刮刷式加工番茄采摘裝置試驗研究

李 陽，王吉奎，段文獻，羅 威

（石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003）

1 引言

目前我國加工番茄的種植面積已超過7.5萬hm2，番茄收獲的工作量大，原料質(zhì)量要求高，是番茄加工產(chǎn)業(yè)鏈中一個重要環(huán)節(jié)[1-3]。加工番茄有人工采摘和機械收獲兩種方法，目前我國仍以人工采摘為主，人工采摘可以實現(xiàn)成熟番茄在過熟前及時采摘，保證果實質(zhì)量，但人工采摘效率低，勞動量大，經(jīng)濟效益低[4]。國內(nèi)外現(xiàn)有的番茄收獲機都是一次性收獲機械，其工作原理是先用收割裝置將番茄秧收割下來，然后經(jīng)分離裝置分離出番茄果實，再經(jīng)色選裝置篩選出成熟番茄并輸送至運輸車，未成熟的番茄則被丟棄在田間，機械收獲效率高，成本低，但現(xiàn)有采收機械均不能實現(xiàn)已熟番茄的及時采收，番茄浪費大，過熟果實比率高，原料質(zhì)量降低[5-8]。研發(fā)一種能分批次收獲、效率高和番茄收獲質(zhì)量有保證的加工番茄收獲機已成為各國競相研究的目標[9]。在借鑒當前番茄收獲機械諸多優(yōu)點的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種刮刷式加工番茄分批次采摘裝置。通過采摘試驗得到采摘板轉(zhuǎn)速和裝置行進速度對采摘性能指標的影響。結(jié)果表明，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好和工作效率高的優(yōu)點。

2 采摘裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 采摘裝置

刮刷式加工番茄分批次采摘裝置主要由殼體、傳動系統(tǒng)、前側(cè)采摘鏈、后側(cè)采摘鏈、前側(cè)小鏈輪、后側(cè)小鏈輪、采摘板、挑秧輪和輸送鉸龍等部分組成，如圖1所示。

2.2 工作原理

工作時，采摘裝置順著番茄秧行作業(yè)，裝置前側(cè)的挑秧輪將番茄秧挑起并依次進入結(jié)構(gòu)完全相同且對稱的采摘輸送機構(gòu)之間，傳動系統(tǒng)帶動輸送鉸龍轉(zhuǎn)動，輸送鉸龍傳遞的動力經(jīng)鉸龍鏈輪帶動前側(cè)采摘鏈和前側(cè)小鏈輪轉(zhuǎn)動，前側(cè)小鏈輪帶動后側(cè)小鏈輪轉(zhuǎn)動，后側(cè)小鏈輪帶動后側(cè)采摘鏈繞滾輪轉(zhuǎn)動，采摘板鉚接在前側(cè)采摘鏈和后側(cè)采摘鏈上并隨其轉(zhuǎn)動；番茄果實接觸采摘板時在采摘板刮刷力的作用下實現(xiàn)果柄分離，摘落后的果實經(jīng)輸送蛟龍輸出，完成番茄果實的刮刷采摘，而番茄秧上端未成熟的果實留在秧苗上繼續(xù)生長，等待下次采摘，實現(xiàn)加工番茄的分批次采摘。

圖1 刮刷式分批次采摘裝置示意圖Fig.1 Structural Diagram of Scraping and Picking in Batches Device

3 試驗儀器與方法

3.1 試驗材料

選擇新疆廣泛種植的加工番茄品種屯河8號為試驗材料，試驗所用的儀器設(shè)備為電子式拉力試驗機，數(shù)顯式電子天平，數(shù)顯式游標卡尺。采摘試驗在刮刷式采摘試驗臺上進行，如圖2所示。測量試驗樣本的外形特征和果柄分離力的大小，如表1所示。

圖2 刮刷式采摘試驗臺Fig.2 Picking Test Stand of Scrape

表1 加工番茄物料特性測量Tab.1 Material Property Measurement of the Processing Tomato

3.2 試驗方法

表2 單因素試驗水平表Tab.2 Level Table for Single Factor Experiment

試驗引入兩個影響因素進行單因素試驗[10]，選擇采摘板轉(zhuǎn)速和裝置行進速度為兩個單因素試驗因子，通過試驗分別得到采摘板轉(zhuǎn)速x1和裝置行進速度x2對試驗指標果柄分離率y1、青果率y2（黃熟果實和綠熟果實所占百分比）和果實破損率y3的影響。每個因素取6組數(shù)值，每組試驗重復(fù)進行3次，每次試驗10棵番茄植株，各項試驗數(shù)據(jù)取平均值，試驗水平表，如表2所示。

表中：x1—采摘板轉(zhuǎn)速；x2—裝置行進速度。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 試驗結(jié)果

采摘試驗方案與結(jié)果，如表3所示。

表3 試驗方案及結(jié)果Tab.3 Plan and Results of the Experiments

4.2 單因素試驗結(jié)果分析

4.2.1 回歸分析與檢驗

用SAS9.2統(tǒng)計分析軟件對試驗結(jié)果進行方差分析，采摘板轉(zhuǎn)速x1因素下果柄分離率y1、青果率y2和果實破損率y3的回歸模型方差分析，如表4所示；裝置行進速度x2因素下果柄分離率y1、青果率y2和果實破損率y3的回歸模型方差分析，如表5所示。

表4 試驗指標的方差分析Tab.4 Variance Analysis on Experiment Index

表5 試驗指標的方差分析Tab.5 Variance Analysis on Experiment Index

分別得到果柄分離率、青果率和果實破損率與采摘板轉(zhuǎn)速和裝置行進速度的回歸方程。

式中：式（1）～式（3）—采摘板轉(zhuǎn)速與果柄分離率、青果率和果實破損率關(guān)系的回歸方程；式（4）～式（6）—裝置行進速度與果柄分離率、青果率和果實破損率關(guān)系的回歸方程；經(jīng)顯著性檢驗，曲線方程的回歸系數(shù)顯著性水平小于0.05，表明曲線回歸模型有意義。

4.2.2 單因素影響分析

用繪圖軟件Origin9.1繪制式（1）～式（6）的單因素對試驗指標的回歸模型曲線，如圖3所示。

圖3 單因素對試驗指標的影響曲線Fig.3 Influence Curves of Single Factor on Experiment Index

根據(jù)圖3（a），果柄分離率的大小隨采摘板轉(zhuǎn)速的增大先增大后減小，在采摘板轉(zhuǎn)速為24r·min-1時分離率達到最大。當采摘板轉(zhuǎn)速增大，采摘板刮刷番茄果實脫落的同時振動番茄秧，增加果柄分離率；采摘板轉(zhuǎn)速過大時，發(fā)生纏繞番茄秧的現(xiàn)象，番茄果柄被折斷，果柄不易分離降低果柄分離率。

根據(jù)圖3（b），青果率的大小隨采摘板轉(zhuǎn)速的增大而增大，當采摘板轉(zhuǎn)速增大，裝置振動增大同時部分番茄秧纏繞裝置，使部分未成熟果實脫落，但青果率最大值小于2.00%，低于行業(yè)標準值。

根據(jù)圖3（c），果實破損率的大小隨采摘板轉(zhuǎn)速的增大而增大，當采摘板轉(zhuǎn)速增大，果實短時間內(nèi)被摘落，相互擠壓碰撞嚴重，同時裝置的振動增加了裝置對果實的擠壓力，導(dǎo)致果實破損。根據(jù)圖3（d），果柄分離率的大小隨裝置行進速度的增大而減小，原因是裝置行進速度增大時，部分番茄秧沒有被挑秧輪挑起，同時番茄植株部分果實被番茄秧遮蓋，無法采摘，但采摘裝置行進速度達到2.60km·h-1時果柄分離率仍保持在96.50%以上，表現(xiàn)為很高的分離率。根據(jù)圖3（e），青果率的大小隨裝置行進速度的增大而增大，當裝置行走速度增大，裝置振動增大同時部分番茄秧纏繞裝置，使部分未成熟果實脫落，但青果率最大值＜2.00%，低于行業(yè)標準值。根據(jù)圖3（f），果實破損率的大小隨裝置行進速度的增大而增大，裝置行進方向與采摘板轉(zhuǎn)速方向成90°角，當裝置行進速度增大，采摘裝置對果實表面的剪切力增大；同時部分番茄秧纏繞在裝置上，果實與果實之間、果實與裝置之間發(fā)生擠壓碰撞，導(dǎo)致果實破損。

5 結(jié)論

（1）設(shè)計了一種刮刷式加工番茄分批次采摘裝置，實現(xiàn)了加工番茄的及時、分批次機械化采摘。（2）試驗表明：隨著采摘板轉(zhuǎn)速增大，果柄分離率數(shù)值先升高后降低，而青果率和果實破損率則是一直增大；隨著裝置行進速度增大，果柄分離率數(shù)值逐漸降低，而青果率和果實破損率則是一直增大；當采摘板轉(zhuǎn)速為24r·min-1，裝置行進速度為2.20km·h-1時，采摘效果最好。（3）由試驗結(jié)果可知，裝置的結(jié)構(gòu)尺寸和工作參數(shù)與作業(yè)環(huán)境還存在一定的不協(xié)調(diào)性，需要在以后的設(shè)計中加以優(yōu)化改進。

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