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，原料質量要求高，是番茄加工產業鏈中一個重要環節[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，人工采摘可以實現成熟番茄在過熟前及時采摘，保證果實質量，但人工采摘效率低，勞動量大，經濟效益低[4]。國內外現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，然后經分離裝置分離出番茄果實，再經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，但現有采收機械均不能實現已熟番茄的及時采收，番茄浪費大，過熟果實比率高，原料質量降低[5-8]。研發一種能分批次收獲、效率高和番茄收獲質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點的基礎上，設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速和裝置行進速度對采摘性能指標的影響。結果表明，該裝置具有結構簡單、穩定性好和工作效率高的優點。

2 采摘裝置結構與工作原理

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、前側采摘鏈、后側采摘鏈、前側小鏈輪、后側小鏈輪、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，裝置前側的挑秧輪將番茄秧挑起并依次進入結構完全相同且對稱的采摘輸送機構之間，傳動系統帶動輸送鉸龍轉動，輸送鉸龍傳遞的動力經鉸龍鏈輪帶動前側采摘鏈和前側小鏈輪轉動，前側小鏈輪帶動后側小鏈輪轉動，后側小鏈輪帶動后側采摘鏈繞滾輪轉動，采摘板鉚接在前側采摘鏈和后側采摘鏈上并隨其轉動；番茄果實接觸采摘板時在采摘板刮刷力的作用下實現果柄分離，摘落后的果實經輸送蛟龍輸出，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生長，等待下次采摘，實現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，試驗所用的儀器設備為電子式拉力試驗機，數顯式電子天平，數顯式游標卡尺。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組數值，每組試驗重復進行3次，每次試驗10棵番茄植株，各項試驗數據取平均值，試驗水平表，如表2所示。

表中：x1—采摘板轉速；x2—裝置行進速度。

4 試驗結果與分析

4.1 試驗結果

采摘試驗方案與結果，如表3所示。

表3 試驗方案及結果Tab.3 Plan and Results of the Experiments

4.2 單因素試驗結果分析

4.2.1 回歸分析與檢驗

用SAS9.2統計分析軟件對試驗結果進行方差分析，采摘板轉速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速和裝置行進速度的回歸方程。

式中：式（1）～式（3）—采摘板轉速與果柄分離率、青果率和果實破損率關系的回歸方程；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系的回歸方程；經顯著性檢驗，曲線方程的回歸系數顯著性水平小于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

根據圖3（a），果柄分離率的大小隨采摘板轉速的增大先增大后減小，在采摘板轉速為24r·min-1時分離率達到最大。當采摘板轉速增大，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；采摘板轉速過大時，發生纏繞番茄秧的現象，番茄果柄被折斷，果柄不易分離降低果柄分離率。

根據圖3（b），青果率的大小隨采摘板轉速的增大而增大，當采摘板轉速增大，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%，低于行業標準值。

根據圖3（c），果實破損率的大小隨采摘板轉速的增大而增大，當采摘板轉速增大，果實短時間內被摘落，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，導致果實破損。根據圖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，表現為很高的分離率。根據圖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%，低于行業標準值。根據圖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、果實與裝置之間發生擠壓碰撞，導致果實破損。

5 結論

（1）設計了一種刮刷式加工番茄分批次采摘裝置，實現了加工番茄的及時、分批次機械化采摘。（2）試驗表明：隨著采摘板轉速增大，果柄分離率數值先升高后降低，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）由試驗結果可知，裝置的結構尺寸和工作參數與作業環境還存在一定的不協調性，需要在以后的設計中加以優化改進。

［1］高治國，齊偉，郭健.4 FZ-2型自走式番茄收獲機的總體設計［J］.農機化研究，2013（6）：110-112.（Gao Zhi-guo，Qi Wei，Guo Jian.The overall design of the 4FZ-2self-propeller tomato harvester［J］.Journal of Agricultural Mechanization Research，2013（6）：110-112.）

［2］鄭鐵松，李雪枝.不同濃度1-MCP對番茄保鮮效果的研究［J］.食品科學，2006，27（10）：553-555.（Zheng Tie-song，Li Xue-zhi.Research on the effects of 1-MCP of different concentrations in fresh-keeping of tomatoes［J］.Food Science，2006，27（10）：553-555.）

［3］李成松，坎雜，譚洪洋.4FZ-30型自走式番茄收獲機的研制［J］.農業工程學報，2012，28（10）：21-26.（Li Cheng-song，Kan Za，Tan Hong-yang.Development of 4FZ-30type self-propelled tomato harvester［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2012，28（10）：21-26.）

［4］肖彬彬，畢新勝，蔡潔潔.加工番茄果秧分離裝置的設計與試驗［J］.農機化研究，2013，5（5）：163-166.（Xiao Bin-bin，Bi Xin-sheng，Cai Jie-jie.Design and experiment of separation device for the processing tomato［J］.Journal of Agricultural Mechanization Research，2013，5（5）：163-166.）

［5］Studer H E，Smaalders B，Hartsough B.A force-balanced rotary shaker［J］.American Society of Agricultural Engineers，1982，81（1066）：1160-1168.

［6］李成松，坎雜，譚洪洋.加工番茄果秧分離裝置運動過程分析［J］.農業機械學報，2012，43（4）：66-69.（Li Cheng-song，Kan Za，Tan Hong-yang.Movement process analysis on processing tomato fruit separation device［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2012，43（4）：66-69.）

［7］麻芳蘭，蔡力，申科.小型甘蔗收獲機切割性能影響試驗研究［J］.機械設計與制造，2015，11（11）：256-258.（Ma Fang-lan，Cai Li，Shen Ke.Experimental research on the cutting performance of small sugarcane harvester ［J］.Machinery Design&Manufacture，2015，11（11）：256-258.）

［8］李智國，劉繼展，李萍萍.機器人采摘中番茄力學特性與機械損傷的關系［J］.農業工程學報，2010，26（5）：113-115.（Li Zhi-guo，Liu Ji-zhan，Li Ping-ping.Relationship between mechanical property and damage of tomato during robot harvesting［J］.Transactions oftheChineseSociety of Agricultural Engineering，2010，26（5）：113-115.）

［9］布庫，萬其號，李巖.打結器試驗臺的設計［J］.機械設計與制造，2010，8（8）：37-39.（Bu Ku，Wan Qi-hao，Li Yan.Design of a d kontter test-bench［J］.Machinery Design&Manufacture，2010，8（8）：37-39.）

［10］洪偉，吳承禎．實驗設計與分析［M］.北京：中國林業出版社，2004.（Hong Wei，Wu Cheng-zhen.Experiment Design and Analysis［M］.BeiJing：Forestry Publishing House of China，2004.）