水芹收割机的设计与试验

Design and experiment of a watercress harvesting device

摘要

目的 针对水芹寒冷冬日涉水收割以及收割效率低的问题，设计了一款水芹自动收割机，实现了水芹免于涉水、高效、有序收割。 方法 设计了一种双螺旋浆差动推进、侧向收割、双浮体承载结构的，水芹自动收割装置，并通过试验验证了水芹收割机的机动性，分析了水芹收割有序度与割幅、行进速度、收割效率的关系。 结果 割幅与行进速度越小，水芹的有序度越高，而收割效率与割幅、行进速度成正比关系；在满足有序收割的条件下，最大收割效率约为900 m²/h，发生在割幅0.25 m，行进速度1 m/s的工况；损伤率与割幅、行进速度无关。 结论 设计的水芹收割机能够实现对水芹的自动收割，其收割效率为人工收割效率的19倍。

Abstract

Objective Aiming at the problem of wading water harvesting and low harvesting efficiency of watercress in cold winter，an automatic watercress harvesting machine was designed to realize efficient and orderly harvesting of watercress without wading. Method An automatic watercress harvesting machine with double floating platform，differential drive with double helix pulp and lateral harvesting structure was designed.The maneuverability of the watercress harvesting machine was verified by experiments，and the relationship between the orderly degree of watercress harvesting and cutting width，moving speed and harvesting efficiency was analyzed. Result The order degree of watercress was higher when the cutting width and moving speed were smaller，and the harvesting efficiency was directly proportional to the cutting width and moving speed.Under the condition of orderly harvesting，the maximum harvesting efficiency was about 900 m²/h，which occurred at the cutting width of 0.25 m and the traveling speed of 1 m/s.The damage rate is independent of the cutting width and speed. Conclusion The designed watercress harvester can realize automatic harvesting of watercress，and its harvesting efficiency is 19 times that of manual harvesting.

Graphical abstract

关键词

水芹收获 / 切割装置 / 有序收割 / 收割效率

Key words

watercress harvest / cutting apparatus / order harvesting / harvesting efficiency

水芹作为一种堵冬蔬菜，茬亩产3 000~4 000 kg左右，亩产效益3万元以上，是农民收入的主要来源之一，并已成为地方政府帮助农户脱贫致富的重要手段。国水芹种植面积超过1.7万hm²，主要分布在江苏、江西、安徽、浙江、广东、云南和贵州等地。目前，我国缺乏水芹机械收获设备的研究，水芹仍需靠人工采收。一方面，随着农村劳动力人口不断进入服务业，工业、建筑等行业，水芹生产收获所需的青壮劳动力紧缺，人力成本不断增加；另一方面，受水芹种植的地理与气候环境限制，农民需穿戴防水保温服在寒冬腊月气温接近冰点的环境下，进入水深约90 cm、淤泥深约20 cm的芹池采收水芹。现场调研情况表明，厚重的防水保温服在一定程度上限制了农民的活动范围及采收速度，致使人均采收效率仅为467 m²/d；同时，长时间作业后，寒气侵入农民身体，损害其健康。由此可见，人工收割水芹不仅对农民不友好，更不利于水芹产业的大规模推广。因此研制一种免涉水水芹收割装置对水芹产业和种植户具有重要意义。

目前，对农作物机械采收装置的研究可大致分为：陆生植物机械和水生植物机械。陆生植物机械比较典型的有水稻收割^［1］、小麦联合收割机^［2］、韭菜收割机^［3］、油菜收割机^［4］、甘蔗收割机^［5］等；水生植物机械主要有水生割草机^［6］、芦苇收割机^［7］。陆生植物机械割台通常设计有分禾、扶禾和拨禾机构^［8］，以辅助农作物顺利切割，采用高地隙轮或履带^［9］行进，利用手扶^［10］、自走式^［11］、遥控^［12］和自动导航^［13-15］等方式进行控制。这类收割装置水下作业会引起涡流，导致水芹喂入困难，且由于水芹茎长、质量大，会对收割设备产生较大阻力，因而不适用于水芹收割机械。针对水芹收割，南京蔬菜科学技术研究所申请了一种水芹切割设备工具^［16］，但仍无法解决农民冬日下水收割问题。

为获得一种免于涉水收割的水芹自动收割机，本文对收割机总体结构进行设计，研究收割机的切割方式、推进方式，并对收割机进行水芹收割试验，分析不同工况下水芹的收割效率和有序度，最终获得一款收割有序、损伤率低、收获效率高、无人涉水的水芹自动收割机，最终减轻农民的劳动强度，提高水芹收益。

1 水芹收割机的设计

1.1 收割机的总体结构设计

根据水芹收割原理，水芹收割机的总体结构包括：行进装置和切割装置。根据切割装置与行进装置相对位置的不同，分为正向切割方式和侧向切割方式，传统的农作物切割方式主要采用正向切割的方式，即割刀位于行进装置的正前方，但由于水芹植株高、柔软且栽培密度大、处于深水栽培等特点，若采用正向切割方式，导致收割后的水芹倒伏于行进装置的前方，既影响了行进装置的前进，又会由于推进装置的干扰导致水芹收割无序、受损严重等问题。

为减小动力装置的设计要求、减小水芹的损伤率，水芹采收方式采用侧向收割方式，即将切割装置设计在行进装置的侧面，其原理图如图1所示。由于该结构可实现将割刀位于水芹种植区中，在收割过程中只有割刀与水芹接触，很大程度上减小了收割机对推进装置的设计要求，节省能源，提高续航能力。

根据水芹侧向收割方案，水芹收割机总体结构如图2所示，主要包括：承载平台、切割装置、切割高度调节装置、电源、控制箱和推进装置。承载平台的作用主要用于承载，为装置提供稳定的浮力；切割装置用于切割水芹；切割高度调节装置用于调整割刀的切割高度；电池为整个机构提供能源；控制箱获取收割装置的行进参数与获取装置的方位等信息，控制推进装置运动参数与切割装置启停。

在水芹收割过程中收割机须满足方便转场、承载稳定和便于维护的要求，承载平台设计为轻质双浮体模块结构，便于安装与转场，浮体主体结构为充气气囊与支架。

为实现免于涉水收割，承载平台需要满足自动驱动行进，水面移动平台的驱动方式可分为3种：过驱动^［17］，全驱动^［18］，欠驱动^［19-20］。其中过驱动的驱动器数量多于自由度数量；全驱动方式驱动器数量等于自由度数量；欠驱动方式的驱动器数量小于自由度数。水面自主移动平台有3个自由度数量分别是行进方向直线运动、垂直行进方向移动和航向控制，欠驱动系统可以较少的驱动器来完成复杂的控制任务，不仅使控制系统结构简化，成本降低，双螺旋桨推进器的欠驱动推进方式。

1.2 承载平台的设计

根据估算承载平台质量约106.50 kg，为便于人操作底盘需要能够承载单人质量量约68 kg，为保证设备高出水面防止浸水，设置浮力为2倍负载，则浮子提供的浮力表示为：

F=\rho gV=\mathrm{1}\times {\mathrm{10}}^{\mathrm{3}}\times \mathrm{9.8}\times \frac{\pi }{\mathrm{4}}{D}^{\mathrm{2}}\times L=mg（1）

根据上式配置气囊的几种尺寸如表1所示。

承载平台尺寸越小，底盘不稳定，容易产生倾覆，操作不便，尺寸大导致携带不方便，综合以上两方面考虑，因此浮子的尺寸选为长度为2 500 mm，直径为300 mm，充气压力最大为0.24 bar气囊。

1.3 切割装置的设计

农作物的切割方式主要有：往复式动静刀切割和旋转刀盘切割，旋转刀盘结构简单，但由于其割幅受刀盘直径的限制，无法实现单刀盘条件下的大范围割幅调整；因此采用动静刀切割方式。切割刀具采用动静刀结构，驱动装置选用无刷电机，因此需要将旋转运动转化为割刀的直线运动，传动机构设计为曲柄滑块机构，动刀片安装滑块上，割刀电机通过传动杆带动轮盘结构曲柄与连杆带动动刀片水平往复移动，静刀片与框架固定，动、静刀片之间产生切割作用力，割刀切割原理图如图3所示。

为设计割刀与切割力大小对割刀进行运动学分析，简化的运动学模型如图4所示。

根据文献^［21］，水草的切割阻力为270 N，流体阻力为7 N，摩擦力1.5 N，惯性力0.8 N，则驱动功率P为：

P=Fv=\mathrm{196}\mathrm{W}（2）

式中：F为驱动装置提供割刀的推力，v为割刀的切割速度。一级减速齿轮的传动比取0.97，则所需的驱动功率约为202 W，安全系数取1.5，电机功率为303 W，选取350 W的驱动电机。以割草机切割5 次/s计算，曲柄每转1圈，割刀切割2次，则割刀驱动转速为150 r/min，为使割刀具有较大的调速范围，驱动转速设计为300 r/min，选取驱动电机转速2 970 r/min，减速比为9∶1，则实际驱动转速为330 r/min。

根据割刀原理图5分析可得，位移矢量方程可表示为：

R_{\mathrm{2}}+R_{\mathrm{3}}=R_{\mathrm{1}}（3）

分解到转化为X、Y方向可得：

\left\{\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_{\mathrm{1}}+r_{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{\mathrm{2}}=r_{\mathrm{3}}\\ r_{\mathrm{1}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{\mathrm{1}}+r_{\mathrm{2}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }_{\mathrm{2}}=\mathrm{0}\end{array}\right.（4）

式中：r_i （i=1，2，3）为各矢量的模，θ_i （i=1，2）为各矢量与X轴夹角。

动刀片的行程为2r₁，为实现完全切割刀片的行程设为齿宽宽度35 mm，则r₁=17.5 mm，连杆长度r₂设计为94.5 mm。

根据以上设计，切割装置的计参数如表2所示。

由于芹塘水深及芹生长高度的不同，水芹切割深度要求不同，设计具有自锁功能的丝杆升降机构，将割刀与滑块固连，通过手柄转动可无极地调整切割高度（图5），可调高度范围为±150 mm。

根据制作的割刀总体质量为13.60 kg，为防止承载平台倾斜，在割刀一侧设计浮子抵消割刀重力的影响，浮子的尺寸为210 mm✕400 mm，提供的浮力约138 N。

1.4 推进装置的选用

推进系统设计主要是在考虑航行阻力和航速的条件下选择推进电机的功率。理论计算螺旋桨的轴推进功率和航速的近似关系式可表示为：

P_{\mathrm{T}}=f_{\mathrm{阻}}v=(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\rho C_{\mathrm{R}}S{v}^{\mathrm{2}}+f_{\mathrm{芹阻}})v（5）

式中：P_T为电机的轴功率；f_芹阻为水体与水芹对收割机行进的阻力；ρ为芹塘水的密度，ρ=1 000 kg/m³；S为机体横剖面面积，包括承载浮子的截面积和割刀浮子的截面积；C_R为阻力系数，由于收割机气囊由支架支撑，表面有较多的突出体，参考相关文献确定C_R=0.75^［12］；υ为行进速度，设计为2 m/s。当满载时，气囊浸入水下半径深度，则双浮体浸入水下横截面积S为：

S=\frac{\pi }{\mathrm{4}}{D_{\mathrm{1}}}^{\mathrm{2}}+L{D}_{\mathrm{2}}=\frac{\pi }{\mathrm{4}}\times \mathrm{0}.{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}}+\mathrm{0.21}\times \mathrm{0.4}=\mathrm{0.15}{\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}（6）

式中：D₁为气囊直径，L为割刀浮子的高度，D₂为浮子的直径。当割刀切割速度足够快，收割机行进过程中，水芹完全切割，其对割刀的阻力可忽略不计，将S、v代入式（5）得，P_T=462 W，其安全系数为1.8，在双螺旋桨驱动下，单电机的最小功率450 W，电机类型选用直流无刷电机，供电电源为12 V，100 Ah的铅蓄电池。

1.5 控制系统的设计

控制系统包括电源与控制器，电源一共由4组电压为12 V、容量100 Ah的铅蓄电池组成。2组电池分别为左、右推进器提供电源，2组电池组成24 V电源为割刀提供能源。控制器分为机载控制器与岸基控制器，机载控制器为STM32F427VIT6，输出两通道PWM信号分别控制左、右推进器的旋转速度，进而控制推进力，实现对水芹收割机差动控制；输出高、低电平控制控制割刀启停。机载控制系统通过RS485接口采集陀螺仪、速度传感器、RTS与惯导系统等数据，为控制系统实时提供收割机的运动参数，岸基控制系统的控制距离约4 km。

2 关键承力构件强度分析

对支架进行有限元分析，支架受到浮体提供的浮力，而浮力等于各系统的重力之和，主要作用于8个连接点，根据估算各部分设备质量之和约150 kg，假设安全系数为2，则每个作用点近似受到375 N的作用力。

将底面设为固定面，在各作用点上分别施加相应的作用力，得到结构形变量结果如图7所示。

根据图7所示的分析结果，固定框受力之后的最大位移量和最大应力均发生在支撑点处分别为0.03 mm和4.02 MPa，满足6061铝合金的强度要求和变形量设计要求。

实际工作状态下，设备上各系统的重力都作用于两固定框之间的横杆之上，这部分力主要作用于4根横杆，因此，每个横杆近似受到750 N的作用力。

将横杆两侧设为固定面，在上表面上施加相应的作用力。设定完成后，利用软件进行求解。得到结构形变量和应力结果如图8所示。

根据图8所示，横杆最大位移量为0.14 mm，最大应力发生在连接处为8.20 MPa，满足强度和变形量设计要求。

3 试验分析

收割机各部件的制作参数如表3所示。

3.1 水芹收割机机动性试验

收割机先后进行了空载与作业环境下的行进试验，试验表明在空载的条件下，通过差动推进的方式，收割机能够保持直线（图10-A）和原地360°转向（图10-B）运动，其空载直线行进速度最大可达3 m/s

3.2 收割机水芹收割试验分析

衡量水芹收割收割机的性能主要有3个参数分别为收割效率、水芹的有序性和水芹的损伤率。为研究水芹收割机的性能，在南京六合水芹种植基地对水芹收割机进行水芹收割试验。试验环境为芹塘尺寸为30 m✕30 m，水深约90 cm，种植密度约3 cm/株（约4.5 kg/m²）。

收割机的收割效率\xi可表示为：

\zeta =\frac{S}{t}=\frac{{\int }_{\mathrm{0}}^{t}v(t)L(t)\mathrm{d}t}{t}（7）

式中：t表示收割作业时间，S为收割面积，v（t）为作业行进速度，L（t）表示割幅宽度。

为表征水芹收割有序程度，引入有序度γ定义：

\gamma =\mathrm{1}-\frac{\mathrm{2}\phi }{\pi }（8）

式中：φ为水芹浮于水面后倒伏的方向与垂直行进方向的夹角，单位（°）。根据实际方便收获情况，当切割后有序度小于20°设为有序收割，其有序度为0.78，称其为有序阈值。

水芹损伤率η：在收割过程中，被折断水芹数量与收割水芹总数量的比值，可表示为：

\eta (\mathrm{\%})=\frac{n_{\mathrm{损}}}{n}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（9）

式中：n_损表示被折断水芹的数量。

为研究水芹收割有序度与割幅、行进速度、收割效率之间的关系，设计如表4所示试验方案，每种方案收割距离为3 m。试验结果曲线如图12所示。

根据图12-A可以看出：水芹切割最大有序度发生在0.5 m/s，割幅0.10 m工况下，其值为0.95，在该行进速度下，割幅小于0.30 m时，均可实现对水芹的有序收割，随着行进速度的提高，能够满足有序收割的割幅越来越小，当速度为2 m/s时，最大有序度只发生在在割幅0.10 m，其有序度为0.85，小于相同割幅行进速度较小的工况。同样，由图12-B可以看出：当割幅越小，满足有序收割的最大行进速度越大，当割幅超过0.30 m，即使行进速度很小，也均无法实现对水芹的有序收割，这主要是在水芹上浮过程中，沿垂直于行进方向上，水芹会产生较大的堆叠作用力，导致水芹有序度大幅降低。导致以上水芹收割有序度下降主要是有两方面原因：① 当行进速度与割幅增加，单位时间割刀切割水芹的数量增加，导致水芹对割刀产生较大的阻力；② 当速度增加时，割刀对水芹切割的充分程度降低，导致水芹对割刀阻力增加。由图12-C可以看出：能够保证水芹有序收割的最大收割效率发生在行进速度为1.0 m/s，割幅为0.25 m方案下，其收割效率约为900 m²/h。

试验过程中发现：当收割机的收割过程中改变其割幅、行进速度，水芹的损伤率都几乎为0%，这主要是因为收割机采用侧向收割方式，在收割过程水芹只有割刀与水芹接触，收割机不会对水芹产生其它作用力，且由于水芹依靠水浮力自由上浮，相互不产生堆叠挤压作用。

根据试验测试结果，设计的水芹收割样机的技术参数如表4所示。

4 结论

1） 设计了一款质量为106.50 kg、总体尺寸为2 500 mm（长）✕1 400 mm（宽）✕700 mm（高）、侧向收割的双浮体结构水芹自动收割机，该收割机通过岸基控制系统的作用下实现双螺旋桨差动驱动，具有很好的机动性。

2） 根据试验分析水芹收割机最大收割效率发生在割幅0.25 m，作行进速度为1 m/s的工况下，其值约为900 m²/h，是人工收割效率的19倍。

参考文献

[1] 胡智清.微型水稻收割机设计与关键部件研究［D］.长沙：中南林业科技大学，2013.

[2] 王风燕，方华丽，刘志刚，等.基于PID可编程控制器的小麦收割机机械式自动变速箱档位控制设计研究［J］.中国农机化学报，2015，36（6）：36-39.

[3] 荀桂森，王家胜，张建新.成熟收割期韭菜几何及力学特性试验［J］.农业工程，2020，10（6）：94-97.

[4] 方达兴，王晓敏.油菜联合收割机割台模态分析及试验优化［J］.甘肃农业大学学报，2019，54（5）：232-240.

[5] 刘恩辰，葛动元，罗信武.小型整杆式甘蔗收割机改进设计与分析［J］.中国农机化学报，2018，39 （4）：14-20.

[6] 徐杨.两栖水草收割船切割-输送-喂入系统设计与试验研究［D］.镇江：江苏大学，2019.

[7] 季彬彬，李耀明，徐立章，等.芦苇收割技术与装备［J］.农业工程，2021，11（6）：11-16.

[8] 马少腾，张学军，朱兴亮，等.油葵联合收获机脱粒装置的设计［J］.甘肃农业大学学报，2021，56（3）：176-181.

[9] 李小敏，谌文，张日红，等.基于机器视觉的果园林下割草机器人研究［J］.机电工程技术，2021，50 （10）：117-120.

[10] 黄琳，周勇，张国忠，等.手扶水力冲刷式挖藕机设计与试验［J］.华中农业大学学报，2021，40（5）：207-216.

[11] 李锋霞，张佳，黄勇，等.履带自走式莲藕收获机的结构设计［J］.南方农机，2022，53（4）：1-4.

[12] 肖长诗，陈华龙，文元桥，等.一种水上搜救机器人系统的设计与实现［J］.船舶工程，2020，42（11）：106-113.

[13] Kim T， Choi J， Lee Y，et al.Development of a multi-purpose unmanned aurface vehicle and simulation comparison of path tracking methods［C］∥13th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence （URAI），2016.

[14] Gao F D， Han Y Y， Wang H D，et al.Analysis and innovation of key technologies for autonomous underwater vehicles［J］.Cent South Univ，2015，22（9）：3347-3357.

[15] Kolar A， Romain O， Ayoub J，et al.Prototype of video endoscopic capsule with 3-D imaging capabilities［J］.IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2010，4（4）：239-249.

[16] 周晓平，顾国祥，陈永生，等.一种水芹收割机：CN212413861U［P］.2021-01-29.

[17] Nad， Miskovic N， Mandic F.Navigation，guidance and control of an overactuated marine surface vehicle［J］.Annual Reviews in Control，2015，40：172-181.

[18] Breivik M.Topics in guided motion control of marine vehicles［D］.Norwegian University of Science and Technology，2010.

[19] Miskovic Nikola， Vuki´c Zoran.Fast in-field identification of unmanned marine vehicles［J］.Journal of Field Robotics，2011，28（1）：101-120.

[20] R.Sonnenburg Christian， A.Woolsey Craig.Modeling，identification，and control of an unmanned surface vehicle［J］.Journal of Field Robotics，2013，30（3）：371-398.

[21] 王向春.小型水草收割机设计［D］.上海：上海海洋大学，2014.

基金资助

基于互联网 “订单式”水芹智能收获装备研发(NJ2020-34)

江苏省高等教育改立项研究课题重点课题(2019JSJG118)

南京工业职业技术大学人才引进科研项目(YK19-01-01)