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《大蒜收獲機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)》的文獻(xiàn)綜述
內(nèi)容摘要
本文主要對(duì)國(guó)內(nèi)外的大蒜機(jī)械化收獲技術(shù)進(jìn)行調(diào)查，了解國(guó)外機(jī)械化收獲農(nóng)作物的水平，摸清國(guó)內(nèi)大蒜收獲機(jī)械化的現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析不同收獲機(jī)在作業(yè)過(guò)程中存在的問(wèn)題，充分借鑒各型號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，學(xué)習(xí)農(nóng)機(jī)各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，以期形成一套優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞：大蒜收獲機(jī) 手扶拖拉機(jī) 問(wèn)題分析 優(yōu)化設(shè)計(jì)
第1章 前言
大蒜，產(chǎn)于中亞和西亞。兩千多年前，出使西域的張騫將其帶回國(guó)來(lái)。人們不僅發(fā)現(xiàn)它是風(fēng)味絕佳的調(diào)料品，還能去腥殺菌，各家各戶大范圍地種植起來(lái)。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)又發(fā)現(xiàn)了它的醫(yī)學(xué)價(jià)值，有防治心血管疾病、抗氧化的功效，在H7N9禽流感時(shí)期發(fā)揮著重要的作用。然而廣受歡迎的大蒜，收獲起來(lái)可不是一件容易的事。山東是全國(guó)最大的大蒜種植區(qū)，當(dāng)?shù)氐乃廪r(nóng)也抱怨收蒜很累，手都要磨出泡，更別說(shuō)經(jīng)年累月蹲在田里，面朝黃土背朝天。除此之外，人工收蒜時(shí)間長(zhǎng)，一旦錯(cuò)過(guò)最好的時(shí)期，損失就十分嚴(yán)重。于是，在國(guó)內(nèi)，一些大蒜收獲機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。大蒜收獲機(jī)是指在大蒜的成熟時(shí)期，用于對(duì)大蒜進(jìn)行挖掘、去土、輸送、整理、切莖、收集、轉(zhuǎn)運(yùn)等農(nóng)藝環(huán)節(jié)或單項(xiàng)、或多項(xiàng)、或全部環(huán)節(jié)進(jìn)行收獲的農(nóng)機(jī)具。
山東省在2013年以一定規(guī)模采用了大蒜收獲機(jī)，其較高的效率受到蒜農(nóng)的歡迎，河南、江蘇等地也紛紛仿效。然而，這幾年過(guò)去，大蒜收獲機(jī)暴露出越來(lái)越多的問(wèn)題。
第2章 國(guó)內(nèi)外大蒜收獲機(jī)分析
2.1國(guó)外大蒜收獲機(jī)
2.1.1美國(guó)TopAir公司GW和GL系列
以下是美國(guó)TopAir公司GW 4400型大蒜收獲機(jī)[1]實(shí)體結(jié)構(gòu)示意圖：
前方由動(dòng)力源拖拉機(jī)帶動(dòng)液壓及動(dòng)力連接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整機(jī)的行走功能。在作業(yè)過(guò)程中，挖掘鏟深入泥土將大蒜蒜須切斷，連同部分泥土一起挖掘上來(lái)，到達(dá)分離輸送鏈，經(jīng)分離輸送之后到達(dá)鋪條機(jī)構(gòu)。若無(wú)其他輔助農(nóng)機(jī)，挖掘的大蒜將直接拋入田中。
因其分離輸送鏈并沒(méi)有特殊的分離土塊的裝置，所以有一個(gè)比較明顯的缺點(diǎn)是土塊分離不完全，這也是部分國(guó)產(chǎn)大蒜收獲機(jī)一個(gè)待解決的問(wèn)題。
下圖是該公司GL 2400大蒜撿拾機(jī)，為在GW 4400上加裝撿拾裝置后的農(nóng)機(jī)：
其裝備撿拾裝置之后，配合一名工作人員，能夠完成大蒜挖掘、去土、輸送、撿拾、整理等功能，已經(jīng)是初具雛形的聯(lián)合收獲機(jī)，在國(guó)內(nèi)外處于領(lǐng)先水平。其收蒜效率大大提升。
但是全程帶蒜秧作業(yè)，經(jīng)過(guò)的環(huán)節(jié)越多，機(jī)器的負(fù)擔(dān)越大，消耗的能源越多。
2.1.2法國(guó)ERME公司RL系列和RE系列
法國(guó)是歐洲農(nóng)業(yè)最發(fā)達(dá)的國(guó)家之一，其機(jī)械化、現(xiàn)代化程度高，以中小農(nóng)場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)方式為主。法國(guó)政府鼓勵(lì)建立高等、中等農(nóng)業(yè)教育，極大提高了農(nóng)民的素質(zhì)。在其大蒜種植區(qū)，農(nóng)民們?cè)敢馔顿Y大蒜收獲機(jī)，收獲機(jī)械得到廣泛應(yīng)用。
下圖是法國(guó)打捆式大蒜收獲機(jī)：
RL1型收獲機(jī)適合于逐行收獲。在其對(duì)準(zhǔn)一行大蒜之后，分禾器將此行大蒜與別行區(qū)分開(kāi)來(lái)，然后進(jìn)行挖掘作業(yè)，夾持膠帶將大蒜送至打捆機(jī)構(gòu)，拍土。當(dāng)大蒜數(shù)量達(dá)到一定值時(shí)，打捆機(jī)構(gòu)進(jìn)行打捆。然后工作人員操縱開(kāi)關(guān)把蒜捆送至后側(cè)。
此機(jī)器的操作對(duì)工作人員要求有點(diǎn)高：工作人員不僅要控制整機(jī)前進(jìn)方向，避免駛?cè)肫渌庑?，還要隨時(shí)注意捆蒜機(jī)構(gòu)中蒜秧的數(shù)量，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)容易出錯(cuò)。
下圖是該公司RE1型單行切秧式大蒜聯(lián)合收獲機(jī)：
其工作原理與RL1型有許多相似之處，但其具備切秧機(jī)構(gòu)，還配備工人清洗切下的大蒜頭，無(wú)疑為后續(xù)工作省去了許多麻煩。
我們仔細(xì)觀察就能發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是RL1還是RE1，都是單行收獲。雖然之后推出的RL和RE其他系列能一次收獲最多達(dá)5行，但是為了不損傷大蒜，對(duì)蒜行的要求是間距50cm左右。在中國(guó)，土地資源一向是農(nóng)民們十分珍惜的，蒜行間距從13cm到35cm不等，主要集中在20cm左右。照搬國(guó)外的技術(shù)肯定是行不通的。但是其切秧機(jī)構(gòu)的配置值得我們學(xué)習(xí)。
2.1.3西班牙J.J.BROCH 公司
西班牙是世界第二大大蒜出口國(guó)，近幾年更是成為歐洲最大的大蒜生產(chǎn)商。大蒜的機(jī)械化收獲占據(jù)著重要地位。
西班牙J.J.BROCH 公司也生產(chǎn)打捆式和切秧式收獲機(jī)：
相比較法國(guó)ERME公司的產(chǎn)品，西班牙公司注重了舒適性，給打捆式加上了頂棚，也更注重效率，針對(duì)打捆式和切秧式分別研制出兩行和四行的機(jī)型，但同時(shí)兩行打捆式需要2名操作人員。但不適用于國(guó)內(nèi)，原因與上面是一樣的。切秧式要求的最小行距是35cm，不能滿足國(guó)內(nèi)大部分蒜距要求。
2.2國(guó)內(nèi)大蒜收獲機(jī)
2.2.1 4DS_1000型大蒜挖掘機(jī)
需求是發(fā)明之母。山東金鄉(xiāng)縣是中國(guó)著名的大蒜之鄉(xiāng)。進(jìn)出口、致富增收的愿望讓人們不堪重負(fù)，迫切需要實(shí)現(xiàn)收獲的機(jī)械化。4DS_1000型大蒜收獲機(jī)[2]根據(jù)山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械管理局的“大蒜挖掘機(jī)”的項(xiàng)目合同書(shū)終于研制出來(lái)。
其可與泰山-12型拖拉機(jī)配套使用。拖拉機(jī)經(jīng)齒輪箱將動(dòng)力傳至挖掘系統(tǒng)和撥禾器的變速箱。其主要采用旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行挖掘。作業(yè)過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)刀具在土中不斷旋轉(zhuǎn)，切斷大蒜根系，同時(shí)松動(dòng)泥土，將大蒜拱起，一次來(lái)是蒜土分離。前后撥禾器將蒜頭撥向兩邊，防止輪胎壓蒜。
然而，土表之下的情況難以確定。如遇石塊較多的土壤，旋轉(zhuǎn)刀具的損失就會(huì)過(guò)多。同時(shí)，原研究人員也提出，此機(jī)型適用于平原地區(qū)。對(duì)于起伏幅度過(guò)大或者過(guò)于頻繁的地貌就不適宜了。不過(guò)4DS_1000型一改國(guó)外通過(guò)“挖”的起蒜方式，采用旋轉(zhuǎn)刀具，為大蒜的挖掘提供了新思路。
2.2.2 4DS-2型大蒜挖掘機(jī)[3]
它與拖拉機(jī)的掛接方式采用的是三點(diǎn)懸掛式，驅(qū)動(dòng)輪附加同軸的鏈輪作為動(dòng)力源。作業(yè)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)大鏈輪，接著帶動(dòng)小鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)。小鏈輪作為一個(gè)動(dòng)力樞紐，通過(guò)錐齒輪、離合器的傳動(dòng)使拋擲輪轉(zhuǎn)動(dòng)。拋擲輪的作用是將挖掘鏟挖掘上來(lái)的蒜土進(jìn)行分離。
然而，效率并不高。通過(guò)實(shí)地實(shí)驗(yàn)，作業(yè)效率大概是4DS_1000型的2/3。不過(guò)，其緊湊的結(jié)構(gòu)值得學(xué)習(xí)，蒜土分離的方案值得借鑒。
2.2.3 4S-85型大蒜挖掘機(jī)
4S-85型大蒜收獲機(jī)[4]，主要由挖掘裝置、碎土裝置、分離裝置、輸送裝置、鋪放裝置等部分組成。
4S-85與東風(fēng)—12型手扶拖拉機(jī)配套可一次完成破土、碎石、切根、篩選集條等各項(xiàng)作業(yè)。機(jī)器到達(dá)田間，液壓升降裝置降下，挖掘鏟靠自身重力入土至指定深度。行進(jìn)過(guò)程，挖掘鏟切斷大蒜根須，蒜土一起進(jìn)入碎土輥，再進(jìn)過(guò)泥土分離器的作用將土去除。去土的大蒜從兩防滑輪之間落入田里。
在實(shí)地實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)了一些故障：一是振動(dòng)挖掘鏟臂偏心連桿機(jī)構(gòu)中的螺紋連桿螺絲損壞，主要是因?yàn)榧庸げ牧线x用45鋼，而且后期淬火和退火處理工藝不過(guò)關(guān)；二是振動(dòng)挖掘鏟斷裂，經(jīng)仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)，鏟身使用的65Mn鋼板上有缺口，當(dāng)振動(dòng)挖掘鏟碰上田埂等造成應(yīng)力集中導(dǎo)致斷裂。[5]
2.2.3 4S-6型大蒜挖掘機(jī)[6]
該機(jī)具與8.8kW以上的手扶拖拉機(jī)配套使用，限深輪一端為前進(jìn)方向。工作時(shí)操作液壓裝置使機(jī)身下沉到指定深度，大蒜經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)犁刀8、分秸器9、犁刀-振動(dòng)篩聯(lián)合體之后被拋入田中。期間，工作人員操作位于機(jī)身后部的方向盤(pán)和液壓手柄。
振動(dòng)分離的方案值得借鑒，但是大蒜在振動(dòng)篩上的行程較短，蒜土分離未必充分；另一方面，操作人員位于機(jī)身后部，視野不夠開(kāi)闊，所以對(duì)方向的操控要求比較高。
第3章 總結(jié)
經(jīng)過(guò)對(duì)文獻(xiàn)資料的分析，發(fā)現(xiàn)：
1.國(guó)外的大蒜收獲機(jī)已經(jīng)有較高的自動(dòng)化水平，能夠完成大蒜挖掘、去土、輸送、撿拾、整理等功能，具備撿拾裝置和切秧裝置的機(jī)型大大減少了工作量。但是有些機(jī)型蒜土分離不充分。收獲機(jī)對(duì)行距的要求也不符合我國(guó)國(guó)情。
2.國(guó)內(nèi)的收獲機(jī)設(shè)計(jì)的思路還是比較開(kāi)闊的：有使用旋轉(zhuǎn)刀具切斷蒜須的，有使用拋擲輪或者振動(dòng)篩來(lái)分離蒜土的。但是機(jī)器暴露在外的部分較多，一方面零部件容易損壞老化，另一方面蒜秧易纏結(jié)在機(jī)身上，除此之外易操作性（視野、方向盤(pán)是否省力）和舒適性（振動(dòng)引起的不適）這樣的人機(jī)交互體驗(yàn)還需改進(jìn)。自動(dòng)化水平還需向發(fā)達(dá)國(guó)家看齊。
3.我們要借鑒國(guó)外先進(jìn)機(jī)型的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合國(guó)產(chǎn)機(jī)器的問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，使機(jī)器更加穩(wěn)定；在功能上進(jìn)行優(yōu)化，使機(jī)器更易用；在細(xì)節(jié)上進(jìn)行優(yōu)化，使操作人員更舒適。
4.下一步的目標(biāo)：以一體的剛性結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，改善傳動(dòng)路線，優(yōu)化挖掘、分離蒜土的機(jī)構(gòu)，合理安排操作人員的位置來(lái)改善視野和工作環(huán)境。
參考文獻(xiàn)
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[10] Jiannong Song，Jianjun Liu. Mechanized Harvest of Garlic: A Review.[A]. Collection of Extent Abstracts of 2004 CIGR International Conference Volume.2[C].2004
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
文獻(xiàn)查閱豐富，條理清楚，具有一定的深度和時(shí)間性，能反映出這一專(zhuān)題的歷史背景、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，情報(bào)學(xué)價(jià)值。對(duì)課題研究具有較高的價(jià)值。
指導(dǎo)教師簽名： 2014年 2 月 17日
教研室審查意見(jiàn)：
同意。
室主任簽名： 2014 年 2 月 18 日
學(xué)院審查意見(jiàn)：
同意。
教學(xué)院長(zhǎng)簽名： 2014 年 2 月 20 日