花生聯(lián)合收獲機摘果裝置的研究進展

房慶柳，李國昉*，鄭萬眾，陳秀宏，杜鳳永，陳立東

(1 河北科技師范學院機電工程學院，河北 秦皇島，066600；2 河北省灤南縣職業(yè)教育中心；3 河北永發(fā)鴻田農機制造有限公司)

花生聯(lián)合收獲機主要包括挖掘、輸送、摘果和清選等裝置[1]。摘果裝置是將莢果從花生植株上分離下來的關鍵裝置，也是花生聯(lián)合收獲機的關鍵部件，其性能直接決定了花生收獲的順暢性和收獲損失。研究人員、農場主、機械制造商都十分重視摘果裝置的結構和性能問題。為此，筆者對國內外關于花生聯(lián)合收獲機的摘果裝置研究情況進行了整理歸納，以期為今后對該裝置的進一步研究提供參考。

1 花生聯(lián)合收獲機摘果裝置的分類

摘果裝置主要包括摘果滾筒及滾筒上的摘果元件?；ㄉ砉M入滾筒后，在摘果元件的梳刷、打擊作用下，完成摘果作業(yè)。在此，筆者按照花生進入滾筒的方式(即喂入方式)及在滾筒內的運動方向、摘果滾筒的數(shù)量和外緣形狀、摘果元件的形式和材料等對摘果裝置進行分類。

1.1 按喂入方式分類可分為全喂入式和半喂入式摘果裝置

全喂入式為花生秧-果一同進入摘果裝置，受到摘果元件的作用，實現(xiàn)秧果分離[2]。全喂入式摘果裝置適用于較干的花生摘果，在撿拾收獲機上較多采用。4HQL-2型花生聯(lián)合收獲機采用全喂入式摘果裝置，具有分離較為干凈、破碎率低的特點[3]。半喂入式摘果裝置中，夾緊機構帶著花生秧果沿著摘果滾筒的軸向移動，僅花生莢果進入摘果滾筒，摘果后秧、果整齊擺放。半喂入式摘果裝置制造成本較高；對于花生的干濕狀況適應性較強，在南方應用不多。王冰超等[4]研究的4HLB-4型花生聯(lián)合收獲機半喂入式摘果裝置，其摘果強度較柔和，破碎率相應較低。4HBL-2和4HB-2等機型上使用的摘果裝置為半喂入式。

1.2 按運動方向分類可分為切流式、軸流式和聯(lián)合式摘果裝置

切流式摘果裝置中，花生秧果的運動方向與切流式滾筒切線方向一致，秧果破碎程度較低，完整性好，清選負擔減輕；滾筒母線方向均可設置喂入口，對喂入量適應性強[5]。4HLJ-8型花生聯(lián)合收獲機采用的是多級串聯(lián)切流式滾筒，摘凈率高。軸流式摘果裝置對干果適應度較好，容易摘果。但果、秧破碎較多，能量消耗大，分離效果較差；對喂入量適應性差，喂入量突然變大或秧果較濕時，易造成滾筒堵塞。4HQL-2型花生聯(lián)合收獲機采用的是軸流滾筒摘果。聯(lián)合式摘果裝置中，花生秧果先后進入兩個滾筒，摘果更為干凈，完整性好，不易損傷莢果，不容易堵塞，減輕了清選的負擔。4LZ-1.5自走式收獲機采用的是切軸流雙滾筒摘果裝置。

1.3 按滾筒數(shù)目分類可分為單滾筒和多滾筒摘果裝置

單滾筒摘果裝置只進行一次摘果作業(yè)，花生秧果在滾筒內脫粒時間短，易產生摘果不干凈的問題；適用于含水率低的花生摘果。采用單滾筒結構的4HB-2A型花生聯(lián)合收獲機，破碎率較低，但摘果損失較大[6]。多滾筒摘果裝置中，滾筒轉速較低，且與秧果充分接觸；摘果作業(yè)較柔和，花生莢果不易破損、摘凈率高。多滾筒裝置對喂入量的適應性好，即使在大喂入量下，也能達到有較好的脫粒分離效果。4HZ-2型自走式花生聯(lián)合收獲機采用的是二級摘果滾筒，摘果較為干凈，損失率低[7]。

1.4 按滾筒外緣形狀分類可分為圓柱滾筒和圓錐滾筒摘果裝置

圓柱滾筒摘果裝置作業(yè)速度快、破碎率低，對干濕花生都有較好的適應性。4HQL-2，4HBL-2，4HLB-2等花生聯(lián)合收獲機都采用圓柱摘果滾筒。圓錐形滾筒摘果裝置較圓柱滾筒摘果裝置體積大，從入口到出口直徑逐漸增大，適用于濕摘作業(yè)，但摘凈率偏低，且易堵塞。

1.5 按元件形式分類可分為弓齒式、釘齒式和板齒式摘果裝置

弓齒摘果裝置對莢果施加拉力，可減少花生莢果的帶柄率[8]。同一滾筒上弓齒間隔排列、不同滾筒弓齒交錯可減小摘果拉力，提高摘果負荷均衡程度。4HJL-2型花生聯(lián)合收獲機將螺旋弓齒改進成螺旋圓弧面板摘果裝置，無需安裝摘果齒，降低了破碎率[9]。釘齒式摘果裝置的摘果元件制造工藝簡單、摘果較為干凈，一度成為摘果裝置熱門元件，但存在著莢果破碎率高、能耗高、易堵塞等問題。4HQL-2型花生聯(lián)合收獲機采用釘齒元件，耐磨性差，易出現(xiàn)齒彎和掉齒現(xiàn)象。板齒式摘果裝置的葉片外緣為主要工作區(qū)域，葉片的打擊力較大，造成莢果破碎嚴重。尚書旗等[10]研制的4HBL-4型花生聯(lián)合收獲機摘果滾筒采用板齒元件，摘果較為干凈，但是刷拉式的摘果原理帶來莢果破損嚴重、帶柄率較高等問題。

1.6 按摘果元件的制成材料分類可分為剛性元件摘果裝置和彈性元件摘果裝置

剛性元件的摘果裝置中，摘果元件多由低碳鋼制成，硬度較高，易造成莢果破損；耐磨性較差，易掉齒或彎齒。摘果裝置最初研發(fā)時較多采用剛性摘果元件，因上述問題，逐漸被彈性元件取代。彈性材料制成的摘果元件為彈齒，摘果柔和，莢果不易破碎。美國的1580型和4HJL-1800型花生聯(lián)合收獲機的摘果機械裝置都采用彈齒元件，彈齒配合錐形凹板篩，摘果作業(yè)具有前面負荷大、后面負荷小的特點，減少了滾筒堵塞。

2 花生聯(lián)合收獲機摘果裝置的國內外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

花生規(guī)?；N植的國家主要分布在亞洲、美洲和非洲等地區(qū)。亞洲以中國和印度，非洲以埃及，美洲以美國、阿根廷等國種植面積較大。在美國，花生聯(lián)合收獲機應用較為廣泛，產品類型多，摘果裝置性能優(yōu)越。牽引式、自走式等各種類型的花生聯(lián)合收獲機，配套功率大，摘果滾筒數(shù)量多，且配有多組清選裝置。Kelley公司生產的花生聯(lián)合收獲機械配備3個摘果滾筒、采用逐稿器式清選裝置[11]。AMADAS公司的花生收獲機采用4個摘果滾筒、多組排草滾筒清選裝置[12]。COLOMBO公司發(fā)明了軸流式雙螺旋滾筒全喂入摘果機構[13]。Butts等[14]在HU2000型聯(lián)合收獲機上增加脫殼功能，一次性完成撿拾、摘果、脫殼等工序。美國的利斯頓-1580型花生聯(lián)合收獲機的摘果裝置采用彈齒式摘果元件，柔性摘果，減少莢果破碎[15]。

2.2 國內研究現(xiàn)狀

我國花生種植面積廣大，各地種植條件不同，對花生收獲機械的作業(yè)性能需求各異，花生收獲機械種類也越來越多?？v觀花生聯(lián)合收獲機械的研究者，有影響力的為胡志超、尚書旗和高連興等團隊，其研究各具特色，且成果獲得國家科技進步獎項。

胡志超團隊[16]針對摘果作業(yè)秧膜纏繞、破碎率高、順暢性差等問題開展持續(xù)研究。在4HLB-2型花生聯(lián)合收獲機中，研究出柔性摘果等技術；2018年優(yōu)化了圓弧形葉片摘果裝置，有效降低破碎率、摘不凈率和損失率等。尚書旗團隊[17]研究出了“拉折摘分收獲機械作業(yè)方法”，創(chuàng)建了甩捋式摘果收獲關鍵技術。4HQL-2型花生撿拾摘果收獲機對行收獲作業(yè)時，漏挖率和破損率都較低，整體收獲質量高。4HJL-2型花生聯(lián)合收獲機的螺旋圓弧面板式摘果裝置和其他裝置協(xié)調配合，獲得合適的速度、傳動比和傳動效率，滿足摘果要求。4HBL-4型花生聯(lián)合收獲機減少機器進地次數(shù)，提高了收獲效率[18]。高連興團隊[8]提出了螺旋弓齒摘果機構，建立了摘果試驗平臺，旨在為提高花生摘果效率，優(yōu)化花生摘果裝置提供研究手段。該團隊設計了一種軸流式摘果裝置，采用螺桿彎齒式摘果替換，解決了摘果設備損傷率高、易纏繞、堵塞等問題。

目前我國對花生聯(lián)合收獲機上應用的摘果裝置的研究，主要集中于以下幾個方面：

2.2.1對花生物料特性的研究 花生品種、成熟程度、含水量、尺寸特性、漂浮系數(shù)等物料特性影響著摘果裝置的結構和分離效果。劉明國等[19]研究了花生莢果及仁果的物理特性，得出三軸尺寸、平均徑、摩擦系數(shù)、破壞強度等物理和機械特性隨含水率的變化規(guī)律。唐福元等[20]運用物性質構測試儀，對花生果實的彈性模量和有效面積、載荷的關系進行了研究。關萌等[21]、梁明等[22]、周德歡等[23]分別采用萬能材料試驗機等儀器，研究了花生莖稈、果柄含水率變化與花生果-柄受拉分離力、晾曬時間的關系。楊然兵等[24]研究了鮮收期內典型花生品種的果-柄、秧-柄及果殼的抗拉力、剪切力等力學性能，揭示了力學性能隨收獲時間的變化規(guī)律和與聯(lián)合收獲損失之間的關系。高連興等[25]測定了摘果后物料的漂浮速度，發(fā)現(xiàn)花生莢果、仁果、果殼與石頭的差別較大。

2.2.2對摘果機理的研究 摘果機理分析是為了優(yōu)化設計參數(shù)、確定關鍵部件的結構。摘果機理分析側重于摘果裝置的運動學和動力學特性分析、采用有限元方法對摘果裝置參數(shù)優(yōu)化、使用軟件對不同工作參數(shù)進行動力學仿真等方面。楊然兵[26]研究了甩捋式摘果裝置的運動學和動力學特性，用二次回歸正交試驗法確定了摘果裝置的最佳作業(yè)參數(shù)。耿端陽[27]采用沖擊韌度試驗測定方法，確定沖斷果柄所需的滾筒轉速，根據花生莢果幾何分布及滾筒位置配置計算確定滾筒直徑。南飛飛[28]測定了花生植株的基本生物學特性，采用響應曲面法優(yōu)化了前進速度、夾送速度、摘果輥筒的轉速和長度。蘇展[8]比較了3種摘果元件的性能，為摘果裝置在小區(qū)育種中的應用提供了依據，優(yōu)選了矩形齒摘果元件的參數(shù)。胡志超團隊[29]提出了有效摘果區(qū)和最佳摘果區(qū)的概念，分析了花生果系的理想運動軌跡、摘果的頻率和強度等，通過響應面試驗確定了摘果裝置的最佳參數(shù)組合。凌軒等[30]開發(fā)了一種數(shù)字化花生摘果測力系統(tǒng)，研究了鮮花生莢果摘落時的受力以及最小擠壓裂莢力和破碎力。楊靜[31]對摘果滾筒中花生植株的應力進行了分析。柴康杰[32]利用有限元軟件對摘果裝置的振動信號進行了試驗分析，提出了減振措施；王東偉[33]全面研究了花生摘果機理，借助ANSYS的有限元分析方法，優(yōu)化了曲面對輥式花生摘果裝置的結構參數(shù)。徐繼康等[34]應用有限元模擬應力分析法和二次正交旋轉組合試驗法，對防纏繞螺旋刀除膜摘果裝置進行了結構優(yōu)化。朱衛(wèi)衛(wèi)等[35]構建了花生摘果仿真模型，研究莢果與摘果輥的碰撞沖擊特性，對有限元分析的沖擊力特性進行了試驗驗證。呂小榮等[36]構建了摘果系統(tǒng)三維實體模型，分析了運動特性，進行仿真正交試驗，研究了不同因素對摘果性能的影響。

2.2.3對摘果裝置的研究 花生摘果裝置的摘果滾筒形狀、數(shù)量、組合方式、夾持鏈等結構特征和喂入方式決定了摘果作業(yè)的性能。4HZ-2型自走式花生聯(lián)合收獲機可根據花生植株收獲時的特點調節(jié)滾筒與凹板篩之間的間隙，以提高秧果的分離能力，減少損失。組合式摘果裝置的多個摘果滾筒，可自由拆卸和更換。關萌等[37]進行了組合滾筒的摘果性能試驗，結果表明，軸流單滾筒摘果效果最好。4HBL-4型花生聯(lián)合收獲機中夾持鏈的雙浮動調節(jié)可以防止秧果堵塞。4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機應用甩捋式摘果機理，應用往復擺拍式拍土裝置可減少機械掉果，提高了鮮濕花生果的摘凈率。

4HLJ-8型輪式自走花生撿拾收獲機采用多級滾筒串聯(lián)，保證了充足的分離時間和分離面積，提高了作業(yè)的順暢性和可靠性。高連興等[38]研制的對輥半喂入式摘果系統(tǒng)中，上摘果輥與下摘果輥差相配置，同時擊打摘果，損傷率較低、摘凈率高，非常適合國內鮮濕花生的摘果作業(yè)。

2.2.4對摘果元件的研究 在對摘果元件形狀和材料持續(xù)研究的基礎上，學者對摘果元件的結構進行創(chuàng)新，以達到理想的摘果效果。4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機增加了復收裝置，以解決滾筒漏果問題[39]。4HBL-4型花生聯(lián)合收獲機采用波紋葉片，擴大摘果范圍與摘果長度，改變了摘果的角度，增加摘凈率，降低破損率；花生秧在摘果彈齒處不堵塞、不落秧、無莢果損傷。4HJL-2 型花生聯(lián)合收獲機采用了螺旋圓弧面板式摘照元件，防止秧蔓堵塞，降低破碎率。王冰等[4]在四行半喂入花生聯(lián)合收獲機上采用圓弧型葉片，莢果與葉片不發(fā)生正向碰撞，多數(shù)莢果滑過圓弧形葉片，葉片對莢果作用較為柔和。

3 花生摘果裝置存在的問題

3.1 摘果不凈

摘果元件和摘果方式是影響花生摘凈率的關鍵因素，摘果不干凈需要二次摘果，浪費時間和精力。4HQL-2型花生聯(lián)合收獲機的三帶夾持機構采用柔性夾持拔取原理，機構較為簡單；但柔性夾持帶來掉果率低、莢果摘不凈的問題[26]；4HZB-2A型花生摘果機采用對輥摘果方式，摘果較為柔和，但會有摘果不凈的問題[40]；4HLB-2型花生聯(lián)合收獲機采用后傾弧形板，摘果方式類似人工摔打摘果，摘果強度較柔和，會造成摘果不干凈[29]。

3.2 破碎率高

花生與摘果元件激烈碰撞，莢果破碎率高。影響破碎率的主要因素有摘果元件的類型、材料性能和滾筒的數(shù)量。4HBL-2型花生聯(lián)合收獲機使用剛性摘果齒，莢果與摘果齒碰撞劇烈，破碎較嚴重。4HLB-4型花生聯(lián)合收獲機挖掘過程中果實破碎率高，莢果強度降低，摘果破碎率較高[41]。4HZ-2型自走式花生聯(lián)合收獲機采用二級滾筒，兩次摘果，帶來了較多的莢果損傷。4HQL-2型花生聯(lián)合收獲機采用打擊作用較強的釘齒滾筒，莢果破碎率高。

3.3 滾筒堵塞

花生秧蔓含水量大、喂入量不均勻，會使秧蔓纏繞在滾筒中、摘果齒或振動篩中，造成滾筒堵塞。4HLB-2型花生聯(lián)合收獲機的擺拍式清土裝置，難以去除土中硬物，造成堵塞[42]。4HLB-4型花生聯(lián)合收獲機上傳統(tǒng)振動篩振動頻率和幅度等參數(shù)不能滿足花生秧果與土石分離，輸送裝置中的傳送花生秧蔓造成擁堵，造成滾筒堵塞。

4 花生摘果裝置的發(fā)展趨勢

4.1 深入研究花生秧果的物料特性

應深入研究花生秧果的物料特性，全面分析影響秧蔓拉伸和剪切性能、花生莢果抗壓性能的因素，探索摘果過程中花生莢果的動力學性能，建立起能夠精確描述花生秧、果分離過程的數(shù)學模型，為摘果裝置的進一步研究奠定理論基礎。

4.2 全方位分析花生莢果的摘果機理

建立摘果裝置三維模型，運用計算機軟件，建立摘果過程有限元模型并進行仿真分析，探索影響摘果質量的因素，確定摘果裝置的最優(yōu)理論工作參數(shù)。利用機電領域最新設備探明摘果機理，建立全方位的摘果機理模型。兼顧摘凈率、破損率和能耗等重要指標的平衡，綜合考慮滾筒轉速、滾筒與凹板間隙等關鍵參數(shù)，進一步優(yōu)化摘果裝置的結構和整體配置。

4.3 摘果裝置的優(yōu)化創(chuàng)新

優(yōu)化花生摘果裝置中摘果滾筒的數(shù)量、摘果間隙等參數(shù)，創(chuàng)新滾筒的結構配置，使花生秧果在滾筒之間、滾筒與凹板間運行順暢，減少滾筒的堵塞，提高摘果滾筒對花生秧果的適應性。創(chuàng)新摘果元件的材料、改進摘果元件的角度、尺寸等結構參數(shù)、改善摘果元件對花生莢果的作用效果，減少花生果實的破損率。將不同類型的摘果元件高效組合，摘果的同時去除果柄，提高摘凈率。