夹持输送技术在蔬菜收获机械中的应用

赵庆南，王锦江，王 志，田 甜，赵永亮，崔 亮，洪 曼

(1.中国农业机械化科学研究院，北京100083；2.北京金轮坤天特种机械有限公司，北京100083)

0 引言

我国是世界上最大的蔬菜生产和消费国家，蔬菜播种面积、产量分别占世界总量的40%和50%以上[1-2]。统计资料显示，2019年全国蔬菜种植面积稳定在2 000万hm2以上，年产量在7亿t以上。农业农村部重点监测的28种蔬菜有根类菜(白萝卜、胡萝卜等)、茎类菜(洋葱、马铃薯等)、叶类菜(甘蓝、菠菜等)、花类菜(花椰菜、蒜薹等)、果类菜(黄瓜、番茄等)和菌类菜(平菇、香菇等)。蔬菜生产是劳动密集型产业，劳动力成本约占蔬菜生产总成本的65%，劳动力成本的上升让更多菜农选择种植省工蔬菜，如叶菜类、根茎类，而需要嫁接、不定期整枝打杈或吊蔓等费工蔬菜的种植面积有所减少[3]。

蔬菜种类较多，收获难度较大，目前我国的蔬菜收获作业基本依靠人工完成。随着我国城市化进程的推进，农村劳动力的减少，研发蔬菜收获机械，实现蔬菜生产的机械化有助于提高我国农业的生产效率[4-5]。针对不同的蔬菜品种，在机械化收获作业过程中，主要存在拔取(挖取)、夹持输送、切割(顶部或根部)和收集等技术难题。

本文对蔬菜机械收获流程中的夹持输送通用关键技术与装置进行分析，并结合现有蔬菜收获机具进行实例阐述，可为从事蔬菜收获机械设计的科研人员提供参考。

1 夹持输送技术与装置

夹持输送是蔬菜收获机械中的关键环节，夹持输送装置需将与土壤分离的蔬菜平稳输送到下一流程，并在输送过程中进行切顶或切根等作业。在此过程中，夹持输送带自适应蔬菜种植疏密度、外形尺寸等差异造成的工况动态变化，蔬菜(或茎叶)与夹持输送带保持相对静止，夹持输送带给蔬菜(或茎叶)一定的夹持力，防止蔬菜脱落或滑动，但不能将蔬菜挤碎或夹断，影响收获质量。夹持输送装置主要由机架、驱动装置、夹持输送带、压紧装置和拉伸弹簧等组成，如图1所示[6-7]。

蔬菜收获时，2条与地面呈一定提升角度的立式夹持输送带在驱动装置的作用下做反向回转运动，2条输送带保持线速度一致，并在压紧装置的作用下形成浮动夹持输送区域，使蔬菜(茎叶)从地表(地下)有序提升到下一工序，在输送装置的末端设有切根(切顶)机构，2条输送带前端和尾部呈一定角度，便于蔬菜(茎叶)的顺利抓取和分离。夹持输送时蔬菜的受力分析如图2所示。

蔬菜不脱落的条件为

μ(k1F1+k2F2)>G

式中μ——摩擦系数

F1、F2——相邻的2个压紧力，N

k1——压紧力F1的转换系数

k2——压紧力F2的转换系数

G——蔬菜的重力，N

摩擦系数与输送带表面花纹、结构形状、材料和蔬菜品种的生物力学特性等因素相关，压紧力主要受拉伸弹簧弹性系数和形变的影响，转换系数主要受压紧装置位置的影响。蔬菜输送过程中的运动分析如图3所示。

当蔬菜连续喂入时，不发生堵塞的条件为

v1sinα≥v0

式中v1——输送带线速度，ms

α——输送装置提升角，(°)

v0——收获机作业速度，ms

输送装置提升角主要受蔬菜品种、机具结构尺寸和输送前后工作机构等因素影响。

在蔬菜的输送过程中，为了避免蔬菜与输送带相对运动，2条输送带的线速度需保持一致，即主动轮和从动轮转速同步。输送带的驱动方式主要有机械和液压2种。机械驱动多采用齿轮结构将动力分配给2个主动轮，机械驱动同步性能好，精度高，但结构复杂，工况调节不方便。液压驱动多采用液压马达直接驱动主动轮的方式，液压驱动同步性能比机械驱动差，但布置简单、工况调节方便。在蔬菜收获流程中包括多个运动机构，因此，收获机械一般都配有液压泵站为夹持输送带液压驱动提供动力。

液压马达的同步驱动回路主要有流量控制和体积控制2种，如图4所示。流量控制同步回路是利用流量控制元件(节流阀、调速阀和分流阀等)的作用，使通过每路工作单元的流量一致，从而使液压马达转速一致，流量控制同步回路结构简单，成本低，同步精度相对较低，系统回路如图4a所示。体积控制同步回路是在不考虑执行元件泄漏和液压油液压缩效应的情况下，利用执行元件输入流量与输出流量相等的原理，使每路油路中串联的各执行元件输入流量或并联的几组执行元件保持相等，从而实现同步驱动，体积控制同步回路控制元件少，系统精度比较高，系统回路如图4b所示[8]。

2 典型应用

据统计，2018年全国蔬菜品种播种面积位居前10位的有胡萝卜、结球甘蓝等，这2种蔬菜的生物特性和种植模式有利于机械化收获作业，国内外相关厂家和科研机构对胡萝卜和结球甘蓝收获机械进行了大量研究，开发了多种型号的收获机产品。

典型的胡萝卜收获机有Dewulf公司生产的ZBⅡ系列收获机、SIMON公司生产的PS系列收获机(图5)、Asa-Lift公司生产的T系列收获机、Kubota生产的CH-201C型收获机、青岛农业大学研制的自走式双行胡萝卜联合收获机和中国农业机械化科学研究院研制的履带式胡萝卜收获机等[9-10]。这些机具的工作原理均是通过扶禾器将胡萝卜秧收拢，在夹持输送带和松土铲的作用下将胡萝卜拔起，然后提升到下一工序。为了增加输送带的夹持输送能力，将输送带表面设计为齿形，在浮动压紧机构的作用下，胡萝卜秧被有效夹持，可减少胡萝卜秧密度等因素造成的影响，增强夹持输送装置的自适应性。

典型的甘蓝收获机有Hortech公司生产的RAPID型收获机、Vanhoucke公司生产的收获机(图6)、洋马农机株式会社的HC-125型收获机和农业部南京农业机械化研究所研发的4GYZ-1200型甘蓝收获机等[11-12]。上述机具的工作原理均是通过拔取部件将甘蓝从地面拔起，通过夹持输送带将甘蓝输送至切根工序位。为了防止甘蓝在输送过程中发生脱落现象，输送带设计宽度一般大于甘蓝直径，并在输送带表面设计有凹槽或D型夹具，压紧机构采用浮动设计，可增加机具对不同形状、大小甘蓝的适应能力，同时使输送带对甘蓝产生适当的夹持力。为了增强甘蓝的喂入性能，夹持输送装置的从动轮采用浮动设计，可根据甘蓝外形大小摆动一定角度，并保持合适的夹持力。

3 发展趋势

3.1低损伤收获

蔬菜的损伤率是评价收获机械性能的重要指标[4]。针对适宜机械收获的蔬菜品种，开展生物力学特性研究，测试蔬菜的挤压破碎力等参数，为夹持输送装置的关键参数设计提供理论依据。在保证将蔬菜有效输送、提升的基础上，优化夹持输送的结构参数和作业参数，开发低损伤夹持输送技术与装备，将蔬菜在夹持输送流程的损伤降到最低，保障蔬菜品质。

3.2开发专用输送带(夹具)

蔬菜收获机械专用性强，每种蔬菜在夹持输送过程中的接触位置、夹持力等差异较大，针对同类或同品种的蔬菜开展物理特性研究，结合新材料、新工艺等先进技术，开发专用输送带或夹具，优化输送带或夹具的结构、材料和接触面参数，保证蔬菜的可靠夹持，实现蔬菜的有序输送、提升，为后续切根、切顶或其他工序的正常运行提供保障。

3.3结合农艺，开发蔬菜收获机械及其关键部件

在现代蔬菜的生产过程中，收获机械化的实现离不开农艺的支持，二者相辅相成。在蔬菜生产过程中，往往因品种不同形成了种植模式差异，为收获机械的设计和开发带来困难。结合常用种植模式、生产农艺，开发通用性蔬菜收获机及其关键部件，通过调整机具参数，兼顾其他少数种植模式的机械化收获作业，提升蔬菜生产的机械化水平。

4 结束语

随着农村劳动力的减少和人工生产成本的增加，实现适宜品种收获机械化作业是蔬菜行业发展的必然趋势。随着农村土地流转的推进，省工蔬菜种植面积的增大，为蔬菜收获机械化的发展带来了机遇。结合蔬菜生产农艺，借鉴国内外同类或相似装备的先进技术和经验，开发低损伤的专用收获机械及其关键部件，为实现蔬菜的机械化收获提供技术支持和装备保障，不断促进蔬菜行业的快速发展。