河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所有限公司 高清海 陳思剛

1 引言

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，大蒜作為一種重要的經(jīng)濟(jì)作物已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。目前大多數(shù)地區(qū)都采用傳統(tǒng)的人工收獲方式，借助自制的簡易扁鏟人工挖掘，生產(chǎn)效率比較低。為此，對市場上現(xiàn)有的分段式大蒜收獲機(jī)械進(jìn)行試驗(yàn)、研究，并結(jié)合一些理論和實(shí)踐，對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。采用擁有量大的小四輪拖拉機(jī)為動(dòng)力，特別是在該機(jī)限深輪上采用限深輪轉(zhuǎn)臂通過拉線與拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向臂聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)了收獲大蒜時(shí)拖拉機(jī)前輪與限深輪同步轉(zhuǎn)向，有效地解決了前置式收獲機(jī)作業(yè)時(shí)不易操作的問題。

1.1 研究背景

大蒜營養(yǎng)豐富，風(fēng)味獨(dú)特，用途廣泛，具有殺菌、抑菌、抗毒等醫(yī)療和保健功能，對高血脂、高膽固醇、糖尿病、心臟病及胃、腸、肝、肺、乳腺等癌癥有減輕癥狀及治療作用。大蒜是我國主要經(jīng)濟(jì)作物之一，我國是世界上重要的大蒜生產(chǎn)國與出口國，每年大蒜種植總面積在70萬hm2以上，近年來隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國大蒜的種植面積不斷加大，每年約以3%～5%的速度遞增。然而，由于大蒜是根莖類作物，收獲時(shí)的作業(yè)條件變化較大，如土壤堅(jiān)實(shí)度和含水率等具有較大差異，而且被收獲的蒜頭鮮嫩，怕碰傷和太陽曝曬，所以說大蒜機(jī)械化收獲要求高、難度大。另外，還受到收獲季節(jié)的限制，過早收獲或者過晚收獲都會(huì)影響到大蒜的品質(zhì)和價(jià)格，最佳收獲時(shí)間應(yīng)該在7天內(nèi)。根據(jù)大蒜收獲的農(nóng)藝要求，對機(jī)械化收獲大蒜提出了更高的作業(yè)要求。大蒜收獲機(jī)適應(yīng)能力強(qiáng)，可在不同土壤、不同含水率的條件下作業(yè)，可靠性好，作業(yè)效率高。提高機(jī)械化收獲的作業(yè)經(jīng)濟(jì)性：可一次完成挖掘、蒜土分離及大蒜鋪放覆蓋作業(yè)工序，避免或減少大蒜損傷和太陽曝曬，提高大蒜的收獲質(zhì)量。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外研制開發(fā)的大蒜收獲機(jī)由于價(jià)格昂貴和經(jīng)濟(jì)性差且其生產(chǎn)模式、作業(yè)環(huán)境與我國存在差異，難以適應(yīng)我國生產(chǎn)的實(shí)際需求。近年來，隨著國家對“三農(nóng)”問題的重視和我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，我國的大蒜機(jī)械化收獲技術(shù)有了長足的進(jìn)步，但因各地農(nóng)藝不同、行距及株距的差異，存在著適應(yīng)性差、質(zhì)量不可靠等問題，都沒有批量生產(chǎn)和大面積推廣應(yīng)用。因此，結(jié)合我國大蒜種植區(qū)小四輪拖拉機(jī)保有量大的現(xiàn)狀，考慮大蒜種植區(qū)主要種植模式，河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所有限公司研制開發(fā)了前置式大蒜收獲機(jī)。該機(jī)具與小四輪拖拉機(jī)配套使用，可一次完成挖掘、蒜土分離及鋪放覆蓋等作業(yè)，可滿足大蒜收獲的農(nóng)藝要求，減輕了農(nóng)民負(fù)擔(dān)。

1.3 研究目的和意義

考慮到廣大蒜農(nóng)的的迫切需求和農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，結(jié)合小四輪拖拉機(jī)保有量較大這一特點(diǎn)，充分發(fā)揮小四輪拖拉機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械化中的作用，提高機(jī)械配套率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，考慮設(shè)計(jì)新型大蒜收獲機(jī)，進(jìn)一步提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 大蒜收獲農(nóng)藝要求

（2）剛收獲的大蒜怕曬，一般鋪放時(shí)要保持條狀，蒜葉應(yīng)將蒜頭遮蓋住。

（3）大蒜收獲期質(zhì)地較嫩，易損傷，蒜頭易散，蒜瓣易散落，收獲時(shí)機(jī)械不要碰撞大蒜，避免車輪輾壓，否則會(huì)使大蒜失去商品價(jià)值。

（4）機(jī)具作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)為：蒜率>95%，損傷率<2%，收獲的大蒜中應(yīng)盡量減少泥土和含雜量。

2.2 機(jī)械收獲大蒜方式的選擇

大蒜收獲方式有聯(lián)合收獲和分段收獲兩種模式：

一次完成挖掘、分土、切莖和切須等作業(yè)的收獲過程，稱為聯(lián)合收獲；分段式收獲是指對大蒜進(jìn)行挖掘、分土、歸攏等作業(yè)的機(jī)械收獲方式，后期拾取、切莖等工作仍需人工完成。聯(lián)合收獲只是在特定的實(shí)驗(yàn)條件下獲得實(shí)驗(yàn)效果，不僅作業(yè)成本高，而且大蒜損傷率也高，受我國大蒜種植模式的影響，在實(shí)際生產(chǎn)中很難得到應(yīng)用與推廣。分段式大蒜收獲機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、操作簡便，可大大減少用工，提高收獲效率，是目前大蒜收獲的較好方案，也符合現(xiàn)階段國情。因此該設(shè)計(jì)采用機(jī)械挖掘、分離和條放的收獲方式。

2.3 配套動(dòng)力選擇及總體布置

在配套動(dòng)力及連接方式上選用14.7kw小四輪拖拉機(jī)，為防止和減少拖拉機(jī)輪胎在現(xiàn)行種植模式下壓蒜、傷蒜問題，采用機(jī)具前置式的整體結(jié)構(gòu)。

2.4 挖掘鏟型式的確定

為了減小作業(yè)阻力，該機(jī)采用振動(dòng)式挖掘鏟。

結(jié)核結(jié)節(jié)粟粒大小呈灰白透明或黃白色圓形病灶。有鈣鹽沉著，周圍形成纖維性包膜、切面灰白色，有干酪樣壞死物質(zhì)，刀割有砂子硬感。結(jié)核結(jié)節(jié)與早期淋巴肉瘤的網(wǎng)狀組織細(xì)胞內(nèi)瘤相似。鏡檢：病灶為壞死組織周圍有大量上皮樣細(xì)胞、淋巴細(xì)胞或纖維細(xì)胞。肝淋巴瘤是呈黃白色髓樣的惡性腫瘤。常發(fā)育成巨大結(jié)節(jié)，并轉(zhuǎn)移到肝門淋巴結(jié)。還可突入后腔靜脈內(nèi)，除在靜脈內(nèi)形成結(jié)節(jié)外，其它臟器內(nèi)也有轉(zhuǎn)移性結(jié)節(jié)。用刀割無硬感。鏡檢見淋巴結(jié)結(jié)構(gòu)消失，為幼稚的淋巴細(xì)胞及成淋巴細(xì)胞所代替，瘤細(xì)彌散、有間變、核分裂相多見。

2.5 限深輪轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)

為了提高機(jī)具的操控性，設(shè)計(jì)了限深輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。在該機(jī)限深輪上采用限深輪轉(zhuǎn)臂通過拉線與拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向臂聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)了收獲大蒜時(shí)拖拉機(jī)前輪與限深輪同步轉(zhuǎn)向，有效地解決了前置式收獲機(jī)作業(yè)時(shí)不易操作的問題。

2.6 整機(jī)設(shè)計(jì)

該大蒜收獲機(jī)主要由限深輪、挖掘鏟、鏈桿式輸送分離部件組成，通過連接架整體安裝在小四輪拖拉機(jī)的前保險(xiǎn)杠上，利用液壓提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行升降控制。振動(dòng)挖掘鏟將畦內(nèi)收獲幅寬內(nèi)大蒜與土一起震動(dòng)挖掘，通過輸送鏈桿和前寬后窄的收攏板實(shí)現(xiàn)土蒜分離，并將大蒜收攏于拖拉機(jī)輪距內(nèi)。挖掘鏟前端安裝有與拖拉機(jī)前輪同步轉(zhuǎn)向的限深輪，確保挖掘深度并便于操作。

3 技術(shù)參數(shù)選擇

技術(shù)參數(shù)主要包括作業(yè)幅寬、作業(yè)深度、明蒜率和損傷率。作業(yè)幅寬和作業(yè)深度是由大蒜在田間生長狀態(tài)和主機(jī)功率決定的，明蒜率由分離鏈來保證。

3.1 作業(yè)深度和作業(yè)幅寬

為了能挖出全部大蒜，減少傷蒜，挖掘深度比蒜頭生長深度（95mm）深30～40mm。該機(jī)挖掘深度設(shè)計(jì)在150mm內(nèi)（可調(diào)），由限深輪來實(shí)現(xiàn)。為避免在作業(yè)過程中輪胎對蒜頭的碾壓，作業(yè)幅寬應(yīng)略寬于拖拉機(jī)外輪距（1240mm），取作業(yè)幅寬為1300mm。

3.2 明蒜率

大蒜僅蒜頭埋在土壤中，只要分離鏈條長度合理即可實(shí)現(xiàn)較好的分離效果，明蒜率初步定為>95%。

3.3 損傷率

大蒜損傷分為外部碰傷、內(nèi)部壓傷和蒜頭散開，都會(huì)影響大蒜的商品價(jià)值，農(nóng)民可以接受的損傷率為3%左右，該機(jī)定為<2%。

4 整機(jī)工作原理及主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 工作原理

圖1 整機(jī)示意圖

圖2 俯視圖

該機(jī)具與14.7kw四輪拖拉機(jī)配套使用。其工作原理如下：收獲機(jī)進(jìn)入田間作業(yè)時(shí)，降下液壓升降機(jī)構(gòu)，機(jī)體靠自重整體繞懸掛軸旋轉(zhuǎn)，三角帶被張緊把動(dòng)力傳至給動(dòng)力輸入軸，使挖掘鏟和鏈桿輸送鏈運(yùn)動(dòng)；拖拉機(jī)前進(jìn)時(shí)，挖掘鏟入土至限深輪限定深度，振動(dòng)挖掘鏟將畦內(nèi)收獲幅寬內(nèi)大蒜與土一起震動(dòng)挖掘，靠拖拉機(jī)前進(jìn)形成的推動(dòng)力將蒜、土一起推送到鏈桿輸送鏈上，通過鏈桿輸送鏈和前寬后窄的收攏板實(shí)現(xiàn)土蒜分離，并將大蒜收攏于拖拉機(jī)輪距內(nèi)。大蒜順著拖拉機(jī)機(jī)體前進(jìn)方向呈帶狀擺放，經(jīng)人工撿拾和修剪處理后，及時(shí)晾曬入庫或直接到市場銷售。

4.2 機(jī)構(gòu)特點(diǎn)

（1）機(jī)具通過懸掛軸與連接架鉸接，在連接架上方安裝有升降繩輪，鋼繩前端固定在收獲機(jī)架上繞過升降繩輪與拖拉機(jī)升降臂聯(lián)接，操作拖拉機(jī)液壓升降機(jī)構(gòu)即可控制機(jī)具升降作業(yè)。

（2）在收獲機(jī)前方裝有限深輪，限深輪轉(zhuǎn)臂與限深輪立軸上部固定聯(lián)接，轉(zhuǎn)臂一端通過拉線與拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向臂聯(lián)接，另一端通過拉簧與收獲機(jī)架聯(lián)接轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。機(jī)手只需轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤即可改變機(jī)體的工作方向，解決了前置式大蒜收獲機(jī)作業(yè)中方向不易控制的難題。

4.3 主要部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化

（1）振動(dòng)挖掘鏟。振動(dòng)挖掘可大大減少前進(jìn)阻力，因此，該機(jī)挖掘部件設(shè)計(jì)為振動(dòng)式挖掘鏟，工作時(shí)由曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)挖掘鏟產(chǎn)生振動(dòng)。

①挖掘鏟形狀和參數(shù)。由于挖掘鏟為振動(dòng)式，工作時(shí)受到很大沖擊力，另外，它后面緊靠升運(yùn)鏈，而升運(yùn)鏈自身沒有切土、碎土功能，其前面土壤必須全部疏松。因此，挖掘鏟選取整體式平面單鏟，兩端由振動(dòng)臂固定。為了保證鏟刃的自動(dòng)清理和良好的入土性能，鏟形設(shè)計(jì)為帶斜刃的三角形鏟。

三角平面鏟的主要參數(shù)有鏟刃斜角γ、鏟的傾角α 和鏟的寬度Β。鏟刃斜角γ，為了保證鏟刃自動(dòng)清理，鏟刃要有一定的斜角，因鏟為整體式，受尺寸限制，斜角不能太小，否則鏟的長度會(huì)較大，加大前進(jìn)阻力。經(jīng)試驗(yàn)，2γ 選取160°，這個(gè)角度有利于平作。

鏟的傾角α 應(yīng)小于24°，越小，鏟的阻力越小，選取α=15°。

鏟寬度Β 取1300mm。

②挖掘鏟振動(dòng)幅度和頻率。

振動(dòng)頻率n。根據(jù)前蘇聯(lián)農(nóng)業(yè)機(jī)械制造研究所的資料，挖掘鏟每分鐘擺動(dòng)次數(shù)應(yīng)為507

③振幅f。

振動(dòng)鏟刃的運(yùn)動(dòng)軌跡為鋸齒形，為了不使鋸齒高度增大，取f=24mm。

（2）分離輸送鏈。分離輸送鏈?zhǔn)菈K根類作物收獲機(jī)上廣泛應(yīng)用的分離部件，它有較強(qiáng)的分離能力，并在傾角達(dá)30°時(shí)仍有良好的輸送能力，且結(jié)構(gòu)簡單。主要參數(shù)有線速度、傾角、長度、寬度和節(jié)距等。

線速度。在土壤處于干硬狀態(tài)時(shí)，如果輸送鏈線速度大于2m/s，那么分離能力就開始下降；當(dāng)土壤處于塑性狀態(tài)時(shí)，在輸送鏈線速度增加到4m/s以前，其分離能力有所提高；試驗(yàn)表明，分離輸送鏈最佳線速度為1.5～2.0m/s。大蒜土壤一般為沙壤土，土壤含水率一般為20%～30%，因此，鏈桿分離篩速度定為1.5m/s。

傾角。機(jī)具工作時(shí)，輸送鏈的傾角一般為22°～34°。收大蒜時(shí)，大蒜葉和蒜頭是連在一起的，并含有大量雜草和黃葉，蒜葉量較大，容易向后輸送，因此，傾角選中上值，取30°，經(jīng)試驗(yàn)表明，輸送分離效果較好。

長度。分離輸送鏈在含水量適宜的沙土地中分離效果較好，在粘土地中分離效果較差，因此需要達(dá)到一定長度，結(jié)合整機(jī)結(jié)構(gòu)，取0.9m。

寬度。根據(jù)挖掘鏟寬度尺寸，既要保證輸送鏈運(yùn)轉(zhuǎn)阻力小，又不致漏收，鏈桿輸送鏈寬度取挖掘鏟寬度減160mm，為1140mm。

鏈條節(jié)距及桿條選擇。因大蒜收獲為整株帶桿收獲，蒜頭不易落下，為了使輸送過程中有良好的漏土性能，輸送鏈選用31.75mm雙節(jié)距輸送鏈，桿條選用直徑為1/2英寸的鋼管。

（3）傳動(dòng)系統(tǒng)。傳動(dòng)部分的功能主要是實(shí)現(xiàn)振動(dòng)鏟振動(dòng)和輸送鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)路線為：

5 田間性能試驗(yàn)

該樣機(jī)設(shè)計(jì)制作完成以后,進(jìn)行了不斷地改進(jìn)和完善,并進(jìn)行了大面積的性能生產(chǎn)試驗(yàn)和測試。田間性能生產(chǎn)試驗(yàn)和測試是在大名縣紅廟鄉(xiāng)閆廟村進(jìn)行的,大蒜品種為苔蒜。大蒜的生長情況如下:植株平均高度為800mm，行距為180mm，株距為190mm，蒜頭的深度為40～50mm，直徑為60～80mm，土壤類型為沙壤土，濕度≤30%，配置動(dòng)力為14.7kw。試驗(yàn)結(jié)果為：生產(chǎn)率大于0.2hm2/h，收凈率為98%,傷蒜率小于2%。該機(jī)作業(yè)時(shí)只需駕駛員一人操作，效率是人工收獲的60倍以上，大大降低了生產(chǎn)成本，節(jié)省了勞動(dòng)力。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的大蒜收獲機(jī)與14.7kw以上四輪拖拉機(jī)配套使用，主要傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)部件經(jīng)過強(qiáng)度校核，均滿足使用要求。本機(jī)具具有整機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)、設(shè)計(jì)合理、收凈率高和傷蒜率低等特點(diǎn)?？梢淮瓮瓿纱笏獾耐诰蚍蛛x和鋪條等作業(yè)，具有操作安全方便，作業(yè)適應(yīng)性強(qiáng)，使用可靠性、經(jīng)濟(jì)性較好等特點(diǎn)，能滿足不同作