打瓜收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀分析與展望

郭振華 ，陳換美

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子832000；2.巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

0 引言

打瓜是籽用西瓜的俗稱，屬西瓜品種，打瓜籽具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。打瓜對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求不高，能夠在貧瘠干旱的鹽堿地區(qū)生長(zhǎng)，因此被當(dāng)作經(jīng)濟(jì)作物廣泛種植于我國(guó)西北地區(qū)。新疆是我國(guó)打瓜的主要產(chǎn)區(qū)，種植面積占全國(guó)總種植面積的70%以上，北疆的阿勒泰、昌吉、塔城，南疆的焉耆盆地都有大面積的種植[1]。

但是，打瓜收獲季節(jié)也是玉米棉花等新疆主要農(nóng)作物收獲期，農(nóng)忙時(shí)期田間勞力緊張，這給打瓜及時(shí)收獲造成一定困難。打瓜富含水分和糖分，成熟后容易腐爛，不易長(zhǎng)期在田間放置。因此，對(duì)現(xiàn)有打瓜收獲機(jī)械進(jìn)行研究分析，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、適合我國(guó)打瓜種植模式的打瓜收獲機(jī)械，可以節(jié)約農(nóng)村勞動(dòng)力、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、增加農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入，對(duì)促進(jìn)打瓜產(chǎn)業(yè)全面機(jī)械化，推動(dòng)打瓜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)瓜類收獲機(jī)械的研究起步較早，上世紀(jì)六七十年代蘇聯(lián)和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家就對(duì)南瓜等瓜類收獲進(jìn)行了相關(guān)研究，所以國(guó)外瓜類撿拾機(jī)構(gòu)也主要是針對(duì)南瓜的瓜類形狀特征設(shè)計(jì)的。

圖1 英國(guó)研制南瓜收獲機(jī)械

英國(guó)研制的南瓜收獲機(jī)械如圖1，這種機(jī)械采用輸送帶撿拾的方式，輸送裝置設(shè)計(jì)在駕駛艙下方。該裝置輸送傾角較小，便于瓜果類的輸送。但此類機(jī)械在國(guó)外農(nóng)機(jī)網(wǎng)站上只查到圖片及性能介紹，相關(guān)的文獻(xiàn)較少。

奧地利研制了一種用于南瓜收獲的農(nóng)業(yè)機(jī)械—魔笛（mody）（圖2），該機(jī)具收獲效果較好在國(guó)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用。以色列研制了由大型拖拉機(jī)牽引的打瓜收獲機(jī)械，適用于大面積農(nóng)場(chǎng)，價(jià)格較昂貴。我國(guó)打瓜種植地塊相對(duì)較小，該機(jī)具不適合我國(guó)國(guó)情。

圖2 奧地利研制的南瓜籽收獲機(jī)械（魔笛）

此外，日本、美國(guó)等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家也對(duì)瓜類收獲進(jìn)行了研究。日本機(jī)器人采摘技術(shù)走在世界前列，機(jī)械手采摘是一項(xiàng)集圖像處理、視覺(jué)識(shí)別、分析定位等技術(shù)的高端科技，適用于設(shè)施農(nóng)業(yè)。打瓜的種植模式比較粗放，不適合使用機(jī)械手采摘技術(shù)。

受種植區(qū)域限制的影響，國(guó)外對(duì)打瓜收獲機(jī)械的研究比較少，因此鮮有相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

打瓜是我國(guó)新疆地區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)作物，新疆是我國(guó)打瓜的主要產(chǎn)區(qū)，種植面積占全國(guó)總種植面積的70%以上，北疆的昌吉、阿勒泰、塔城，南疆的焉耆盆地都有大面積的種植。我國(guó)農(nóng)機(jī)科研工作者針對(duì)打瓜收獲進(jìn)行了大量的科研工作，并取得一定的科研成果。

圖3 4DT-2.0型打瓜集條機(jī)

塔城農(nóng)機(jī)推廣站研制的4DT-2.0型打瓜集條機(jī)（圖3）[2]采用V型主架設(shè)計(jì)，由拖拉機(jī)前懸掛作業(yè)。機(jī)具作業(yè)時(shí)，V型機(jī)架前端分瓜器將打瓜分向機(jī)架兩邊。機(jī)架兩邊各裝有若干組集條圓盤，圓盤與地面接觸，可以自轉(zhuǎn)，不僅將打瓜推向兩側(cè)實(shí)現(xiàn)集條功能，而且能切斷瓜秧，為后續(xù)的撿拾作業(yè)創(chuàng)造有利條件。該機(jī)具集條效果較好，但是功能單一。

新疆機(jī)械研究院股份有限公司研制的4DT-1700型打瓜集條機(jī)（圖4）[3]主要與中小型拖拉機(jī)配套使用。該機(jī)具采用蛟龍輸送的原理，將打瓜從攪龍的一側(cè)輸送到另一側(cè)。工作時(shí)，機(jī)架的一端裝有分瓜器可以將瓜秧切斷，能夠有效防止瓜秧纏繞。但是該機(jī)具在工作速度較高時(shí)容易擠爛打瓜，攪龍機(jī)構(gòu)輸送打瓜容易出現(xiàn)輸送不暢，堵塞纏繞等現(xiàn)象。

圖4 4 4DT-1700型打瓜集條機(jī)

聯(lián)合作業(yè)機(jī)是集采摘、撿拾、運(yùn)輸和取籽一體化的收獲機(jī)械，目前應(yīng)用比較多的有新疆農(nóng)科院農(nóng)機(jī)化研究所研制的4ZGJT-110型與4ZGJT-500型兩種籽瓜收獲聯(lián)合作業(yè)機(jī)、新疆農(nóng)墾科學(xué)院研制的4ZBL-2型背負(fù)式籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)以及石河子市順昌農(nóng)機(jī)有限公司研制的5TZ-1500型全自動(dòng)打瓜自撿取籽機(jī)等機(jī)型。

新疆農(nóng)墾科學(xué)院設(shè)計(jì)的4ZBL-2背負(fù)式籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)（圖5）[4]，該機(jī)具有聯(lián)合收獲的功能，可一次完成打瓜集條、撿拾輸送、取籽等功能，提高了打瓜收獲過(guò)程中的工作效率。工作原理：機(jī)組工作時(shí)，分瓜器將散落的打瓜收攏集條，撿拾裝置采用鏈條傳動(dòng)做逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，撿拾裝置的彈齒將地面的打瓜撥向?qū)Ч蠔艞l，在彈齒的作用下打瓜被輸送裝置送入粉碎取籽機(jī)，經(jīng)粉碎分離最終實(shí)現(xiàn)打瓜籽粒收獲。4ZBL-2背負(fù)式籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)對(duì)自然狀態(tài)下生長(zhǎng)的打瓜撿拾率達(dá)到94.24%，能夠一次完成集條、撿拾、粉碎取籽等多項(xiàng)打瓜作業(yè)，具有較高的工作效率。但是當(dāng)田地平整度欠佳時(shí)，打瓜收獲的損失率會(huì)明顯增加。

圖5 4ZBL-2背負(fù)式籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)

新疆農(nóng)科院農(nóng)機(jī)化研究所研制的4ZGJT-110型籽瓜收獲聯(lián)合作業(yè)機(jī)（圖6）[5]和4ZGJT-500型籽瓜收獲聯(lián)合作業(yè)機(jī)（圖7）[6]經(jīng)過(guò)改進(jìn)，適應(yīng)性得到增強(qiáng)，打瓜的收獲效率得到提高。工作原理：該機(jī)具采用拖拉機(jī)牽引式前進(jìn)，撿拾滾筒在前進(jìn)的過(guò)程中由撿拾齒將打瓜扎起升運(yùn)至一定高度，脫落至進(jìn)料斗中；打瓜由料斗下方的破碎裝置破碎，將瓜瓤瓜籽擠出送至螺旋篩選裝置，最終實(shí)現(xiàn)打瓜籽分離裝袋。這兩種機(jī)型采用獨(dú)特的撿拾、喂入裝置，解決了籽瓜在撿拾過(guò)程中機(jī)械化程度較低的問(wèn)題，節(jié)約了人力成本，提高了打瓜收獲機(jī)械效率。

圖6 4ZGJT-110型籽瓜收獲聯(lián)合作業(yè)機(jī)

2 打瓜收獲機(jī)械當(dāng)前存在問(wèn)題

打瓜形狀近似于球體，呈散狀無(wú)序分布于田間，機(jī)械收獲的難度相對(duì)較大?，F(xiàn)有的打瓜收獲裝備在打瓜收獲的機(jī)械化、自動(dòng)化水平上還有待進(jìn)一步發(fā)展，還存在一些問(wèn)題需要研究解決。

2.1 研究力度需增加

由于打瓜具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，隨著新疆農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，打瓜的種植面積近年來(lái)不斷增大，但是打瓜收獲機(jī)械的研究相對(duì)于打瓜栽培技術(shù)，還顯得十分薄弱，不能夠滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。

圖7 4ZGJT-500型籽瓜收獲聯(lián)合作業(yè)機(jī)

2.2 整機(jī)功能結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步完善

當(dāng)前的打瓜聯(lián)合收獲機(jī)械整機(jī)結(jié)構(gòu)上還存在不合理，如瓜秧纏繞、去石等問(wèn)題還有待進(jìn)一步深入研究。撿拾裝置多采用扎瓜器滾動(dòng)向上輸送，在輸送的過(guò)程中，由于部分瓜秧未能及時(shí)切斷，會(huì)造成瓜秧在撿拾裝置上纏繞的問(wèn)題。因此，田間作業(yè)時(shí)往往需配備專人清藤，這對(duì)撿拾裝備的工作效率造成一定影響，同時(shí)增加了人工成本。

2.3 聯(lián)合作業(yè)機(jī)械效率有待提高

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化對(duì)農(nóng)業(yè)裝備提出高自動(dòng)化、高效等要求，但是目前的打瓜收獲裝備還不能滿足這些要求。對(duì)于地塊起伏明顯，石塊較多的農(nóng)田，打瓜收獲機(jī)械的撿拾效率明顯降低，出現(xiàn)漏檢率高等現(xiàn)象。因此，要進(jìn)一步優(yōu)化打瓜收獲機(jī)械的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)機(jī)械的地面仿形性能，保證在平整度較差的田間能夠正常工作，提高打瓜收獲機(jī)械的適應(yīng)能力。

3 發(fā)展對(duì)策及展望

3.1 加強(qiáng)基礎(chǔ)研究

進(jìn)一步加強(qiáng)個(gè)科研單位和生產(chǎn)企業(yè)、農(nóng)戶間的溝通合作，針對(duì)打瓜機(jī)械化收獲過(guò)程中采摘、撿拾、破碎等各環(huán)節(jié)增強(qiáng)信息交流溝通，分析收獲各階段的相互影響因素，有針對(duì)性的研究核心關(guān)鍵技術(shù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與田間試驗(yàn)相結(jié)合的方法，提高整機(jī)的性能和設(shè)計(jì)效率。

3.2 提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益，增加農(nóng)民機(jī)械化收獲積極性

當(dāng)前，我國(guó)研制的打瓜收獲機(jī)械大部分只針對(duì)瓜籽進(jìn)行收獲。事實(shí)上，打瓜除瓜籽具有極高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值外，瓜瓤瓜皮也具有一定的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，可以作為牲畜的飼料原料進(jìn)行加工。因此，可以在瓜籽收獲的同時(shí)對(duì)瓜瓤瓜皮進(jìn)行回收，以增加農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收益。后續(xù)的研發(fā)階段，可以考慮增加瓜瓤瓜皮等回收加工裝置，既增加整機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益又增加農(nóng)民收入。

3.3 集中精力重點(diǎn)研發(fā)自走式聯(lián)合收獲機(jī)

要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的目標(biāo)，農(nóng)業(yè)收獲自動(dòng)化是必由之路。打瓜收獲機(jī)械要具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、能夠適應(yīng)田間復(fù)雜作業(yè)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在提高打瓜收獲效率的同時(shí)能夠降低農(nóng)民的生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度。集中精力開發(fā)出適合我國(guó)國(guó)情的打瓜收獲機(jī)械，實(shí)現(xiàn)打瓜收獲全程自動(dòng)化。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，打瓜的機(jī)械化收獲與其它作物的機(jī)械化相比還計(jì)較落后，當(dāng)前的打瓜收獲機(jī)械還不能完全滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求，存在一些亟待解決的問(wèn)題。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化提出更高的要求，更加成熟穩(wěn)定的打瓜收獲機(jī)械成為市場(chǎng)的迫切需求。在國(guó)家政策的支持下，各科研院所對(duì)打瓜機(jī)械化收獲的研究力度進(jìn)一步加強(qiáng)，打瓜收獲機(jī)械必將取得突破性的技術(shù)發(fā)展。