参数

4YL-130型履带自走式叶菜收获机技术参数如表1所示。

表1 4YL-130型履带自走式叶菜收获机主要技术参数

2 关键部件设计

2.1 切割装置的设计

本设计为适应不同品种叶菜的收获需求，采用双动刀往复式切割装置[7]，该装置主要由上动刀、下动刀、刀架、双凸轮滑槽驱动机构、软轴、电机等组成，具体情况如图2、图3所示。上、下动刀经过连接板通过螺栓安装在刀架上，钢丝软轴的两端分别与直流电机输出轴、双凸轮滑槽驱动机构输入轴连接，双凸轮安装在上、下动刀的滑槽内，带动动刀做往复直线运动，上、下动刀运动方向始终相反，对刀架的附加作用力相互抵消，保证了刀架及整机的工作平稳性。切割装置安装在皮带输送装置的下前端，由电动推杆调节输送装置前端的离地间隙，从而调节叶菜收获时的割茬高度。

图2 往复式切割装置结构示意图

图3 双凸轮滑槽驱动机构示意图

切割器切割蔬菜时，不可避免地要与泥土、沙土接触，为提高刀片的耐腐蚀和耐磨性能，选用不锈钢材料制作的光刃刀片，刀片相邻刀尖间距为35 mm。为保证割刀能够正常切割，割刀运动时的平均速度应不低于0.6 m/s，否则会出现将作物撕裂、扯断、拔出及割刀堵塞等现象[8]。在本设计中，针对整机负荷较小、行进速度较慢的工作条件，取割刀平均速度V=1.0 m/s。刀片运动时，若频率过低容易出现漏割现象；虽然割刀切割频率越高切割越顺利，但切割频率越高，切割器的惯性越大，机器会因此产生很大的振动，造成零件的磨损等不良现象。通过对运动参数进行分析和研究，取割刀最高频率50 s-1，可以保证割茬整齐及切割质量稳定。根据割刀平均切割速度和频率等参数和工作要求，选择转速1 600 r/min、功率156 W的直流电机驱动割刀往复运动，该装备不产生燃烧废气，可以有效地减少对菜园环境的污染，提高蔬菜品质。

2.2 拨禾装置的设计

拨禾装置的主要作用是把待割的叶菜茎秆向切割器的方向引导，并在进行切割时对茎秆进行扶持，同时将切割完的叶菜向输送装置推送，防止叶菜堆积在割刀上[9]。本设计中，拨禾装置由底盘支架、限位杆、驱动机构、拨禾轮、升降机构、支撑架等组成，如图4所示。拨禾轮通过支撑架安装在输送装置上方，直流电机通过链轮传动系统驱动拨禾轮转动，实现扶持和推送叶菜作业。

图4 拨禾装置结构示意图

拨禾轮采用柔性尼龙毛刷滚筒结构形式，尼龙丝按径向成束成排直接嵌在辊筒上。针对叶菜物理特性，参考行走和切割作业速度，拨禾轮直径选择460 mm，拨禾轮转速选择60 r/min。拨禾轮工作时，柔性尼龙丝滚筒接触叶菜能减少惯性冲击，可以有效减少对叶菜品相的损害，减少对叶片的损伤。拨禾轮驱动机构由电机、链轮、链条等组成，电机通过链轮传动带动拨禾轮轴转动进行回转拨禾作业。通过丝杠螺母和圆柱导轨组合而成的升降机构，可以调整拨禾轮离地高度，适应多种叶菜的收获扶持和拨送作业要求。

2.3 输送装置的设计

针对叶类蔬菜柔软易损伤的物理特性，选用带式输送装置，将割刀切割下来的蔬菜通过输送带运送到后面的收集箱。设计的带式输送装置主要由底盘支架、输送架、侧挡板、驱动机构、输送带、驱动辊、从动辊、张紧机构、机架转轴、电动推杆等组成，如图5所示。驱动机构电机带动换向齿轮箱输出轴转动，齿轮箱输出轴通过驱动辊带动皮带和从动辊转动，输送带由下向上运动，实施蔬菜运送作业。前从动辊与输送带的接触部分采用镀铬圆钢，保证输送带在前部的最小半径回转，避免与泥土接触，同时保证蔬菜能顺利交接，不仅阻力小，而且节省电池动力；后驱动辊采用PVC管，表面滚花处理，重量轻、摩擦系数高；输送带选用宽、厚均3 mm的棉帆布，质量轻、延伸率低、表面粗糙、粘着性好，叶菜在输送过程中不易打滑，可以顺畅有序地向后输送至收集箱。

图5 输送装置结构示意图

为了传动稳定可靠，在输送带驱动辊的安装位置设置了滑轨式张紧机构，当输送带在使用过程中产生延长时，可便捷地进行人工张紧。输送带机架后下方的转动轴通过两端轴承与底盘两侧机架转动连接，前下部通过2个铰链与安装在底盘两侧的2个电动推杆连接；在电动推杆同步的推力作用下，输送带绕转动轴转动，从而实现输送带倾角和前端离地间隙的实时调整，能够更好地完成切割和输送作业，降低叶菜收获损失。

2.4 行走装置的设计

行走装置的作用是实现叶菜收获机在收获作业时的正常行走和在田间、道路的转移[10]。为简化结构，设计的行走装置采用电动履带式行走机构，整机接地压力小、转弯半径小、操作方便灵活，适宜在南方多石地、湿软的地面上行驶，并有较好的越障能力，满足多种环境下叶菜收获的行走作业要求。

本设计中，履带行走装置主要由履带、机架、驱动轮、防偏刀、导向轮、电机、减速机构、电池等组成，如图6所示。行走装置采用履带后置驱动方式，驱动轮、导向轮采用精铸件加工而成，选用宽110 mm的高花橡胶窄履带，解决在平坦或垄间菜园的行走问题；行走装置动力源采用纯电动模式，蓄电池和直流电机动力经链轮、链条传动到转向机构，转向机构通过牙嵌啮合传递到减速机构后，动力经减速机构输出轴传递到驱动轮，驱动履带实现行走作业。为保证收获作业有一定的动力输出，动力电池采用2个135F51R铅酸蓄电池串联，输出电压为24 V；底盘机架采用薄壁型材料焊接成型，最大限度地降低了整机重量，提升了动力系统的续航时间和能力，提高了收获作业效率。

图6 履带行走装置结构示意图

3 田间试验

4YL-130型履带自走式叶菜收获机在广州白云区蔬菜生产基地进行了田间性能试验，如图7所示。田间性能试验项目：叶菜收获机行走速度、割茬高度、作业效率。

图7 样机田间试验

3.1 试验条件

1）试验地：试验菜田平整无砖头、石块；试验菜田长80 m，宽42 m；土壤为沙壤土质地，坚实度为83.5 kPa；测区长度为20 m，并有适当的稳定区。

2）试验作物品种：空心菜，空心菜平均株高为300.3 mm，平均种植密度为68 株/m2；种植模式为垄面种植，垄顶宽1 200 mm，垄距1 500 mm，垄高200 mm；株行距150 mm×200 mm。

3.2 试验结果

田间性能试验后，分析4YL-130型履带自走式叶菜收获机试验结果，取平均值进行统计，整机主要性能指标如表2所示。

表2 4YL-130型履带自走式叶菜收获机性能试验结果

由试验结果可知，样机性能参数达到设计要求，整机小巧轻便，能顺畅完成芥菜、空心菜等叶菜收获作业；采用窄履带式行走底盘适合垄间行走，进行叶菜收割作业；割刀离地间隙24 mm～180 mm可调，适用于不同高度叶菜的无序收获；采用滚筒尼龙毛刷拨禾方式，叶菜收获损失低、损伤少；收获作业效率达0.069 hm2/h，与人工收获相比，收获效率大幅提高。

4 结论

针对南方茎叶类蔬菜的生长特点和种植农艺要求，研制了一种电动履带自走式叶菜收获机。田间试验结果显示，该机采用履带底盘行走装置，菜地通过性能好，有较好的越障能力；采用蓄电池和直流电动机提供动力，减少对蔬菜生长环境的污染，节能环保；采用毛刷滚筒拨菜装置和皮带输送机构，对叶菜损伤小，收获损失率低；整机结构紧凑、作业效率高、蔬菜损伤率低、操控灵活，可以满足南方地区芥菜、苋菜、空心菜等叶菜的机械化收获作业需求。