韭菜收获设备关键部件设计

杨震 ,卢军党 ,张博然

陕西省农业机械研究所有限公司，咸阳，712000

摘要：韭菜种植目前已成为我国多地主材产业的支柱，耕、管等环节可借用现有根茎类通用设备，但韭菜收获设备采用通用设备效果不理想，本文通过对一种小型电动自走式韭菜收获机关键部件进行再设计，使得可以适应目前规范化种植产区，并进一步增强设备通用性，解决韭菜收获过程中适应性差问题，使韭菜种植可以向规模化、集约化、产业化发展，提高收获效率减轻劳作强度。

关键词：韭菜；收获；电动

前言

韭菜属多年生宿根类草本蔬菜，是一种我国栽培地域最广的常绿叶菜，常年栽培面积占菜田总面积的5%-6%[1]。种植3-5年后换茬，目前部分韭菜品种换茬长达8-10年。韭菜除青采外还可通过培土、遮光覆盖等措施栽培收获营养价值和经济价值较高的韭黄或采收用作配料酱的韭菜花。

近年来,国内种植的韭菜也一步步走向了国际市场[2]。目前新产品系列韭菜不仅应用于大田生产还进入了温室大棚使得韭菜全年都可栽植，我国多地区均有栽种，反季节韭菜经济支柱性效益尤为突出。目前河南益阳、山西运城、甘肃武山、河北乐亭/秦皇岛、山东寿光、诸城、辽宁义等地都建设了万亩以上的鲜韭菜生产基地，成为当地蔬菜产业化发展的支柱产品，主要品种株高和亩产见表1。我省目前韭菜种植多属于大田种植，主要基地位于鄠邑区、兴平市、华州区等，产业化发展存在诸多问题，如大田作业主要依靠人工，种植模式不规整、生产过程中机械化率普遍偏低、生产集约化后相应病虫草害进一步加重、区域性产业链条短。这些问题不仅影响了韭菜种植产业发展，还在一定程度上影响了当地蔬菜经济整体性发展。韭菜生产机械化是实现节本增效的根本途径，务农劳动力的大量转移以及劳动力价格的不断攀升是推动韭菜机械化生产的内在动[3]。

表1  主要品种株高和亩产

品种	自然株高/cm	亩产/kg
寿光独根红	50-60	3000-4000
寿光9-2	50-70	3000-4000
汉中冬韭	40-50	3000-4000
嘉兴白根	50	3000-4000

作者简介：杨震（1988－），男，主要从事农业机具、畜牧设备研发，项目类别：重点产业创新链（群）；项目编号：2021ZDLNY03-06；项目名称：设施农业机械化装备研发与应用

犀浦韭菜	45-60	2500-3500
寿光一号	40-50	1500-2500
寿光二号	50-60	3000-3500

1.韭菜收获机现状

随着我国农业机械化步伐的的发展进程，国内针对蔬菜类收获设备的研发提供了较大支持，在韭菜收获设备的研制上也有一些比较先进的成果。国外目前韭菜种植、管理、收获设备类型较多如韩国、日本等国家，其设备的通用性较强较国内成熟，可有效完成收割的前提下保障不伤根茎，利于下茬韭菜再生长，保证菜农的利益[4]。我国部分地区现阶段韭菜收割也有相关类似设备在用，但是多以引进国外的机具或进行简单模仿改良为主，大部分种植小区仍旧使用传统割刀进行人工收割作业，少数韭菜种植地区有使用韭菜收获设备，但收获效果较差，使用率并不高。造成这种症结的主要原因在于整个作业环节机械设备参与较少，一方面人工栽植韭菜均匀度不一，导致机收相对困难；另一方面是目前市面上韭菜收获机具很难较好的进行地面仿形，收割后韭菜留茬高度不一，不仅降低了韭菜售卖利润空间而且很大程度上影响了下一茬韭菜生长。

2.韭菜收获机设计

设计的小型电动韭菜收获机为自走式，韭菜收获机通过电机分别驱动行走轮完成行走，驱动圆盘式割刀完成韭菜切割。设备作业时扶着设备把手进行方向引导，所以韭菜收获设备前进速度预设为0.5m/s。根据设计预算韭菜收获机整体质量m1≤150kg，收获后设备运输带上韭菜质量m2≤5kg。根据相关公式：

................................................式1

式中:μ=0.15（选取泥泞土路轮胎摩擦因数）；

m=m1+m2；

V=0.5m/s；

η=0.75；代入式1中得：

P额=155W

经割刀收获后的韭菜通过运输带向机具后方传送，运输送带采用双贴层。外层使用带有柔性弹力布做面层并紧贴CR海绵实现弹性夹持，保证向后运输过程中无夹伤，PVC材质平皮带配合导向组成内层带面，提高传输带基层抗磨损性能。输送带工作时速度需匹配同时间内收获割刀割除的韭菜量，根据公式6

....................................................式2

式中：V--韭菜收获设备前进速度；

B--收获设备工作幅宽（0.2m）；

H--韭菜生长高度（取平均0.5m）；

q1--韭菜生长密度(株/m2)；

q2--输送带上集密度(株/m2)；

一般种植情况下q1/q2可视为定量，设计参数q1/q2=8。因此输送带速率V送=1.6m/s，此时根据收获时韭菜的极限预估瞬时承载极限为5kg，输送带运转速度可调根据设计在0-2m/s，输送带带宽100mm，主动输送轮径和从动轮径采用同径，D=100mm，输送带长L=800mm（取中心距）输送到倾斜度为20°。当设备收获时瞬间启动其转动距最大，此时根据所选输送带基边材质取μ=0.7，

代入公式3-5中：

...............................................式3

根据最大设计运转速度取V送=1.6m/s,则可知主动轮所需功率P主为：

.....................................................式4

传递效率根据实践取η=0.75，代入公式后电机最小功率为：

......................................................式5

通过计算可知P电=30W，由于采用电动机匹配变速箱实现行走速度范围内可调，因此电机根据计算和实际需求，驱动电机同时驱动行走系统和收获输送带传递系统，根据传递效率可选择MY1016Z型直流电机,减速比例1:9.78满足设计使用需求。

目前收获类设备割刀常见的有往复式和圆盘式[5]或基于这两种形式衍生的同类部件。往复式收获刀具结构简单，对于多行收获优势较强，但在工作时由于自身结构其惯性力大，振动强，而收获韭菜单棵质量小，茎秆倾斜晃动较大不利于向后运输，并且在收获韭菜留茬茬口高。圆盘式一般采用圆盘割刀在小角度倾斜面内旋转运动，其运转平稳，振动小，割盘圆周速度大，韭菜切割茬口整齐，对于韭菜收获来说较为适宜。韭菜根茎部位的含水率高达84.5%，割刀的主要磨损形式是软物料的抛光磨损以及硬物料的磨粒磨损[6]。为避免割刀因磨损而变钝，同时为了保护韭菜根茬，选择65Mn钢作为割刀材料，并对刃口进行淬火处理[7]。由切割理论可知，加载速率越大，越省力[8]。本设备收获割刀仍旧采用电力驱动，电机匹配MY-1016，同驱动电机相同为24V直流电机，额定转速3000rpm，其转速可由操作人员进行调节控制。

实际工作时，刀刃按一定角度方向切入茎秆时切割阻力较小。割刀切割韭菜的速度是由设备前进速度和割刀转速两个参数量决定，按照无支承切割粗秸秆植物,切割器回转切割速度应为4-6m/s,细秸秆植物为25-30m/s[9]。设备选用的刀盘直径300mm，刀片刃口28°，刀片倾斜角9°圆盘式刀片可以满足设备前进速度预0.5m/s使用要求，并且可在收获前针对地况地貌和种植情况通过割刀升降手柄调整割刀和地平间隙，进而调整韭菜收获割茬。

3. 宜机化改造

韭菜机械化收获是推进韭菜种植业发展的重要环节，不仅可以提高韭菜收获效率,还可促使该行业向着规模化、产业化和集约化方向发展。韭菜收获时留茬过高导致单产产量下降；留茬过低，影响下一茬韭菜植株分蘖及生长。通过调整机具前端限深螺杆保障收后留茬3cm左右，在兴平市祖安村大田韭菜种植基地试验。作业前试验田块按照技术要求选择地表不陷脚、无积水、韭菜种植行距大于设备宽度，韭菜单行种植长度不少于30m,宽度满足不少于5个作业行程。在测试设计速度、割茬高度，用于试验作业时种植区韭菜倒伏小于10°。试验前后各测一次环境温度和相对湿度。对单台样机进行1个行程作业性能试验，试验时，在使用说明书规定的作业速度下满割幅作业，记录通过测区的时间。

收获机每平方米实际损失量测定:在测试行程中，等间隔取3个测点，每点实际割幅×1m面积内捡起漏割、压倒、及抛损严重的韭菜，并记录其质量，换算成每平方米的损失量，求出3点的平均值。

在测试行程中，均匀分布3个测量点，铺放角度按机器前进方向为基准进行测定。在测试行程中，均匀分布3个测量点，分左、中、右测定根茬，并记录

a)作业速度按式（6)计算

.................................................试(6)

式中:

V——作业速度，单位为千米每小时(km/h)；

L——测区长度，单位为米(m)；

T——通过测区时间，单位为秒(s)。

经测算，设备保证作业效果前提下作业速度可满足5.76km/h的设计标准，改进后设备可实现留茬5-50mm范围内调节（见图1），提升设备通用性。

图1 收获后留茬情况

但由于韭菜等多茬口叶茎类蔬菜在机械化收割特殊性，前期应对前期籽苗的播种、移栽、管理浇灌等实现宜机化改造提升前期机械化程度,尤其是播种环节，易采取机械化条播方式，控制孽生韭菜的行距。目前播种、移栽和收获环节主要依靠人工完成，人工投入多，随着劳动力价格不断攀升，种植效益逐渐下降。而目大多数地区包括韭菜在内的叶茎类蔬菜种植基地播种、移栽、管理等机械化程度较低。传统人工种植工艺种植行距株距以及土地平整度大多不能达到要求，种植粗放随意农艺不规范，韭菜后期沟渠漫灌进一步破坏了地面平整，这就给后续收获设备提出了更高的适用性和通用性要求。此外,农民认为蔬菜种植、收获是一种劳动密集型产业，更愿意通过手工来完成,对韭菜收割机械并不能完全信任[10]。因此收获设备后期须经大量现场试验，并在韭菜种植、田间管理实现宽行稀植技术研究，以适应机械化收获，全程机械后对各阶段设备进行适当调整。

参考文献:

[1]农业部办公厅.全国蔬菜重点区域发展规划(2009-2015).农办农[2009]46号.

[2]糜南宏,赵映,秦广明,等.蔬菜全程机械化研究现状与对策[J].中国农机化学报,2014,(3):66-69.

[3]孙利萍,赵增寿,赵银平,等.陕西韭菜产业存在问题及发展对策[J].中国蔬菜,2017（12）：10-13.

[4]苏维庆,袁盼盼.温室韭菜收割机设计研究[J].农业科技与装备,2020(2):19-21.

[5]薛志原,陈秀生,唐怀壮,等.谷物收获机割台的发展现状及趋势[J].中国农业信息,2018(5):24-31

[6]关凯书,刁新华,张美华.磨损机理的定量分析方法[J].润滑与密封,G2000(1):33-34.

[7]刘家浚.材料磨损原理及其耐磨性[M]北京:清华大学出版社,1993:96-100.

[8]王铁新,李汝莘.韭菜力学特性及收获割台的研究[C]2012中国农业机械学会国际学术年会,2012.12.07

[9]镇江农业机械学院农业机械学(下册)[M].北京:中国农业机械出版社,1981:39-41,141-150.

[10]宫元娟,冯雨龙,李创业,等.韭菜收割机械研究现状及发展趋势[J].农机化研究,2018(10):262-268