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《大蒜收獲機的優(yōu)化設(shè)計》的文獻綜述
內(nèi)容摘要
本文主要對國內(nèi)外的大蒜機械化收獲技術(shù)進行調(diào)查，了解國外機械化收獲農(nóng)作物的水平，摸清國內(nèi)大蒜收獲機械化的現(xiàn)狀，重點分析不同收獲機在作業(yè)過程中存在的問題，充分借鑒各型號的優(yōu)點，學(xué)習(xí)農(nóng)機各系統(tǒng)的設(shè)計方法，以期形成一套優(yōu)化設(shè)計方案。
關(guān)鍵詞：大蒜收獲機 手扶拖拉機 問題分析 優(yōu)化設(shè)計
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來。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?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)又發(fā)現(xiàn)了它的醫(yī)學(xué)價值，有防治心血管疾病、抗氧化的功效，在H7N9禽流感時期發(fā)揮著重要的作用。然而廣受歡迎的大蒜，收獲起來可不是一件容易的事。山東是全國最大的大蒜種植區(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，人工收蒜時間長，一旦錯過最好的時期，損失就十分嚴(yán)重。于是，在國內(nèi)，一些大蒜收獲機應(yīng)運而生。大蒜收獲機是指在大蒜的成熟時期，用于對大蒜進行挖掘、去土、輸送、整理、切莖、收集、轉(zhuǎn)運等農(nóng)藝環(huán)節(jié)或單項、或多項、或全部環(huán)節(jié)進行收獲的農(nóng)機具。
山東省在2013年以一定規(guī)模采用了大蒜收獲機，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，這幾年過去，大蒜收獲機暴露出越來越多的問題。
第2章 國內(nèi)外大蒜收獲機分析
2.1國外大蒜收獲機
2.1.1美國TopAir公司GW和GL系列
以下是美國TopAir公司GW 4400型大蒜收獲機[1]實體結(jié)構(gòu)示意圖：
前方由動力源拖拉機帶動液壓及動力連接機構(gòu)實現(xiàn)整機的行走功能。在作業(yè)過程中，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，到達(dá)分離輸送鏈，經(jīng)分離輸送之后到達(dá)鋪條機構(gòu)。若無其他輔助農(nóng)機，挖掘的大蒜將直接拋入田中。
因其分離輸送鏈并沒有特殊的分離土塊的裝置，所以有一個比較明顯的缺點是土塊分離不完全，這也是部分國產(chǎn)大蒜收獲機一個待解決的問題。
下圖是該公司GL 2400大蒜撿拾機，為在GW 4400上加裝撿拾裝置后的農(nóng)機：
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，在國內(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)過的環(huán)節(jié)越多，機器的負(fù)擔(dān)越大，消耗的能源越多。
2.1.2法國ERME公司RL系列和RE系列
法國是歐洲農(nóng)業(yè)最發(fā)達(dá)的國家之一，其機械化、現(xiàn)代化程度高，以中小農(nóng)場的經(jīng)營方式為主。法國政府鼓勵建立高等、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)民們愿意投資大蒜收獲機，收獲機械得到廣泛應(yīng)用。
下圖是法國打捆式大蒜收獲機：
RL1型收獲機適合于逐行收獲。在其對準(zhǔn)一行大蒜之后，分禾器將此行大蒜與別行區(qū)分開來，然后進行挖掘作業(yè)，夾持膠帶將大蒜送至打捆機構(gòu)，拍土。當(dāng)大蒜數(shù)量達(dá)到一定值時，打捆機構(gòu)進行打捆。然后工作人員操縱開關(guān)把蒜捆送至后側(cè)。
此機器的操作對工作人員要求有點高：工作人員不僅要控制整機前進方向，避免駛?cè)肫渌庑?，還要隨時注意捆蒜機構(gòu)中蒜秧的數(shù)量，長時間作業(yè)容易出錯。
下圖是該公司RE1型單行切秧式大蒜聯(lián)合收獲機：
其工作原理與RL1型有許多相似之處，但其具備切秧機構(gòu)，還配備工人清洗切下的大蒜頭，無疑為后續(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，對蒜行的要求是間距50cm左右。在中國，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。照搬國外的技術(shù)肯定是行不通的。但是其切秧機構(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，近幾年更是成為歐洲最大的大蒜生產(chǎn)商。大蒜的機械化收獲占據(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：
相比較法國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，針對打捆式和切秧式分別研制出兩行和四行的機型，但同時兩行打捆式需要2名操作人員。但不適用于國內(nèi)，原因與上面是一樣的。切秧式要求的最小行距是35cm，不能滿足國內(nèi)大部分蒜距要求。
2.2國內(nèi)大蒜收獲機
2.2.1 4DS_1000型大蒜挖掘機
需求是發(fā)明之母。山東金鄉(xiāng)縣是中國著名的大蒜之鄉(xiāng)。進出口、致富增收的愿望讓人們不堪重負(fù)，迫切需要實現(xiàn)收獲的機械化。4DS_1000型大蒜收獲機[2]根據(jù)山東省農(nóng)業(yè)機械管理局的“大蒜挖掘機”的項目合同書終于研制出來。
其可與泰山-12型拖拉機配套使用。拖拉機經(jīng)齒輪箱將動力傳至挖掘系統(tǒng)和撥禾器的變速箱。其主要采用旋轉(zhuǎn)刀具進行挖掘。作業(yè)過程中，旋轉(zhuǎn)刀具在土中不斷旋轉(zhuǎn)，切斷大蒜根系，同時松動泥土，將大蒜拱起，一次來是蒜土分離。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)刀具的損失就會過多。同時，原研究人員也提出，此機型適用于平原地區(qū)。對于起伏幅度過大或者過于頻繁的地貌就不適宜了。不過4DS_1000型一改國外通過“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[3]
它與拖拉機的掛接方式采用的是三點懸掛式，驅(qū)動輪附加同軸的鏈輪作為動力源。作業(yè)過程中，驅(qū)動輪帶動大鏈輪，接著帶動小鏈輪轉(zhuǎn)動。小鏈輪作為一個動力樞紐，通過錐齒輪、離合器的傳動使拋擲輪轉(zhuǎn)動。拋擲輪的作用是將挖掘鏟挖掘上來的蒜土進行分離。
然而，效率并不高。通過實地實驗，作業(yè)效率大概是4DS_1000型的2/3。不過，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
4S-85型大蒜收獲機[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型手扶拖拉機配套可一次完成破土、碎石、切根、篩選集條等各項作業(yè)。機器到達(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。行進過程，挖掘鏟切斷大蒜根須，蒜土一起進入碎土輥，再進過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。
在實地實驗過程中，出現(xiàn)了一些故障：一是振動挖掘鏟臂偏心連桿機構(gòu)中的螺紋連桿螺絲損壞，主要是因為加工材料選用45鋼，而且后期淬火和退火處理工藝不過關(guān)；二是振動挖掘鏟斷裂，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[6]
該機具與8.8kW以上的手扶拖拉機配套使用，限深輪一端為前進方向。工作時操作液壓裝置使機身下沉到指定深度，大蒜經(jīng)過旋轉(zhuǎn)犁刀8、分秸器9、犁刀-振動篩聯(lián)合體之后被拋入田中。期間，工作人員操作位于機身后部的方向盤和液壓手柄。
振動分離的方案值得借鑒，但是大蒜在振動篩上的行程較短，蒜土分離未必充分；另一方面，操作人員位于機身后部，視野不夠開闊，所以對方向的操控要求比較高。
第3章 總結(jié)
經(jīng)過對文獻資料的分析，發(fā)現(xiàn)：
1.國外的大蒜收獲機已經(jīng)有較高的自動化水平，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型大大減少了工作量。但是有些機型蒜土分離不充分。收獲機對行距的要求也不符合我國國情。
2.國內(nèi)的收獲機設(shè)計的思路還是比較開闊的：有使用旋轉(zhuǎn)刀具切斷蒜須的，有使用拋擲輪或者振動篩來分離蒜土的。但是機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)在機身上，除此之外易操作性（視野、方向盤是否省力）和舒適性（振動引起的不適）這樣的人機交互體驗還需改進。自動化水平還需向發(fā)達(dá)國家看齊。
3.我們要借鑒國外先進機型的優(yōu)點，結(jié)合國產(chǎn)機器的問題，在結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化，使機器更加穩(wěn)定；在功能上進行優(yōu)化，使機器更易用；在細(xì)節(jié)上進行優(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)，改善傳動路線，優(yōu)化挖掘、分離蒜土的機構(gòu)，合理安排操作人員的位置來改善視野和工作環(huán)境。
參考文獻
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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：
文獻查閱豐富，條理清楚，具有一定的深度和時間性，能反映出這一專題的歷史背景、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，情報學(xué)價值。對課題研究具有較高的價值。
指導(dǎo)教師簽名： 2014年 2 月 17日
教研室審查意見：
同意。
室主任簽名： 2014 年 2 月 18 日
學(xué)院審查意見：
同意。
教學(xué)院長簽名： 2014 年 2 月 20 日