一、设备研究目的

1.1国内外研究现状

在发达国家中，蔬菜收获机械研究起步相对较早，技术较为成熟。经历了从使用简单的人力收割、到单项作业机具、再到成套机具、从分段作业机具到联合作业机具等发展历程，发展速度较快。20世纪60年代以美国为首的发达国家开始对果菜类蔬菜的收获手段进行研究。20世纪70年代单项作业的果菜类蔬菜收获机器研制成功。目前，发达国家的蔬菜收获机械一直处于较高的发展水平，操作设备也已非常成熟。番茄、土豆、胡萝卜、洋葱等收获作业已实现全面机械化，果蔬机械化收获技术也取得了很大进步 。特别是美国、意大利、日本等发达国家在蔬菜收获机械领域处于领先地位。但是对菠菜的收割主要是根茎的收割，且只适用于大面积的露天种植，不适用于大棚种植，对于带根菠菜的收割还停留在人工收割，如图1-1。

图1-1 美国某农场大型菠菜收割机

虽然我国是蔬菜生产大国和消费大国，但相比之下，我国蔬菜收获机械及装备起步晚，发展进程较慢，并主要以一次性收获为主。国内大多数蔬菜收获机械的研究尚处于起步阶段，除少数蔬菜已有成熟收获机型外，如土豆、山药等块根类蔬菜，大多数蔬菜收获机械化尚处于理论研究阶段，如白菜、菠菜、油麦菜、胡萝卜等蔬菜。

截至2020年3月底，国内能够对菠菜的根部进行切割的机器主要有两种：一是通过下方的盘头刀进行切割，把手进行切割深度控制的收割机，如图1-4。但是由于盘头刀地下切割阻力大，把手控制深度不精确，对菠菜进行切割时切散现象严重，而且一垄收割效率低，现阶段主要用于对韭菜的收割，还未应用于菠菜的收割。二是一种用于流水实施的菠菜收割机如图1-5，能够对菠菜的根部进行切割，但是存在刀片阻力大，使用不方便且只适用于特定的土地，因而未得到广泛应用。

图1-2韭菜收割机

图1-3普通的菠菜收割机

      1.2 设备研究目的

结合国内外菠菜收割机研究现状,团队发现如下问题待需解决：

1. 现有的菠菜收割机许多都无法实现从根部开始切割，且无扶正装置，容易产生部分菜叶浪费；

2. 现有的菠菜收割机智能化较低，无法实现远程数字控制；

3. 现有的菠菜收割机有的体积过大，无法实现对小片田地和大棚菠菜的收割；

4. 现有的菠菜收割机器构造复杂，制造成本高昂，不适合普通农户使用；

5. 现有的菠菜收割机通常采用汽油或柴油发动机作为动力，但是在相对封闭的种植环境中使用时，这些发动机可能会排放有害废气，严重污染环境，进而影响蔬菜作物的正常生长和工作人员的身心健康。

综上所述，现阶段国内外缺少一款适用于中国农民需求的可以对菠菜的根部进行切割的高智能机器，因此团队设计出一种新型自动化带根菠菜收割机来解决这些问题。

二、自动化菠菜收割机的总体设计

2.1装置设计方案的确定

为了更好地适应菠菜收获，降低对新鲜菠菜收获的损害，本机械装置进行以下过程：通过切割装置将菠菜收获，通过倒伏装置将菠菜输送到传送带，再通过传送装置输送到机身后的储存筐。

2.2机械装置的总体设计方案

自动化菠菜收割机具有一体化设计，能将菠菜从收割传送到最后装筐一次性完成，具有便利，快捷，高效的特点。其结构布局根据农机与农艺融合的具体需求，主要可分为以下几个部分：收割装置、倒伏装置、传送装置、收集装置和传动系统，这些装置按照农业机械要求安装，能够很好地适应不同种植场地环境，满足不同高度，不同类别的菠菜，提高菠菜收获效率。

2.3机构工作原理

自动化菠菜收割机工作原理如下：通过传动系统带动切割装置中刀具旋转将菠菜切割收获，通过倒伏装置将收获的菠菜输送到传送带，再通过传送装置将菠菜输送到机身后的储存筐，完成对菠菜的收获。整个过程都可以通过PLC系统对收割、运输、收集等动作进行控制，实现人机一体智能化与菠菜收割自动化，这大大提高了菠菜收割的速度，提高菠菜收割效率。

图2-1 自动化菠菜收割机整体渲染图一

图2-2 自动化菠菜收割机整体渲染图二

1.输送装置 2.收集装置 3.传动系统 4.倒伏装置 5.收割装置

图2-1 自动化菠菜收割机整体示意图

2.5 机械产品的创新点

本设备主要创新点如下：

1. 收割部分设有螺旋倒伏扶正助收装置，刀组在地下切割，不仅能从菠菜根部进行收割，减少浪费，还能防止倒伏菠菜漏收；

2. 运输传送带上设有阻隔缓带，使菠菜均匀平稳地顺着传送带进入收集框，运输过程更加流畅；

3. 收集部分使用压力感应收集框，当收集框里的菠菜足够多达到一定重量时，感应器迅速报警，收割机停止，种植人即可实现迅速换框；

4. 本设备可以使用PLC控制系统，可针对于菠菜的收割、运输、收集进行一体化控制。

该自动化菠菜收割机的实现解决了当代菠菜收割效率低，收割过程对菠菜的损伤等问题，设计方面更加人性化，而且降低了人工成本，具有广阔的市场前景和应用价值。

三、菠菜收割机主要结构设计与分析

3.1收获过程关键机构设计

（1）根切机构设计

不同种类的叶类蔬菜根的尺寸和力学特性不同，因而根切方式与根切机构也不同。破土铲根是菠菜等叶菜有序收获的首要环节，铲根过程关联收获的后续环节，影响叶菜的机械损伤，因而需要对铲根过程进行研究。本设备采用回转式切割，回转式铲根机构可以提供较大的切割力，能更有效、更快速将菠菜切根收获。

图3-1 收获装置刀具图

（2）输送机构设计

输送环节按照收集的效果可以分为有序输送和无序输送。输送效率高，有序输送设置了契合菠菜尺寸的扇叶倒伏装置，能将被切割下来的菠菜一一扶正，大大减少了切割下来的菠菜被碾压的浪费情况；无序输送主要采用输送带输送的形式，输送带上设计了一道道的阻隔缓带，能将菠菜由地面缓缓输送至收集箱，使菠菜不会因重力掉落，大大提高了收集效率，有效降低人工投入，降低成本。

图3-2 菠菜收割机倒伏装置

图3-3 菠菜收割机传送装置

（3）收集机构设计

全自动菠菜收割机在机器尾部设置可更换收集框，用于收集从传送带运来的菠菜。收集框底部装置由重力感应器，根据收集框大小与对于菠菜的收获量设置重力范围，当收集框重力达到重力感应器设置最大承重范围时，感应器自动报警，且由PLC数控系统控制，使菠菜收割机停下来，即可实现迅速换框。

图3-4 菠菜收割机收集装置

四、产品设计意义与推广价值

4-1 产品设计的意义

1. 自动化菠菜收割机能提高菠菜的收割速度与效率，降低人工投入，降低人工成本，促进农业发展。

2. 自动化菠菜收割机能减少对菠菜收获的损伤，提高菠菜收割质量，提高市场竞争力，增加农民收入。

3. 自动化菠菜收割机研究的深入和突破，有助于缓解农村劳动力短缺问题，提高农民收入，同时降低生产成本，发展智能化菠菜收割技术，有助于实现农业现代化，推动农业产业转型升级。