自走式甘蓝收获机的设计与试验_杜冬冬.docx

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1、第 31 卷 第 14 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.14 16 2015 年 7 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul. 2015 农业装备工程与机械化 自走式甘蓝收获机的设计与试验 杜冬冬 1，费国强 2，王 俊 1 ，黄江军 2，游鑫荣 2 （ 1. 浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州 310058； 2. 湖州思达机械制造有限公司，湖州 313023） 摘 要： 针对中国甘蓝收获机械化水平低、缺乏相应甘蓝收获装备的现状，在统计分析主要甘蓝品种物理参数的基础上，

2、设计了一种适合南方田间作业的自走式甘蓝联合收获机。该机型采用单行一次性收获方式，配置有专用动力底盘，收获 台架主体包括引拔装置、输送提升装置、切根装置、剥叶装置、收集装置等，动力由液压系统驱动，可一次完成甘蓝的 拔取、输送、切根、剥叶、装箱等作业。田间试验表明，该收获机各工作部件工作稳定，表现出了良好的收获效果，收 获速度为 0.3 m/s 时，拔取成功率为 86.7%，输送成功率达 93.3%，切根合格率为 75.0%，剥叶合格率为 81.7%，基本满 足甘蓝的机械化收获要求。该研究为中国解决甘蓝的机械化收获提供了参考。 关键词： 机械化；农业生产；设计；甘蓝；收获机 doi： 10.119

3、75/j.issn.1002-6819.2015.14.003 中图分类号： S225.92 文献标志码： A 文章编号： 1002-6819(2015)-14-016-08 杜冬冬，费国强，王 俊，等 . 自走式甘蓝收获机的设计与试验 J. 农业工程学报， 2015， 31(14)： 16 23. doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.14.003 http:/www.tcsae.org Du Dongdong, Fei Guoqiang, Wang Jun, et al. Development and experiment of self-propell

4、ed cabbage harvesterJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(14): 16 23. (in Chinese with English abstract) doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2015.14.003 http:/www.tcsae.org 0 引 言 机进行了三维设计，但并未制造出实际样机 9-11 。东北农 甘蓝是中国普遍种植的蔬菜种类，其年种植规模达 25.3 万

5、hm2，在所有蔬菜种类中位居第三 1。但是，目前 几乎所有的甘蓝收获主要依靠人工作业，国内还未有甘 蓝收获机以供推广。随着中国城市化的进一步发展，农 村劳动力的减少导致人工成本的增加，手工作业使得种植 户的收益锐减。因此，甘蓝收获的机械化已成为必然趋势， 开发一种能用于生产的甘蓝收获机具有重要意义 2。 在国外，甘蓝收获机已有研究报道，其机型一般包 括捡拾器、升运装置和切根装置。在最近产品中，双螺 旋升运装置 3、双带夹持输送装置 4、引导轮 5等被发明 采用至甘蓝收获机，使得收获机的性能和效率得到了提 高。目前， Hortech、 Asa-lift、 Univerco 等 6企业均有成 熟机

6、型在售，但这些机型均为大型牵引式作业机械，价 格昂贵。日本农业机械化研究所开发了拖拉机牵引式甘 蓝收获机 7和小型甘蓝联合收获机 8，后者基本实现了甘 蓝的机械化收获，但该机型并未设计有剥叶装置，后续 的外包叶去除、分拣、装箱等工作还是由人工完成。 中国对于甘蓝收获机的研究起步较晚，甘肃农业大 学分析了甘蓝切根力影响因素，并对 4YB-I 型甘蓝收获 收稿日期： 2015-04-30 修订日期： 2015-06-09 基金项目：国家 863 计划资助项目（ 2012AA10A504） 作者简介：杜冬冬，男，浙江绍兴人，博士生，从事农业收获机械研究。杭 州 浙江大学生物系统工程与食品科学学院，

7、310058。 Email： 通信作者：王 俊，男，浙江东阳人，教授，博士生导师，主要从事农业 机械研究。杭州 浙江大学生物系统工程与食品科学学院， 310058。 Email： 业大学设计并制造了一台甘蓝收获机，采用双圆盘结构 拔取甘蓝，由双螺旋拔取输送总成输送甘蓝至圆盘割刀切 除根部，经过后续的剥叶、输送，完成装箱，田间试验表 明该机型工作状况良好 12。但是，上述机型并未用于实际 生产推广，开发和推广甘蓝收获机仍然任重而道远。 在研制甘蓝收获机的过程中，对作业对象 甘蓝 物理和力学特性的研究也是必不可少的工作 13-15。本文 在借鉴国外甘蓝收获机先进技术的基础上，统计分析中 国南方主要

8、甘蓝品种的物理参数，对自走式甘蓝收获机 进行详细设计和制造，通过田间试验，测试其工作性能 和效率以验证设计方案的可行性，对于后续甘蓝收获机 的详细测试和优化提供参考。 甘蓝物理参数 为了给甘蓝收获机的设计提供理论参考，本文选取 了江浙地区的 3 个甘蓝主要种植品种，统计了其与收获 机设计相关的主要物理参数，包括株高、展开度、球径、 根茎高 、株质量、球质量等。每个品种样本数量 30 株， 取平均值，结果如表 1 所示。由表 1 可知，不同品种的 甘蓝物理参数存在一定的差异，设计的甘蓝收获机需要 有一定的适应性，能够收获不同品种、不同大小的甘蓝。 2 总体结构与工作原理 目前，江浙地区的甘蓝种植

9、模式主要为垄作， 3 行为 一垄，通常甘蓝行距在 40 50 cm 之间，株距在 40 50 cm 之间。结合上述统计的甘蓝物理参数，设计的甘蓝收获 机为一次性收获式，单行作业，配备有 45 kW 的专用履 第 14 期 杜冬冬等：自走式甘蓝收获机的设计与试验 17 带式动力底盘，收获台架主要由引拔装置、输送提升装 置、切根装置、剥叶装置、收集装置等组成，可一次完 成甘蓝的拔取、输送、切根、剥叶、装箱等作业，具体 结构如图 1 所示，主要参数如表 2 所示。 表 1 甘蓝物理参数 Table 1 Physical properties of cabbage 入木箱，完成甘蓝的机械化收获。 3

10、传动系统及主要部件设计 3.1 传动系统 本收获机的传动系统主要采用液压控制系统，简化 了复杂的机械结构，工作更为稳定、不易造成堵塞。液 甘蓝品种 Varieties 株高 Plant height 展开度 Extension diameter 球径 Ball diameter 根茎高 Root height 株质量 Plant weight 球质量 Ball weight 压动力系统如图 2 所示，液压泵由专用动力底盘内的柴 油机输出驱动，液压回路分 2 路，一路为高速回路，一 /mm /mm /mm /mm /kg /kg 兰州包 19019.5 40050.1 14313.6 678.3

11、 1.160.12 0.750.07 春秋王 15014.5 36041.3 13512.8 547.2 1.280.15 0.780.10 浙甘 85 33030.4 62071.3 21220.1 12611.6 2.560.28 1.920.21 春丰 30025.6 45056.6 15014.5 9010.2 1.450.21 0.720.08 1.专用动力底盘 2.拨轮 3.引拔铲 4.导向杆 5.夹球输送带 6.双圆盘切 割器 7.弹性张紧轮 8.剥叶输送带 9.剥叶辊 10.木箱 11.操作台 1. Power chassis 2. Reel 3. Picking shovel

12、 4. Guide pole 5. Ball-clamping belt 6. Dual-disc cutter 7.Elastic tension pulley 8.Leaf-separating belt 9.Leaf-separating roller 10.Box 11.Operating station 图 1 自走式甘蓝收获机 Fig.1 Self-propelled cabbage harvester 表 2 自走式甘蓝收获机主要参数 Table 2 Main parameters of self-propelled cabbage harvester 参数 Parameters

13、 数值 Values 路为低速回路。高速回路中，圆盘割刀液压马达位于主 油路上，拨轮液压马达与剥叶辊液压马达并联；低速回 路中，夹球输送带和剥叶输送带两回路间采用并联，液 压马达 2 和 3 采用串联，但转动方向相反。各个回路上 都配有调速阀，当负载变化时，调速阀能保持通过液压 马达的流量稳定，从而保证了液压马达转速稳定。此外， 收获台升降液压缸液压动力由专用动力底盘内的液压系 统提供。 3.2 引拔装置 本收获机的引拔装置采用引拔铲配合拨轮的方式， 利用机具的前进速度，引拔铲将甘蓝连根拔起并沿引拔 铲导向杆向后引导至输送提升装置，拨轮起到辅助喂入 的作用。相比于双圆盘导入机构 16和双螺杆拔

14、取机构 17， 引拔铲式的引拔装置结构更为简单，对甘蓝的拔取伤害 程度更小。图 3a 为自走式甘蓝收获机的引拔装置结构示 意图。如图 3a 所示，引拔铲紧贴地面前行，尾部设计有 导向杆，引导甘蓝向后进入输送提升装置。拨轮一般具 有 4 6 片叶板，位于喂入口上方，主要在甘蓝即将进入 输送提升装置时起到辅助导正并喂入 的作用。 图 3b 为引拔装置的工作过程简图。由图 3b 可知， 在甘蓝的拔取过程中，引拔铲以机器前进速度 vm 做直线 运动，拨轮以角速度 r 转动，取拨轮与前进速度比 大 于 1，则拨轮运动轨迹形状呈余摆线。为了使得拨轮叶板 具有向后的水平分速度，推送甘蓝进入输送提升装置时，

15、拨轮叶板接触甘蓝的作用点应位于 A1 和 A2 之间，则拨轮 安装高度 Hr 的设置应满足如下关系 18： 底盘动力 Chassis power/kW 45 l h D R b r H l h D b R （ 1） 适宜甘蓝球径 Suitable cabbage ball diameter/cm 15 30 p s 2 r p s 2 r 收获行数 Rows 1 行 整机尺寸（长 宽 高） Dimension （ Lengthwidthheight） /m 4.21.82.2 作业速度 Harvesting speed/( ms-1) 0.2 1 预期生产率 Expected producti

16、vity/( hm2h -1) 0.03 0.15 工作时，自走式甘蓝收获机通过液压油缸调节收获 台机架与地面的倾斜角度至 20 30，使引拔装置中的 引拔铲紧贴地面并与地面平行。收获机前进作业，引拔 装置将对行性差的甘蓝拨拢，并将其连根拔起，扶入导 正；随后甘蓝被推送进入输送提升装置，由夹球输送带 夹持甘蓝向上输送至切根装置；双圆盘割刀将甘蓝根部 式中： Hr 为拨轮安装高度， mm； lp 为甘蓝株高， mm； hs 为引拔铲高度， mm； Db 为甘蓝球体直径， mm； Rr 为 拨轮半径， mm； 为拨轮速比。 式（ 1）认为拨轮叶板的合力作用点位于甘蓝球心处， 当引拔铲高度 hs、拨

17、轮半径 Rr 和拨轮速比 一定时，针 对不同大小的甘蓝，可以通过调整安装高度 Hr 以满足式 （ 1），故设计有弹性浮动杆，拨轮的安装高度 Hr 可上下 自由浮动，以适应收获不同大小的甘蓝。拨轮的水平安 装间距 Lr 应确保拨轮位于输送提升装置入口的上方。为 满足甘蓝的连续收获要求，拨轮余摆线扣环之间的节距 S1 应满足以下公式 18： 及部分外包叶切断，根部随即落入地面，甘蓝球体同外 S 2Rr S0 （ 2） 包叶继续向上输送至剥叶装置；经剥叶辊的旋转摩擦、 碰撞作用，松散的外包叶被剥离，甘蓝球体随输送带进 1 z n 式中： S1 为拨轮余摆线扣环之间的节距， mm； z 为拨轮 农业工

18、程学报（ http:/www.tcsae.org） 2015 年 18 叶板的数量； S0 为甘蓝种植株距， mm； n 为叶板作用间 隔量，一般取 1， 2， 3 即可。 由式（ 2）可知，根据甘蓝的种植株距和拨轮参数就 可以确定拨轮与前进速度比 。结合试验，引拔铲高度 hs 为 100 mm，设计的拨轮叶板数量为 6 片，拨轮半径 Rr 为 250 mm，间隔量 n 取 2，计算得拨轮速比 为 1.16， 具有弹性浮动杆的拨轮安装高度 Hr 调节范围为 400 500 mm，拨轮水平安装间距 Lr 为 100 200 mm，满足拨 轮垂直和水平方向上的作用点要求。为了能连续地收获 甘蓝，甘

19、蓝的种植规范十分重要。 图 2 液压动力系统图 Fig.2 Schematic of hydraulic system 1.机架 2.导向杆 3.引拔铲 4. 叶板 5.拨轮 6.甘蓝 7.夹球输送带 8.弹性浮动杆 1. Frame 2. Guide pole 3. Picking shovel 4. Reel blade 5. Reel 6. Cabbage 7. Ball-clamping belt 8. Flexible floating rod 注： Hr 为拨轮安装高度， mm； Lr 为拨轮水平安装间距， mm； Rr 为拨轮半径， mm； r 为拨轮角速度， rads-1； v

20、m 为机器前进速度， ms-1； S1 为拨轮余摆线扣 环之间的节距， mm； hs 为引拔铲高度， mm； S0 为甘蓝种植株距， mm； lp 为甘蓝株高， mm。 Note: Hr is mounting height of reel, mm. Lr is horizontal distance of reel, mm. Rr is radius of reel, mm. r is angular velocity of reel, rads-1. vm is forward speed of machine, ms-1. S1 is interval between trochoid

21、buckles, mm. hs is height of picking shovel, mm. S0 is planting space between cabbages, mm. lp is plant height, mm. 图 3 引拔装置 Fig.3 Picking device 第 14 期 杜冬冬等：自走式甘蓝收获机的设计与试验 19 3.3 输送提升装置 甘蓝收获机输送提升装置主要有双螺旋输送式 19-20 和横向输送带式 212 种。相比于双螺旋输送方式，横向输 送带式的夹持输送方式有利于减少挤压破损，提高收获 质量。本收获机的输送提升装置如图 4 所示，采用的是 横向输送带

22、式的夹持输送方式，即由夹球输送带夹持甘 蓝进行输送。夹球输送带表面覆盖有柔性的圆弧形凹槽， 便于在输送过程中对甘蓝形成夹持，输送带由主动轮驱 动，并由弹性张紧轮对带进行张紧。弹性张紧轮具有弹 性固定杆，与圆弧形凹槽配合能提高对于同一品种甘蓝 变异性的适应能力。此外，夹球输送带可通过间距调节 机构进行间距的调节，即转动间距调节螺旋杆和主动轮 螺旋杆来对双带的夹持间距进行调节，以适应不同品种 程中，甘蓝被夹球输送带夹持，在向上输送过程中完成 切根作业。弹性张紧轮配合带有柔性圆弧形凹槽的夹球 输送带可适应夹持不同球径大小的甘蓝。切根高度在甘 蓝进入输送提升装置时就已确定。拔取后的甘蓝在重力 作用下，

23、底面以导向杆为基准对齐，经夹球输送带夹持 输送至切根装置；双圆盘割刀为固定式，切根位置一般 设置于甘蓝 的较佳切割区域，该区域位于甘蓝底叶向上 10 15 mm23。双圆盘割刀反向旋转，动力由割刀液压马 达驱动，通过链传动交错的形式，实现圆盘割刀 1 和 2 的反向旋转，割刀转速为 300 400 r/min。 图 5b 为甘蓝根茎部切割过程中的受力分析图。由图 5b 可知，圆盘割刀接触齿部的切割力 Pc 可用下式表示 18： 间甘蓝的差异性，提高收获机的适用性。根据设计，夹 Pc Nc Fc （ 4） 球输送带长 2 m，带宽 20 cm，与地面的倾斜角度为 20 30，输送带间距通过上述间

24、距调节方法，范围为 15 30 cm。在输送过程中，夹球输送带还应满足式（ 3）关系。 式中： Pc 为圆盘割刀切割力， N； Nc 为甘蓝根茎部对圆盘 割刀齿部的正压力， N； Fc 为甘蓝根茎部与圆盘割刀齿部 之间的摩擦力， N。 以甘蓝根茎部为分析对象，根茎部的合力 Pr 等于圆 nB DB vm （ 3） 盘割刀接触齿部的切割力 P ，与垂直方向的夹角为 + c r 60 cosT 式中： nB 为夹球输送带滚筒转速， r/min； DB 为夹球输送 1- ，使得甘蓝根茎部被钳住并向下运动，具体可分解 成水平和垂直 2 个方向的力。 带滚筒直径， mm； vm 为收获机前进速度， m/

25、s； T 为输 F P sin( ) 送提升装置与地面的夹角，（ ）。 由式（ 3）可知，夹球输送带的输送提升速度必须大 于收获机的前进速度，从而保证拔取后的甘蓝不会堆积 t r r 1 P cos() Fv r r 1 r arccos(Lc /(Dc dr ) （ 5） （ 6） 在输送提升装置入口而造成堵塞。 1.机架 2.双圆盘割刀 3. 夹球输送带 4.弹性张紧轮 5.间距调节机构 6.间距调节螺旋杆 7.主动轮螺旋杆 8.主动轮 1. Frame 2. Dual-disc cutter 3. Ball-clamping belt 4. Elastic tension pulley

26、5. Space adjustment device 6.Space adjustment screw rod 7.Driving wheel crew rod 8.Driving wheel 图 4 输送提升装置 Fig.4 Lifting device 3.4 切根装置 切根装置是甘蓝收获机的关键部件之一，与输送提 升装置相配合作业，主要完成甘蓝根部的切除。切根质 量的好坏直接影响后续的剥叶质量，决定着整个收获机 的作业性能。甘蓝收获机的切根装置一般为圆盘切割器， 有采用单圆盘切割器 6, 22，也有采用双圆盘切割器 13。由 式中： Ft 为甘蓝根茎部的水平分力， N； Fv 为甘蓝根茎

27、部 的垂直分力， N； r 为切割过程中的钳住角度， ()； 1 为圆盘割刀的滑切角， ()； 为正压力与摩擦力之间的夹 角， ()； Lc 为双圆盘割刀的中心距， mm； Dc 为圆盘割刀 的直径， mm； dr 为甘蓝根茎部的直径， mm。 双圆盘割刀有一部分重叠区域，以防止切根不完整。 由于采用了双圆盘割刀，甘蓝根茎部的水平分力被相互 抵消，即克服了切割力的不平衡性。结合试验，确定双 圆盘割刀的中心距 Lc 为 170 mm，圆盘割刀的直径 Dc 为 200 mm。 3.5 剥叶装置 割刀的放置高度使得切根位置位于甘蓝的较佳切割 区域，于是割刀切除根部的同时切断一部分的外包叶。 随后，甘

28、蓝球体连同切断的外包叶由夹球输送带继续夹 持向上输送至剥叶装置。针对这部分包裹在甘蓝球体外 部的叶子，有建议不采用任何除叶装置以减少碰撞和损 伤 6，也有采用人工方式进行外包叶去除作业 8。本收获 机设计了一种剥叶输送带配合剥叶辊的剥叶装置，该装 置利用剥叶输送带与剥叶辊之间的相对运动产生的摩擦 碰撞作用将甘蓝的松散外包叶剥除，甘蓝球体则受剥叶 辊的分力作用滚离剥叶输送带。 如图 6 所示，对甘蓝的剥叶过程进行受力分析，剥 于甘蓝根茎部所需的切割力较大 23，当采用单圆盘形式 叶输送带以 vs 的线速度运动，剥叶辊以 nr 的转速旋转。 时，切割器需要提高转速，以降低切割力的不平衡性， 但由此

29、所需的功耗也会相应地提高。本收获机采用的是 双圆盘切割器，刀片为锯齿状形式。图 5a 为自走式甘蓝 收获机切根装置的结构示意图。如图 5a 所示，在切根过 甘蓝球体的平衡方程如下。 Nb mg Nr cos (Fr Nt ) sin 0 Nr sin (Fr Nt ) cos Fs Pb Fs Ps mab （ 7） 农业工程学报（ http:/www.tcsae.org） 2015 年 20 arccos(2H s Db ) /(Db Dr ) （ 8） 直径， mm。 式中： Nb 为剥叶输送带对甘蓝的支持力， N； m 为甘蓝质 量， kg； Nr 为剥叶辊作用于甘蓝的正压力， N； 为

30、剥叶 辊的作用倾角， ()； Fr 为剥叶辊对甘蓝的摩擦力， N； Nt 为剥叶辊作用于甘蓝的切向力， N； Fs 为剥叶输送带对 甘蓝的摩擦力， N； Pb 为剥叶辊作用于甘蓝的水平面内合 力， N； Ps 为甘蓝水平面内的合力， N； ab 为甘蓝水平内 的加速度， m/s2; Hs 为剥叶辊的高度， mm； Dr 为剥叶辊 由受力分析可知，剥叶辊的切向作用力 Nt 与摩擦力 Fr 共同作用于甘蓝表面，起到切向剥除甘蓝外包叶的作 用。在水平面内，甘蓝受到的合力 Ps 产生 ab 的加速度， 使甘蓝改变原来运动方向沿 vf 方向运动，最终使得甘蓝 滚离剥叶输送带。结合试验，剥叶辊高度 Hs

31、和剥叶辊直 径 Dr 分别设置为 150 和 120 mm，剥叶输送带线速度 vs 为 0.5 2 m/s，剥叶辊转速 nr 为 300 500 r/min。 1.夹球输送带 1 2.甘蓝 3. 夹球输送带 2 4.弹性张紧轮 5.圆盘割刀 1 6.机架 7.小链轮 1 8.小链轮 2 9.圆盘割刀 2 1. Ball-clamping belt 1 2. Cabbage 3. Ball-clamping belt 2 4. Elastic tension pulley 5. Disk blade 1 6. Frame 7. Minor sprocket 1 8. Minor sprocket

32、 2 9. Disk blade 2 注： r 为切割过程中的钳住角度， ()； nc 为圆盘割刀转速， rmin-1； Nc 为甘蓝根茎部对圆盘割刀齿部的正压力， N； Fc 为圆盘割刀摩擦力， N； 为正压力与 摩擦力之间的夹角， ()； Pc 为圆盘割刀切割力， N； 1 为圆盘割刀的滑切角， ()； Fv 为甘蓝根茎部的垂直分力， N； Pr 为根茎部的合力， N； Ft 为甘蓝根茎 部的水平分力， N； dr 为甘蓝根茎部的直径， mm； Lc 为双圆盘割刀的中心距， mm； Dc 为圆盘割刀的直径， mm； vb 为夹球输送带速度， ms-1。 Note: r is clampin

33、g angle in cutting process, (). nc is rotational speed of disk-blade, rmin-1. Nc is normal pressure in disk-blade teeth forced by cabbage root, N. Fc is friction of disk-blade, N. is angle between normal pressure and friction, (). Pc is cutting force of disk-blade, N. 1 is sliding angle of disk-blad

34、e, (). Fv is vertical force of cabbage root, N. Pr is resultant of cabbage root, N. Ft is horizontal force of cabbage root, N. dr is diameter of cabbage root, mm. Lc is center distance between disk-blades, mm. Dc is diameter of disk-blade, mm. vb is speed of ball-clamping belt, ms-1. 图 5 切根装置 Fig.5

35、Root-cutting device 注： Db 为甘蓝球体直径， mm； m 为甘蓝质量， kg； Nb 为剥叶输送带对甘蓝的支持力， N； Nr 为剥叶辊作用于甘蓝的正压力， N； Fr 为剥叶辊对甘蓝的摩擦力， N； Nt 为剥叶辊作用于甘蓝的切向力， N； 为剥叶辊作用倾角， ()； nr 为剥叶输送带转速， rmin-1； Dr 为剥叶辊直径， mm； vs 为剥叶输送带速度， ms-1； Hs 为剥叶辊高度， mm； Ps 为甘蓝水平面内的合力， N； Pb 为剥叶辊作用于甘蓝的水平面内合力， N； Fs 为剥叶输送带对甘蓝的摩擦力， N； vf 为剥叶后甘蓝 的速度， ms-1

36、。 Note: Db is diameter of cabbage ball, mm. m is weight of cabbage, kg. Nb is normal pressure of cabbage forced by leaf-separating belt, N. Nr is normal pressure of cabbage forced by leaf-separating roller, N. Fr is friction of cabbage forced by leaf-separating roller, N. Nt is tangential force of c

37、abbage, N. is effecting angle of leaf-separating roller, (). nr is rotational speed of leaf-separating belt, rmin-1. Dr is diameter of leaf-separating roller, mm. vs is speed of leaf-separating belt, ms-1. Hs is height of leaf-separating roller, mm. Ps is resultant of cabbage in horizontal plane, N.

38、 Pb is resultant of cabbage in horizontal plane forced by leaf-separating roller, N. Fs is friction of cabbage forced by leaf-separating belt, N. vf is of cabbage after leaf-separating, ms-1. 图 6 甘蓝球体剥叶过程的受力分析 Fig.6 Force analysis of cabbage ball in leaf-separating process 第 14 期 杜冬冬等：自走式甘蓝收获机的设计与试验

39、 21 4 田间试验 4.1 试验条件 研制的自走式甘蓝收获机分别于 2015 年 2 月在浙江 省湖州市南浔区神墩村室内大棚、 2015 年 4 月在浙江省 杭州市富阳区九重天农产品有限公司户外种植基地、 2015 年 5 月在浙江省湖州鼎鑫生态农业发展有限公司种 植基地，总共进行了 5 次田间试验。甘蓝品种有兰州包 和春丰，种植形式均为 3 行垄作，行距和株距并不规则， 40 50 cm 不等。兰州包、春丰植株特征如表 1 所示。 4.2 试验方法 由于中国目前还没有甘蓝收获机试验方法和作业质 量的相关标准，本文参考了 JB/T6276-2007甜菜收获机 械试验方法 24和 NY/T 1

40、412-2007甜菜收获机作业质 量 25，主要考察了甘蓝拔取成功率、输送成功率、切 根合格率和剥叶合格率等试验指标；拔取成功以甘蓝被 拔取进入输送提升装置为准，输送成功以甘蓝被输送至 切根装置完成切根并输送至剥叶装置为准，切根合格以 切根位置位于甘蓝较佳切根区域为准，剥叶合格以切根 完的甘蓝外包叶老叶部分被除去为准。收获试验过程中， 甘蓝收获机以 0.3 m/s 的作业速度前进，考察了收获机引 拔装置、输送提升装置、切根装置、剥叶装置等各个工 作部件的运转情况。由于种植不规范，收获作业无法以 整行为单位进行，试验主要以单个或连续数个甘蓝收获 为主，主要统计了第 2 次田间试验收获的 60 个

41、甘蓝的试 验情况。甘蓝收获机的田间试验情况如图 7 所示。 图 7 样机试验情况 Fig.7 Prototype experiment condition 4.3 试验结果及分析 在田间试验过程中，自走式甘蓝收获机的各工作部 件均运转正常，性能稳定，能够基本完成收获作业，试 验已进行 5 次。第 1 次田间试验结果并不理想，第 2、 3、 4、 5 次试验数据结果基本接近，本文选取了第 2 次试验 数据作为田间试验结果，如表 3 所示。 表 3 第 2 次田间试验结果 Table 3 Results in 2nd field test 试验项目 Test item 试验统计结果 Test st

42、atistic result/% 拔取成功率 Picking rate 86.7 输送成功率 Delivery rate 93.3 切根合格率 Qualified root-cutting rate 75.0 剥叶合格率 Qualified leaf-separating rate 81.7 比较 5 次试验情况，由于第 1 次田间试验大棚内的 土壤干燥，土质松软，甘蓝根部对土壤的抓地力较小。 甘蓝植株在作业过程中容易因机器的前进冲击而被拔 起，但过小的抓地力无法克服甘蓝与引拔装置间的摩擦 力，甘蓝容易堵塞在引拔装置入口处，使得第 1 次田间 试验无法进行后续的输送、切根、剥叶等试验指标的测

43、试，于是增设了带有拨指的引拔装置。而第 2 次田间试 验户外种植土壤较为湿润，除个别生长异常的甘蓝植株 拔取不顺畅外，收获机的拔取成功率达到 86.7%。种植的 规范性和植株的差异性对于甘蓝拔取成功率的影响很 大，直线度好、甘蓝根茎不倒伏、甘蓝个体差异小会提 高甘蓝拔取的成功率。收获机的输送提升装置表现出稳 定的输送性能，输送成功率达 93.3%。双圆盘切割器的切 根效率较高，但甘蓝个体的差异会导致切根的合格率降 低，主要会出现切根过多或切根过少等现象，切根合格 率为 75%。收获机的剥叶装置工作稳定，能达到一定的 外包叶去除效果，剥叶合格率为 81.7%。为了提高切根合 格率和剥叶合格率，有

44、必要在后续的研究工作中设计试 验台，通过试验分析得出较佳的切根和剥叶工作参数。 第 3 次至第 5 次田间试验，采用带有拨指的引拔装 置收获机继续在土质松软大棚内进行收获试验，试验数 据结果与第 2 次接近。该自走式甘蓝收获机在田间试验 过程中还表现出一定的缺陷，主要表现在切割完的根部 易堵塞在机械结构的空隙部位，需要停车进行清理后继 续试验；个体过小的甘蓝易堵塞在夹球输送带末尾影响 输送。在后续的优化设计过程中，对收获机的空隙部位 进行结构保护能有效地解决堵塞问题。甘蓝的机械化收 获对甘蓝种植提出了农艺上的要求，包括种植形式的规 范化，植株种植的直线度要求及甘蓝的成熟一致性等。 田间试验结果

45、表明，该自走式甘蓝收获机设计方案 可行，已初步 具备甘蓝的机械化收获能力，具体工作参 数的优化有待建立相关的甘蓝机械化收获试验标准，并 做进一步的试验分析。同时，甘蓝收获机械化的实现更 需要甘蓝种植农艺上的配合。 5 结 论 1）设计了一台一次性收获的自走式甘蓝收获机，配 置有专用动力底盘，引拔装置采用了引拔铲配合拨轮的 方式；设计了横向输送带式输送提升装置，由夹球输送 带夹持甘蓝进行输送；切根装置采用双圆盘切割器，克 服了切割力的不平衡性；设计的剥叶装置采用剥叶输送 带配合剥叶辊的方式，利用剥叶辊与甘蓝间的摩擦碰撞 作用去除多余的外包叶。 2）田间试验 结果表明，该自走式甘蓝收获机可一次 完

46、成甘蓝的拔取、输送、切根、剥叶、装箱等作业，设 计方案可行。收获速度为 0.3 m/s，户外甘蓝拔取成功率 为 86.7%，输送成功率达 93.3%，切根合格率则受甘蓝个 体差异影响，为 75.0%，剥叶合格率为 81.7%，已基本具 备甘蓝的机械化收获能力。该研究为解决甘蓝的机械化 收获提供了参考。 农业工程学报（ http:/www.tcsae.org） 2015 年 22 参 考 文 献 1 中华人民共和国农业部 . 中国农业统计资料 . 2011M. 北 京：农业出版社， 2012. 2 王俊，杜冬冬，胡金冰，等 . 蔬菜机械化收获技术及其发 展 J. 农业机械学报， 2014， 45(2)： 81 8