新型量子萝卜收割机的设计与优化

引言

农业机械化是现代农业发展的重要标志，而蔬菜采收作为农业生产链中的关键环节，其机械化水平直接影响生产效率和经济效益。萝卜作为一种常见的根茎类蔬菜，其收割作业长期以来依赖人工或传统机械方式，存在劳动强度大、采收效率低、果实损伤严重等问题。特别是在规模化种植模式下，传统收割方式已难以满足现代农业对高效、低损、智能化作业的迫切需求。随着量子信息技术的迅猛发展，其超高精度测量、超快信息处理及独特材料特性为农业装备的升级换代提供了前所未有的技术机遇。

1 新型萝卜收割机的总体设计框架

新型量子萝卜收割机的设计遵循“多功能集成、模块化设计、智能化控制”的原则，整体框架不仅关注作业效率，还重视作业质量与环境适应性。整机由履带驱动模块、作业执行模块、智能控制模块和收获后处理模块 四个部分构成。

履带驱动模块作为整机的运动基础，采用电机驱动双履带的方式，能够适应泥泞、崎岖等复杂田间环境。通过差速转向实现高机动性，同时保证设备在直线作业中的稳定性。该模块的设计还考虑了田间地表的不平整因素，因此配置了弹性悬挂系统和张紧装置，以减少机械振动对作业精度的影响。

作业执行模块是整机的核心，包括皮带式夹持收割装置、曲柄滑块提升装置以及高压气体清洗与叶片粉碎系统。皮带夹持机构可以实现三行同步作业，显著提升单位时间的收割量。曲柄滑块机构负责控制收割装置和翻土装置的升降，通过机械运动学设计保证其动作平稳、输出力矩大。高压气体喷射装置则在收割过程中实时清理萝卜表面泥土，避免因泥土附着导致储存与运输过程中的品质下降。与此同时，萝卜叶通过刀盘粉碎后被收集，既提高了资源利用率，又减少了田间废弃物的处理负担。

2 关键技术的设计与实现

2.1 履带驱动与差速转向设计

履带驱动系统是收割机实现稳定行进和灵活转向的关键。设计中采用双电机独立驱动两条履带，通过差速控制实现原地转弯与灵活绕行。考虑到田间作业的特殊性，履带采用耐磨橡胶材质并设计有深花纹，以增强抓地力和防滑性能。该系统在设计过程中重点分析了驱动力与阻力的平衡关系。通过建立受力模型，计算不同土壤湿度与密实度下的滚动阻力，并优化履带宽度与接地比压，使设备能够在软土中保持足够的牵引力而不陷车。

2.2 曲柄滑块升降机构的应用

曲柄滑块机构用于收割头和翻土装置的升降调节，其优点在于能将电机的匀速转动转化为非匀速直线运动，实现大力矩输出。通过机构运动学分析，选取合适的连杆长度和曲柄半径，以保证升降速度平稳、动作幅度合理。在制造工艺上，机构的关键部件采用高强度合金钢并进行热处理，提高耐磨性和抗疲劳强度。机构配合精度高，摩擦小，能够在长期高负荷作业中保持良好的工作性能。

2.3 高压气体清洗与叶片粉碎回收

高压气体清洗系统安装在收割通道的下方，利用定向喷嘴喷射压缩空气，将附着在萝卜表面的泥土吹离。气压值经过实验确定在 0.3--0.5MPa 之间，既能保证清洗效果，又不会损伤萝卜表皮。喷嘴角度可调，确保不同大小与形状的萝卜都能被全面清洁。与此同时，叶片粉碎装置安装在输送带末端。其刀盘由优质合金钢制成，旋转速度通过电机调节，既能保证粉碎效率，又避免过度粉碎带来的能耗浪费。粉碎后的叶片通过收集装置统一储存，可进一步加工为饲料或有机肥料，实现资源的二次利用。

2.4 光影筛选与智能控制方案

光影筛选系统由颜色传感器、光学摄像头和图像处理单元组成。该系统能够检测萝卜的外观特征，包括大小、颜色和表面完整度，并按照预设标准进行分级分类。算法部分采用基于阈值分割与边缘检测的组合方法，保证分拣的准确率。智能控制系统基于ESP32 开发板实现。ESP32 具备WiFi 和蓝牙通信功能，能够与移动终端进行数据交互，实现远程监控与参数调节。控制程序中嵌入了路径规划、速度调节和能耗优化等算法，可在复杂地块中实时调整作业策略，提高设备运行的自主性与智能化水平。

3 系统优化与性能分析

3.1 机电一体化协同优化

在系统集成过程中，全面贯彻机电一体化设计思想。机械部分采用轻量化与多行收割结构相结合，不仅降低了能耗，还突破了传统收割机单行作业的局限。电气部分通过引入基于 ESP32 的智能调度与无线通信，实现多模块的高效协同与远程监控。这种“多行收割 + 智能调度”的组合设计是本产品的一大创新亮点。

3.2 作业效率与损伤率评估

基于三维CAD 模型与田间实验，结果表明：与传统单行收割机相比，该设计的作业效率提升约 35-40% ，单位时间收割数量显著增加。创新应用的高压气体清洗技术与低损伤切割工艺，使萝卜表皮破损率降至原有的三分之一以下，内部瘀伤率大幅下降。收割同时完成清洗与保护，实现了“高效率 + 低损伤”的双重优化，显著提高收获品质。

3.3 能耗分析与经济效益

能量平衡分析显示，收割机在全负荷下的平均功率约为 4.5kW ，其中驱动系统与清洗系统能耗占比最高。通过自主研发的能量优化算法，整体能耗降低约 15% 。按每亩地收割 2000 公斤萝卜计算，设备可在两年内收回成本。特别是“收获 - 清洗 - 筛选 - 松土”一体化设计，大幅减少后续环节所需的额外机械与人工投入，使经济效益更加凸显。

3.4 推广应用价值与适应性

该收割机不仅能在平原地区大规模作业，也能适应丘陵地带的中小型地块。创新性的模块化设计支持快速改造，可适配胡萝卜、马铃薯、甜菜等根茎类作物采收，具有“一机多用”的独特优势。结合光影筛选、叶片粉碎收集和收获同时松土等创新功能，其应用前景不仅局限于单一作物，而是可推广到更广泛的现代农业场景。

4 结语

本文提出了一种新型量子萝卜收割机的整体设计方案，系统性地整合了履带驱动、曲柄滑块升降、高压气体清洗、叶片粉碎与光影筛选等关键技术，实现了从收割、清理到分类与翻土的一体化作业。研究结果表明，该收割机在效率、品质控制及能耗方面均较传统机型有显著优势。未来研究将聚焦于以下几个方向：一是进一步优化控制算法，提高路径规划与能耗调度的智能化水平；二是开展长期田间试验，收集不同土壤条件与气候环境下的作业数据，以完善设备的适应性设计；三是推动与其他智能农机的协同作业，形成覆盖播种、管理与收割的全程智能农业机械体系。该研究不仅为萝卜收割提供了可行的创新解决方案，也为推动智慧农业和现代农机装备的发展提供了有益探索。

参考文献

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[2] 刘新柱 ， 魏天路 ， 王玉花 ， 等 . 大红萝卜收获机挖掘铲的设计及力学分析[J]. 东北农业科学 ， 2020（1）：4.

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本文系2024 年广西区大学生创新创业省级训练项目课题“新型量子萝卜收割机的设计与优化”的研究成果，课题编号：S202413639057