大蒜收获机的优化设计

大蒜收获机的优化设计,大蒜,收获,优化,设计 毕业设计（论文） 外文翻译 大蒜的机械化收获之回顾 宋建军，硕士 中国，北京市，中国农业大学，邮编：100083，邮箱：songjn@cau.edu.cn 刘建军 中国，北京市，中国农业大学，邮编：100083，邮箱：ljj9751@126.com 为2004年北京国际农业工程委员会（CIGR）国际会议撰稿，该会议由国际农业工程委员会、加拿大航空医学会（CSAM）和加拿大农业工程学会（CSAE）联合赞助。 中国北京 2004年10月11日至14日 摘要 大蒜是中国的主要经济作物之一。最近几年大蒜产业发展迅猛。国内生产的大蒜在国际上占有一席之地。本文介绍的是海内外大蒜的基本情况，并分析了国内大蒜产业的问题。本文通过分析一些机械收获设备的功能，与一些花生和块茎类作物的生物特性及机械化收获方法，提出了可行的大蒜机械化收获工艺。 关键词：大蒜；机械化收获；讨论；分析 简介 大蒜的种植可追溯到中国2000年前的历史，其蒜头和蒜苗都是有益健康的蔬菜，所以广受消费者青睐。中国的可持续发展也离不开大蒜。随着党的一号文件的执行，“农村，农业，农民”三农问题亟待解决，并被推上了战略的高度。约一千万的农民在大蒜种植及附属产业中工作，进一步推动了国家复兴，维护了社会稳定，繁荣了主要大蒜生产区的经济，增加了农民收入。 1. 国内及国际大蒜种植的基本情况 据联合国粮食与农业组织（FAO）调查，世界范围的大蒜种植面积达1135000平方公顷，产量达12234000吨。在中国，种植面积为630000平方公顷，占全球的56%，产量为8694000，占全球的71%。另外还有一些主要的大蒜种植国家，例如：印度，种植面积为120000平方公顷，产量为500000吨；朝鲜种植面积为37000平方公顷，产量为406000吨；其次是美国，种植面积为18000平方公顷，产量为336800吨。在美国，大蒜的种植面积是20年前的4倍，并且增长趋势日益明显。 中国的最早种植区在山东、江苏、陕西、山西、新疆以及河南省。目前国内70%的种植区在这些地方。位于山东省西南方的金乡县，地处平原，是中国最大的大蒜种植县。其种植面积大约为40000平方公顷，农民70%的收入来源于大蒜产业。成武县、巨野县、定陶县、单县、嘉祥县、鱼台县和微山县，环绕着金乡县，形成了中国最大的大蒜种植区，面积达70000平方公顷。另外，还有中等水平的种植区位于苍山县、莱芜市、商河县、广饶县、平度市、聊城市、曲阜市等。山东的总种植面积达6700平方公顷。河南省豫东平原杞县拥有30000平方公顷的种植区，仅次于金乡县。中牟县的种植面积为20000平方公顷。宜阳县、通许县、临颍县等地的农民也种植大蒜。河南省是中国第二大大蒜种植区。[1] 江苏省的种植面积为25000平方公顷，其中射阳县超过12000平方公顷，大丰县为8000平方公顷。另外泰昌市、宝应县也有种植区。以下的城市也有部分种植区：河北永年县，安徽亳州、怀远县、来安县，陕西武功县、兴平市、耀县、洋县，广西桂林全州，云南大理，四川温江，湖北枝江、当阳，上海嘉定区，甘肃天水、民乐县，哈尔滨阿城区。 大蒜是传统的出口农产品，每年的出口量超过2亿美元，居所有出口蔬果产品第一，覆盖60%的国际市场份额。2001年，超过100个人国家和地区从中国进口大蒜。其中，印尼是最大的进口国。其进口量从1999年开始激增，从2001年163600吨到现在已经是376000吨。荷兰是第二大进口国，曾在2001年进口51600吨。其中一部分在国内销售，大多数转运到其他欧洲国家。其他的进口国包括：马来西亚，进口150700吨；日本35100吨；朝鲜30000吨；阿拉伯联合酋长国21000吨；菲律宾17500吨。美国在2001年前很少向中国进口大蒜，当年进口了5000吨，从2003年看出进口量上升趋势迅猛。 1.1目前中国存在的主要问题 1.机械化操作程度低。在大蒜的种植、田间管理、收获和加工过程中，几乎没有机械运作，基本全由手工完成，因此劳动力紧张，产量低下。这些因素都制约着大蒜产量的提升。 2.长期以来，由于无序的竞争和走私，企业依靠降价来赢得消费者，结果就是价格一年不如一年。比如2001年，中国大蒜在国际市场上是0.38美元/千克，而平均国际市场价格是0.58美元/千克。这样的低价使得美国、加拿大、朝鲜、墨西哥、巴西等国抵制中国的大蒜并征收高额的税款，欧洲的国家实行定额限制。 3.科学研究的投入资金不足，因此缺乏高附加值的产品。目前，大蒜的加工让停留在简单的工作上，如腌制、切片和晒干，附加值极其低。进一步加工的产品比例较低。大蒜油的生产还不成规模。科学研究的投入不够，新产品的研发也无力。[2] 4.产品商标意识低，使产品在国际市场上的竞争力不足。大蒜基本要通过二次出口才能进入国外市场，即外国客户用小包装再次打包并出口。[3]  2. 国外大蒜种植的最新进展 国外的种植面积远远不及国内。研究主要针对以下方面。 1. 对新品种的大蒜进行选种育种。目前，世界范围内有种类繁多的大蒜育种研究主要针对高质量、特殊口味、防攀缘植物、防虫这几个方面。新的育种方式在传统的育种方式上引进了高新科技。据报道，并未产生难闻气味的大蒜种类。[4] 2. 大蒜的标准化育种生产。大蒜产品开始专门化、标准化和精细化。发达国家开始实行大蒜的专业化生产。标准流程是这样的：用茎培育出基本种子，在寒冷的区域加速它的繁殖，在产品的病毒检测中形成严格的规程，建立优质大蒜品种系统。收获的大蒜会经过清洗、分类、打包和存储。[5] 3. 大蒜的防毒技术。大蒜的病虫害是减产的主要原因，因此造成的损失从30%上升到50%。我们把防止和治愈病毒的有效技术应用于组织培育、病毒检查、无毒生产。[6] 4. 大蒜的培育管理机械化。每个地区有各自的播种、收获、储存晒干方法。大多数国家开始研究大面积的覆膜技术、可行的种植技术、均匀的施肥技术以及灌溉管理技术等。许多国家正在研究播种时令、播种密度、品种数量、肥料种类、肥料数量、喷雾灌溉、滴灌技术，提出了管理条例、施肥量、灌溉指标。  3. 国内国外大蒜收获地位的发展 收获是种植的最重要一环，也是目标实现机械化的地方。这一工作直接影响商业价值和农民收入。传统的方法是用特制的挖掘铲将大蒜从土里挖出，按田的走向铺放，后收获的大蒜叶覆盖之前收获的大蒜头，避免阳光灼射。在田间工作5天后，农民将蒜头的泥土抖落，打捆，铺在架子上，用草覆盖避免阳光直射。另外，人们常用塑料棚来防雨。机械化程度非常低，人力投入极其大，允许的作业时间非常短。由于收获季时间段，最好的收获时间大约2天。紧张的收获时间给农民带来了很大的不便；人们时常错过了好时机，因此不得不延迟收获。这与大规模种植的矛盾日益尖锐。 3.1国外大蒜收获的发展 莱玻里（Lepori）曾用风扇来吹洋葱，剪除洋葱叶。相比于大蒜，蒜头比茎秆大得多。如果采用这种方法，风扇可能把大蒜从田里整个卷起。，所以不适于大蒜收获。[7]伯克哈特（Burkhardt）曾研究带藤蔓的甘薯的收获，用一个振动机构将块茎从藤蔓上分离出来。用到大蒜上来却不能去除茎秆。[8]达冈（Dagan）的研究是将甘薯地犁松，夹紧运送至上方的振动链条，块茎就掉落到下方的链条上。茎秆就运送至切碎机构。由于这种方法采用了夹紧装置，如果夹紧大蒜，其茎秆就会弯折，切碎就会很不方便且不均匀。[9]卡纳福吉斯卡将甜菜地犁松，用链平衡装置调整夹紧位置，用旋转刀具切碎叶片。我们可以参考运输速度和行进速度来设计大蒜收获机。无疑，它将在切碎装置上耗费大量能源。 总之，现存的收获机不能直接用于收获大蒜。大蒜收获机必须重新设计。 3.2国内大蒜收获的发展 在国内，大蒜收获机大约有10项发明和专利。以其中的主要几个为例，列如下： 1.4DS-2型收获机由山东农业大学发明，由12马力的轮式拖拉机驱动。[11]工作过程中，大链轮通过张紧轮驱动小链轮旋转，以此来传递动力。同时，小链轮通过锥齿轮使抛掷轮转动。启动后，挖掘铲一预先设置好的深度将蒜头从土里挖出，旋转抛掷轮将大蒜从土里分离出来，把蒜头抛向机器右方。限深轮的作用是调整挖掘深度。 2.4DS-75A型由山东省农业机械局制造，由11kw的拖拉机驱动。[12]该机器不仅能用于大蒜的收获，还能用于花生、土豆的收获。全车由四部分组成。挖掘部分装在前部，由限深轮、挖掘铲、网格输送装置组成。水平运输部分用网格将土里的大蒜筛选出来。垂直运输带在运输过程中使大蒜与地面脱离，并把大蒜运到拖拉机后面。升降部分采用液压系统，负责整个机器的起落。 3.山东农业工程学院正在研究收获和培育机器。它与12马力的拖拉机配套使用。它的前部就像个小型协同工作的机器它安装在拖拉机的缓冲器上，依靠液压控制升降。收获的大蒜在前方整齐排列，以避免与拖拉机碰擦产生磨损。 4.张昭君发明了一种收获大蒜的机器，需12马力的轮式拖拉机配合使用。[13]安装在前方的挖掘装置将大蒜从土里挖出。挖掘装置是由冷轧钢表面镀铬制成。随着拖拉机缓慢运转，铲子不断从指定深度将大蒜掘起。混合物进入运输带。运输部分由4个链轮以及链条构成。它的线速度远大于行进速度。相互啮合的齿轮带着链条深入泥土里大蒜的两侧，抖掉尘土。然后振动筛开始振动分离。之后我们就得到了干净的大蒜。 5.钟奋JH-3型大蒜收获机由河南省农业机械局研制，其配备有小功率的拖拉机。[14]大蒜由犁刨出，用带状装置夹紧，抖土，切茎，留下完整的大蒜头。 3.3块茎类作物与块根类作物特性的对比 人们常用块根类和块茎类作物的收获机来收获大蒜，比如收获土豆、甘薯、胡萝卜等的机器。但从生物特性来看，它们是不同的。 土豆是一年生草本植物，隶属于茄科，生长在中国的大部分地区，是一种重要的食品、工业材料、饲料，茎秆直立，约有80cm高。它的叶子是绿色的，且复叶较大。它的块根分布集中，有圆形，椭圆形、纵向等几种。[15]收获土豆大多采用挖掘铲直接从土里把土豆挖出来，这样，利用清理部分的振动筛，得到干净的土豆。从生物特性可以看出，土豆生长得并没有大蒜集中。如果我们将大蒜和泥土一起收上来，能源大部分消耗在抖土上，无用功很多。同时，土豆茎的抗拉能力不及大蒜茎，土豆的种植方法也与大蒜不同，所以我们不能直接用这种方法收获大蒜。 1.甘薯是多年生蔓生草本块根类植物，属旋花科，遍布大江南北。它茎秆细长，在土里蔓延，有绿色的顶叶。它的果实有纺锤形、长椭圆形、掌型、片型等等。[16]对收获甘薯的研究目前已经少多了，大多采用虚拟的手段。收获过程从田边开始，农民按照块根的长度挖出沟，直至块根暴露出来，然后手握上部，用铲子切断下面的根，小心取出，避免损伤。从生物特性来看，甘薯的块根比大蒜大，种植深度比大蒜深，所以收获甘薯需要更大的动力，同时甘薯表皮的抗破坏能力更好。 2.萝卜是两年生草本蔬菜，属十字花科，由根头、根茎和真根组成。它的主根能达到地下一米左右的深度，大多数旁根散布在地下20-40cm之间。前者有狭长、圆形、圆锥形等形状。主花茎能达到1.5m高，茎节比较硬，叶片有直立、半直立以及平坦这几种状态。[17]因萝卜的种植并没有形成规模，故很少有机械化收获萝卜的研究。从生物特性来看，萝卜根是最大的，较重也更深。如果直接挖掘，消耗能量巨大，故我们采用松土和握持机构。 3.胡萝卜是两年生草本植物，属于伞形科。它的根蔓延非常广，能达地下两米，主根分布在地下20-90cm之间。茎叶有1.5米高；茎节巨大而有强度。它有绿色的叶子，但很小，表面长有细软的绒毛。果实呈长橄榄型。[18]很少人研究机械化收获胡萝卜，因为其经济价值不高。从生物特性来看，胡萝卜的果实比大蒜更深，较适合用握持的方法收获。 4.洋葱是多年生植物，属百合科，有单套结根系。它的主根分布在30cm的土壤下，水平半径约30cm，叶子笔直，长圆形，中空。收获洋葱大多采用人力，手犁，晒干，初步打捆。从生物特性来看，机械化收获洋葱还是比较简单的，因为大多数果实在地表之上，适合握持，但是必须测试握持力，以免夹伤洋葱。 5.大蒜是多年生植物，属百合科，有单套结根系，喜暖怕寒，有馥郁气味，必备的应季食品。它的根主要分布在土下20-25cm，水平半径约30cm，根须较少，吸收能力弱。上部的茎呈绿色，下部呈白色或紫色，长20cm。叶子呈针状，表面平滑，长约30cm。从生物特性可以看出，蒜头分布集中，较浅，抗拉能力强。但是值得注意的是，收获的时候伤蒜率大，直接影响了大蒜的价格、质量以及品级等。  4. 机械化收获大蒜的解决工艺 以大蒜的生物学特性为基础，结合机械化分析，我们试图找出可行的方案。 1. 我们采用松土工艺来减少夹紧力。同时，这种方法也有助于减少大蒜顶部的伤害。分析了松土部件后，我们发现了松土工艺的重要性。另外，在优化设计中，我们可以减少动力损耗，减轻蒜头与泥土之间的力，然后就可以放下可行的松土工艺。 2. 我们找出了大蒜的重心，计算出植株的惯性参数，把它作为夹持部位、夹持高度以及牵引部位的依据。通过对方差的分析，我们确定，顶部要尽量少破坏。同时，我们考虑采用可调整的方式来适用于不同种类的大蒜。 3. 通过力学分析，我们测试了大蒜的夹持力，以及握持角度，牵引角度，牵引高度。同时，必须考虑夹持设计的稳定性以及伤蒜问题。 4. 精准定位以及排列好之后，我们必须清理蒜头周围的粘土。 5. 我们能切去大蒜的茎秆，并把干净的蒜头输送回地面来为收集做准备。综合所有的工艺顺序，我们得出结论：一个可行的收获工艺，包括松土、夹持、清土、按长度排列，切除茎秆等。 来源： Jiannong Song，Jianjun Liu. Mechanized Harvest of Garlic: A Review.[A]. Collection of Extent Abstracts of 2004 CIGR International Conference Volume.2[C].2004