籽用瓜聯(lián)合收獲機撿拾器試驗研究

楊懷君，何義川，孟祥金，盧勇濤，王 敏，黃 爍，張經(jīng)常，湯智輝

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院 機械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000；3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第十師 農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆 北屯 836000)

0 引言

籽用瓜(本文中簡稱“籽瓜”)包括打瓜、南瓜和葫蘆瓜，屬葫蘆科，主要用來獲取瓜籽，瓜籽含豐富的磷、鉀、錳、鋅、鐵等微量元素及大量的氨基酸和維生素[1-3]。新疆遠離海洋，鹽堿干旱地較多，籽瓜耐瘠薄，耐粗放管理[4]，耐旱耐鹽堿的能力很強[4-5]，具有改良土壤的功效[6]，是新疆農(nóng)業(yè)重要的經(jīng)濟作物之一。

打瓜和南瓜為長藤圓球形,葫蘆瓜為不規(guī)則橢圓柱形，且田間分布呈現(xiàn)無序狀，籽瓜的藤蔓較長，且吸水會變得韌性高，增加了收獲機收獲難度。籽瓜的機械化收獲大大降低了籽瓜的種植成本，減輕了收獲的勞動強度，提高了農(nóng)民的種植積極性，但在機械化收獲的過程中，仍然存在撿拾核心部件的易折斷、彎曲變形及藤草纏繞等問題：一方面降低了籽瓜收獲機田間作業(yè)的撿拾率和生產(chǎn)率；另一方面提升了籽瓜在收獲過程中的破損率，造成大量的瓜籽損失。

國外籽瓜聯(lián)合收獲機很少，在歐洲部分國家有南瓜籽聯(lián)合收獲機[7]。奧地利的南瓜籽收獲為分段收獲作業(yè)，技術(shù)比較成熟，已在生產(chǎn)中大量使用[8]。以色列有大型自走式打瓜聯(lián)合獲機，其結(jié)構(gòu)龐大、價格昂貴，不適合國內(nèi)籽瓜的種植管理模式[9]。

國內(nèi)很多學(xué)者對籽瓜聯(lián)合收獲機撿拾器的結(jié)構(gòu)和材料等方面進行了研究：張宏陽[10]分析了打瓜機撿拾摘輥部件的強度；佐劍波[11]設(shè)計了聯(lián)合打瓜收獲取籽機及改進的聯(lián)合打瓜收獲取籽機;王學(xué)農(nóng)等[12]研制了一種新型籽瓜撿拾脫粒聯(lián)合作業(yè)機；閻洪山等[13]研制了背負式籽瓜聯(lián)合收獲機；王慶惠等[14]設(shè)計了打瓜撿拾脫粒機撿拾輥的結(jié)構(gòu)；李秀臣等[15]設(shè)計了籽用南瓜聯(lián)合收獲機的撿拾機構(gòu)并進行相關(guān)研究。本課題組前期對拖拉機背負式籽瓜收獲機進行了設(shè)計和應(yīng)用研究。

撿拾器是籽瓜收獲機的重要核心組成部件，也是影響籽瓜收獲過程中的撿拾率和破損率的重要部件，本文通過對撿拾部件進行改進優(yōu)化和試驗研究，確定其結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)對撿拾作業(yè)性能的影響，為下一步改進籽瓜收獲機提供技術(shù)依據(jù)。

1 撿拾器總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 撿拾器總體結(jié)構(gòu)

為了獲得籽瓜收獲機良好的作業(yè)效果，要求籽瓜收獲機作業(yè)效率達到30t/h以上，漏檢率達到10%以下，籽瓜破損率達到10%以下，輔助操作人員不多于1人，動力60kW以下。

籽瓜聯(lián)合收獲機的撿拾器為橢圓式往復(fù)運動，如圖1所示。撿拾器主要由集瓜板、仿形輪系、撿拾裝置、活動機架、主動軸系及卸瓜肋條等組成，撿拾器通過主動軸系鉸接到收獲機前。撿拾裝置由軸承座、彈齒座桿總成、耳掛鏈條、主動軸、從動軸及鏈輪等組成，彈齒用螺栓固定于彈齒座桿上，撿拾彈齒座桿鉚接在耳掛鏈條上。活動機架底面采用格柵式結(jié)構(gòu)，活動機架底板分為兩級，在撿拾裝置上方安裝有卸瓜肋條。

1.集瓜板 2.仿形輪系 3.撿拾裝置 4.彈齒座桿總成 5.活動機架 6.主動軸系 7.卸瓜肋條 8.固定板 9.二級底板 10.支撐座 11.調(diào)緊器 12.二級從動軸 13.一級底板 14.一級從動軸

1.2 工作原理

作業(yè)時，籽瓜聯(lián)合收獲機撿拾器隨著收獲機一起向前運動，其撿拾裝置在主動軸系鏈輪的驅(qū)動下，繞主動軸橢圓式逆時針旋轉(zhuǎn)，彈齒在撿拾裝置底部與籽瓜接觸，在回轉(zhuǎn)沖擊力的作用下籽瓜產(chǎn)生與機器前進方向相反的速度；籽瓜首先與活動機架第一級底板的下部接觸，在彈齒輔助作用下沿著活動機架第一級底板向上滑動，之后經(jīng)過第二級底板進入到橫向輸送器中；部分籽瓜因為位置的原因插在撿拾彈齒上，當運動到撿拾裝置上部時在卸瓜肋條的作用下脫離撿拾彈齒，進入橫向輸送器中；活動機架底板分為兩級，有利于籽瓜在撿拾彈齒的作用下順利地從地表面滾動到活動機架底板上，降低彈齒和第一級底板形成的角度差產(chǎn)生夾瓜的概率。

撿拾器工作時，彈齒的運動為類余擺線，其軌跡為受鏈條控制的繞鏈輪輪軸的回轉(zhuǎn)運動與機器的前進運動兩者的合成運動。綜合撿拾器工作原理與機構(gòu)設(shè)計參數(shù)，彈齒的運動軌跡形狀取決于撿拾裝置的轉(zhuǎn)速與機器前進速度的比值，這個比值決定了收獲作業(yè)過程中的撿拾率和破損率。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 彈齒的設(shè)計

撿拾彈齒是撿拾器的關(guān)鍵部件，其性能直接關(guān)系到收獲機的漏檢率和工作的可靠性，其與籽瓜產(chǎn)生彈性沖擊碰撞，是籽瓜產(chǎn)生向后運動的動力源。工作時，提升籽瓜到橫向輸送器上，極易產(chǎn)生形變甚至是斷裂，為了保障其能夠可靠地工作，其材料除應(yīng)滿足具有較高的強度極限和屈服極限外，還必須具有較高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌性及塑性。因此，撿拾彈齒采用φ8mm的65Mn彈簧鋼，先沖壓成型，之后進行熱處理，防止因形變而改變彈齒的結(jié)構(gòu)。撿拾彈齒結(jié)構(gòu)設(shè)計成雙齒桿單圈復(fù)繞結(jié)構(gòu)(見圖2)，齒尖中心間距為0.056m，以滿足撿拾最小瓜徑(0.05m)的技術(shù)要求。在齒拐處折彎與齒桿成152°角，齒桿前部齒尖與齒桿成172°角，以增強彈齒的撥瓜能力，減少撿拾時因籽瓜位置而產(chǎn)生的彈齒刺入籽瓜內(nèi)的現(xiàn)象，提升在活動機架第一級底板上的輔助輸送籽瓜的能力。

1.彈齒齒拐 2.座桿 3.固定螺栓 4.彈齒固定座 5.彈齒副圈 6.彈齒齒尖

2.2 撿拾器的設(shè)計

撿拾器主要優(yōu)化設(shè)計了活動機架的底板結(jié)構(gòu)、撿拾裝置彈齒結(jié)構(gòu)和彈齒座桿總成的結(jié)構(gòu)布置?；顒訖C架底板分為兩級，且全部為格柵式，兩級底板與地面的夾角不同，第一級底板與地面成21°夾角，第二級底板與地平面夾角為60°。一級底板與地面的夾角較小，有利于籽瓜從地面撿拾到活動機架上，減少因活動機架的底板與撿拾彈齒因角度而產(chǎn)生的剪切夾瓜，致使籽瓜破碎的現(xiàn)象，同時降低了彈齒幾何形變的概率。底板與地面角度變小，在作業(yè)過程中容易使地表隆起的土隨著籽瓜的滑動一起輸送到活動機架地板上，因此增加二級底板。同樣采用格柵式，二級底板與地面的夾角角度較大；當籽瓜運動到此位置時，由于底板角度改變致使籽瓜跳動，在籽瓜和底板中間夾雜的細碎藤蔓和土塊一部分被格柵過濾掉，剩余較大的土塊在重力作用下延底面向下滑動，在下一撥彈齒的作用力下破碎或者滑到地面上，最終濾掉。

撿拾裝置彈齒齒尖與活動機架底板保持0.02m的間距，因此撿拾裝置增加了一根從動軸，保證工作時彈齒齒尖能與一級底板保持0.02m的間距；增大了每排彈齒坐桿總成的間距，保證不因有超大直徑的籽瓜使彈齒變形；提高了撿拾裝置工作的回轉(zhuǎn)速度。撿拾彈齒上任一點的軌跡為類余擺線運動軌跡，其最低點更密集，更有利于彈齒撿拾更小直徑的籽瓜，能夠更好地降低籽瓜的漏檢率。

3 撿拾器試驗分析

3.1 試驗地點選擇

試驗地的選擇應(yīng)符合籽瓜聯(lián)合收獲機的應(yīng)用，長度不小于200m，寬度不小于50m。地表應(yīng)平整無溝、埂、坑，具有良好地通過性，地頭應(yīng)有機組轉(zhuǎn)彎掉頭區(qū)域。待收籽瓜地種植模式應(yīng)為平作種植模式，且籽瓜應(yīng)充分成熟，籽瓜橫徑不小于0.05m。

試驗地點：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第十師187團5連7斗14號田南瓜地。南瓜種植模式為滴灌覆膜平作，1膜2行，膜上行距為0.4m，膜間行距為0.35m，株距0.1～0.12m，南瓜橫徑最大為0.28m、橫徑最小為0.03m。

3.2 試驗方法

試驗依據(jù)國家標準GB/T 8097-2008《收獲機械聯(lián)合收割機試驗方法》制定田間試驗流程和準則[17-18]。在試驗地內(nèi)選取1個試驗區(qū)，試驗區(qū)長度應(yīng)大于50m，寬度10m，試驗區(qū)長度方向兩端預(yù)備區(qū)不小于10m。在試驗區(qū)的橫向每間隔2.1m劃定1組測試點，共3組；縱向每間隔1.5m(4行)設(shè)置1組測試點，共9組，每個測試點均為4.0m×0.7m的矩形區(qū)，全部測試點組成一個3×9的矩形陣列(見圖3)，可進行27次試驗測試。在測點內(nèi)分別測定籽瓜株數(shù)、籽瓜個數(shù)、籽瓜的橫徑、縱徑及質(zhì)量。測量時不要移動離開籽瓜原位置，并保證籽瓜測試前的自然生長狀態(tài)。

試驗時間應(yīng)在中午12時以后，籽瓜藤蔓較脆且其上無露水，試驗前撿拾器應(yīng)做好潤滑，開車之前各部件空運轉(zhuǎn)15min，待運轉(zhuǎn)正常無異響之后開始試驗。試驗路線按圖3中虛線行走，虛線為收獲機車行駛的中心線，箭頭方向為機車前進方向。在收獲機通過試驗區(qū)后，收集每個收集點上的測試數(shù)據(jù)，并記錄。

圖3 試驗機車行走路線

3.3 數(shù)據(jù)計算

3.3.1 漏撿率

漏撿率是指收獲作業(yè)過程中沒有撿拾的籽瓜和在收獲過程中撿拾到撿拾器上并在輸送過程中掉落在地面上的籽瓜的比值。漏檢率計算公式為

(1)

其中，G為漏撿率(%)；G1為測點內(nèi)籽瓜總生物質(zhì)量(kg)；G2為漏撿籽瓜生物質(zhì)量(kg)。

3.3.2 破損率

破損籽瓜指的是籽瓜在撿拾作業(yè)中破損程度達到瓜籽能從籽瓜內(nèi)掉出的程度。籽瓜瓜皮表面刮傷和彈齒貫穿籽瓜等不能使瓜籽在后續(xù)作業(yè)中掉落的視為完好籽瓜。計算公式為

(2)

其中，N1為測點內(nèi)籽瓜總個數(shù)(個)；N2為破損籽瓜總個數(shù)(個)。

3.4 試驗因素選擇及調(diào)整

3.4.1 試驗因素

為驗證撿拾器各種因素對撿拾效果的影響，考察撿拾器的彈齒在作業(yè)過程中的穩(wěn)定性和撿拾器工作參數(shù)對漏檢率和破損率的影響，選擇收獲機的行走速度、撿拾裝置的轉(zhuǎn)速和撿拾彈齒座桿間距參數(shù)為試驗因素進行三因素三水平的正交試驗，利用正交表L9(34)安排試驗[19-21]，將第3列設(shè)置為空白列[22]，因素與水平如表1所示。試驗以籽瓜破損率和漏撿率作為評價指標，試驗共連續(xù)進行3組試驗，每個指標重復(fù)3次，取3次平均值作為最終指標值。

表1 試驗因素及水平

3.4.2 試驗因素的調(diào)整

試驗中為了獲得撿拾裝置的不同轉(zhuǎn)速，在撿拾器驅(qū)動馬達和齒輪泵中間加裝流量控制閥和溢流閥，通過調(diào)節(jié)流量控制閥的流量控制馬達的輸出轉(zhuǎn)速。

撿拾彈齒座桿兩端固定于節(jié)距為25.4mm的鏈條上，通過調(diào)節(jié)彈齒座桿在鏈條上的位置調(diào)價彈齒座桿的間距。

3.5 試驗結(jié)果與分析

通過籽瓜聯(lián)合收獲機撿拾器的收獲試驗，根據(jù)試驗結(jié)果記錄表中的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和整理[23]，如表2所示。

表2 正交實驗結(jié)果

續(xù)表2

3.5.1 極差分析

因素在不同水平下性能指標的極差越大，說明該因素對試驗指標的影響越大。因此，根據(jù)表2中試驗結(jié)果的極差分析，確定了各因素對破損率和漏檢率的影響主次順序:影響破損率指標的因素的主次順序為B>A>C，影響漏撿率指標的因素主次順序為C>A>B。采用直觀分析法[24]對試驗結(jié)果進行分析，得到各因素與考核指標的趨勢圖如圖4所示。

(a)

(b)

圖4為籽瓜聯(lián)合收獲機漏檢率與機具作業(yè)因素的趨勢圖，該作業(yè)指標破損率和漏檢率越小，收獲機性能越好。從圖4中(a)可以看出：各因素中A1、B1、C3撿拾器破損率最小，效果最好。從圖4(b)中可以看出：A1、B3、C3的漏檢率最好。通過極差分析，破損率指標的較優(yōu)組合為A1B1C3，漏撿率指標的較優(yōu)組合為A1B3C3。

3.5.2 方差分析

對試驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知：行駛速度和座桿間距對破損率指標均有非常顯著的影響，撿拾裝置轉(zhuǎn)速對破損率有顯著影響；行駛速度對漏撿率指標有顯著影響，撿拾裝置轉(zhuǎn)速對漏撿率有非常顯著的影響。行走速度較小時，相同時間內(nèi)，撿拾彈齒經(jīng)過同一點的次數(shù)較多，籽瓜漏撿率低，但因為和被撿拾籽瓜接觸的次數(shù)的概率也大，破損率也相應(yīng)較大。隨著撿拾裝置轉(zhuǎn)速越來越大，破損籽瓜的概率素隨之上升。座桿間距逐漸變大時，籽瓜破損率逐漸減小，漏撿率也逐漸降低。

表3 試驗指標方差分析結(jié)果

F0.05(2，2)=19.00；F0.01(2，2)=99.00。

通過極差和方差的試驗數(shù)據(jù)分析，綜合各試驗因素對撿拾器性能指標的影響及其優(yōu)化組合，按照漏撿率的大小、兼顧破損率較小的原則，采用綜合平衡法[25]確定較優(yōu)組合為A1C3B3，即行駛速度1.5km/h、撿拾裝置轉(zhuǎn)速120r/min、座桿間距508.0mm。經(jīng)田間試驗，在此條件下該撿拾器建是籽瓜的破損率為6.7%，漏撿率為3.1%，滿足國家收獲機的技術(shù)要求。

4 結(jié)論

1)改進優(yōu)化了籽瓜收獲機的撿拾器，闡述分析了撿拾器總體結(jié)構(gòu)及工作原理，對其關(guān)鍵部件—撿拾裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和撿拾彈齒進行了優(yōu)化，提高了撿拾作業(yè)性能，該撿拾器可以在籽瓜自然生長狀態(tài)下一次性進行籽瓜的斷藤、集條、撿拾及脫粒取籽等作業(yè)工序，不需預(yù)先對籽瓜進行斷藤和集條作業(yè)，減少了機器進地作業(yè)次數(shù)，節(jié)省開支。

2)采用三因素三水平正交試驗設(shè)計試驗研究撿拾器最佳工作參數(shù)組合，確定了撿拾性能的主次因素依次為作業(yè)速度、撿拾裝置轉(zhuǎn)速和座桿間距；較優(yōu)組為作業(yè)速度1.5km/h、撿拾裝置轉(zhuǎn)速為120r/min、座桿間距508.0mm。在該條件下破損率為6.7%、漏撿率為3.2%。

3)通過2016年度對南瓜、打瓜和葫蘆瓜的收獲作業(yè)，工況條件下?lián)焓捌鲗Σ煌叽珙愋妥压掀贩N均具有良好適應(yīng)性，籽瓜聯(lián)合收獲機田間適應(yīng)性較強，滿足籽瓜收獲的農(nóng)藝技術(shù)要求。

4)與現(xiàn)有的摘輥式籽瓜收獲機相比：撿拾器在卸瓜肋條的輔助下，較容易去除纏繞在其上的雜物，減少了藤草進入脫粒取籽機的數(shù)量，提高了機器作業(yè)的可靠性。但是，由于制作工藝的限制，制作彈齒的彈簧鋼直徑最大為φ8mm，作業(yè)時會觸碰到土壤中的石塊，且撿拾作業(yè)時與籽瓜發(fā)生彈性碰撞，長時間作業(yè)會發(fā)生彈性形變甚至出現(xiàn)裂紋。因此，如何在不降低彈齒的剛性情況下，提升彈齒的彈性，還需要從制作工藝和材料的微觀結(jié)構(gòu)進行深入的研究。