籽用瓜聯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，張經常，湯智輝

(1.新疆農墾科學院 機械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2.農業部西北農業裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000；3.新疆生產建設兵團第十師 農業科學研究所，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]，是新疆農業重要的經濟作物之一。

打瓜和南瓜為長藤圓球形,葫蘆瓜為不規則橢圓柱形，且田間分布呈現無序狀，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的撿拾率和生產率；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。

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

國內很多學者對籽瓜聯合收獲機撿拾器的結構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]設計了聯合打瓜收獲取籽機及改進的聯合打瓜收獲取籽機;王學農等[12]研制了一種新型籽瓜撿拾脫粒聯合作業機；閻洪山等[13]研制了背負式籽瓜聯合收獲機；王慶惠等[14]設計了打瓜撿拾脫粒機撿拾輥的結構；李秀臣等[15]設計了籽用南瓜聯合收獲機的撿拾機構并進行相關研究。本課題組前期對拖拉機背負式籽瓜收獲機進行了設計和應用研究。

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化和試驗研究，確定其結構和工作參數對撿拾作業性能的影響，為下一步改進籽瓜收獲機提供技術依據。

1 撿拾器總體結構及工作原理

1.1 撿拾器總體結構

為了獲得籽瓜收獲機良好的作業效果，要求籽瓜收獲機作業效率達到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。

籽瓜聯合收獲機的撿拾器為橢圓式往復運動，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構，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

作業時，籽瓜聯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動下，繞主動軸橢圓式逆時針旋轉，彈齒在撿拾裝置底部與籽瓜接觸，在回轉沖擊力的作用下籽瓜產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設計參數，彈齒的運動軌跡形狀取決于撿拾裝置的轉速與機器前進速度的比值，這個比值決定了收獲作業過程中的撿拾率和破損率。

2 關鍵部件的設計

2.1 彈齒的設計

撿拾彈齒是撿拾器的關鍵部件，其性能直接關系到收獲機的漏檢率和工作的可靠性，其與籽瓜產生彈性沖擊碰撞，是籽瓜產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構。撿拾彈齒結構設計成雙齒桿單圈復繞結構(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生的彈齒刺入籽瓜內的現象，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 撿拾器的設計

撿拾器主要優化設計了活動機架的底板結構、撿拾裝置彈齒結構和彈齒座桿總成的結構布置。活動機架底板分為兩級，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生的剪切夾瓜，致使籽瓜破碎的現象，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

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

試驗地點：新疆生產建設兵團第十師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

試驗依據國家標準GB/T 8097-2008《收獲機械聯合收割機試驗方法》制定田間試驗流程和準則[17-18]。在試驗地內選取1個試驗區，試驗區長度應大于50m，寬度10m，試驗區長度方向兩端預備區不小于10m。在試驗區的橫向每間隔2.1m劃定1組測試點，共3組；縱向每間隔1.5m(4行)設置1組測試點，共9組，每個測試點均為4.0m×0.7m的矩形區，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。在測點內分別測定籽瓜株數、籽瓜個數、籽瓜的橫徑、縱徑及質量。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。

試驗時間應在中午12時以后，籽瓜藤蔓較脆且其上無露水，試驗前撿拾器應做好潤滑，開車之前各部件空運轉15min，待運轉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后，收集每個收集點上的測試數據，并記錄。

圖3 試驗機車行走路線

3.3 數據計算

3.3.1 漏撿率

漏撿率是指收獲作業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為測點內籽瓜總生物質量(kg)；G2為漏撿籽瓜生物質量(kg)。

3.3.2 破損率

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

(2)

其中，N1為測點內籽瓜總個數(個)；N2為破損籽瓜總個數(個)。

3.4 試驗因素選擇及調整

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過程中的穩定性和撿拾器工作參數對漏檢率和破損率的影響，選擇收獲機的行走速度、撿拾裝置的轉速和撿拾彈齒座桿間距參數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，試驗共連續進行3組試驗，每個指標重復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 試驗因素的調整

試驗中為了獲得撿拾裝置的不同轉速，在撿拾器驅動馬達和齒輪泵中間加裝流量控制閥和溢流閥，通過調節流量控制閥的流量控制馬達的輸出轉速。

撿拾彈齒座桿兩端固定于節距為25.4mm的鏈條上，通過調節彈齒座桿在鏈條上的位置調價彈齒座桿的間距。

3.5 試驗結果與分析

通過籽瓜聯合收獲機撿拾器的收獲試驗，根據試驗結果記錄表中的數據進行統計和整理[23]，如表2所示。

表2 正交實驗結果

續表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，根據表2中試驗結果的極差分析，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為籽瓜聯合收獲機漏檢率與機具作業因素的趨勢圖，該作業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，破損率指標的較優組合為A1B1C3，漏撿率指標的較優組合為A1B3C3。

3.5.2 方差分析

對試驗結果進行方差分析，結果如表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，撿拾彈齒經過同一點的次數較多，籽瓜漏撿率低，但因為和被撿拾籽瓜接觸的次數的概率也大，破損率也相應較大。隨著撿拾裝置轉速越來越大，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果

F0.05(2，2)=19.00；F0.01(2，2)=99.00。

通過極差和方差的試驗數據分析，綜合各試驗因素對撿拾器性能指標的影響及其優化組合，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]確定較優組合為A1C3B3，即行駛速度1.5km/h、撿拾裝置轉速120r/min、座桿間距508.0mm。經田間試驗，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要求。

4 結論

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

2)采用三因素三水平正交試驗設計試驗研究撿拾器最佳工作參數組合，確定了撿拾性能的主次因素依次為作業速度、撿拾裝置轉速和座桿間距；較優組為作業速度1.5km/h、撿拾裝置轉速為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，工況條件下撿拾器對不同尺寸類型籽瓜品種均具有良好適應性，籽瓜聯合收獲機田間適應性較強，滿足籽瓜收獲的農藝技術要求。

4)與現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量，提高了機器作業的可靠性。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，作業時會觸碰到土壤中的石塊，且撿拾作業時與籽瓜發生彈性碰撞，長時間作業會發生彈性形變甚至出現裂紋。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構進行深入的研究。