自走式辣椒收獲機(jī)械研制與試驗(yàn)

蘇安晉，杜 嬋，杜 娟

(1.山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原 030031；2.太原科技大學(xué)，山西 太原 030031)

0 引言

辣椒是茄果類重要蔬菜之一，是世界上僅次于豆類、番茄的第3大蔬菜作物[1]。我國(guó)是世界上最大的辣椒生產(chǎn)國(guó)和主要的辣椒消費(fèi)國(guó)及出口國(guó)，種植面積占世界辣椒種植面積的40%左右，形成以貴州、湖南、新疆、陜西和山西等為代表的辣椒生產(chǎn)大省(自治區(qū))。2013年，我國(guó)辣椒產(chǎn)量約1 750萬(wàn)t，2020年更是達(dá)到1 900萬(wàn)t。目前，全國(guó)辣椒種植面積占蔬菜種植總面積的20%左右，約233.3萬(wàn)hm2(3 500萬(wàn)畝)，年產(chǎn)值約2 800億元。

近年來(lái)，山西省辣椒種植面積逐年加大，辣椒已成為山西省種植面積最大的蔬菜種類之一，2020年辣椒種植面積超過(guò)5.67萬(wàn)hm2(85萬(wàn)畝)，占全省蔬菜播種面積的17%左右[2]。由于獨(dú)特的地理位置和氣候，造就了山西省辣椒具有產(chǎn)量高、品質(zhì)好和色價(jià)高等特點(diǎn)。但是辣椒普遍采用人工采摘，采摘成本占辣椒售價(jià)的38%～40%，采摘時(shí)間緊、勞動(dòng)強(qiáng)度較大、采摘環(huán)境惡劣和采摘效率低等，嚴(yán)重制約了山西省辣椒產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[3]。辣椒采摘技術(shù)是亟待解決的問(wèn)題，而自走式辣椒收獲機(jī)械技術(shù)及裝備是辣椒收獲的有效方法之一[4]。

1 國(guó)內(nèi)外辣椒收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)辣椒收獲機(jī)械研究較早，美國(guó)于1967年率先在鈴狀辣椒商業(yè)機(jī)械化采摘收獲方面進(jìn)行了研究，這一時(shí)期，世界其他國(guó)家和地區(qū)也設(shè)計(jì)出多種辣椒收獲機(jī)械，但是采摘效果都不理想[5]。20世紀(jì)70年代，展開(kāi)式雙螺旋型辣椒收獲機(jī)在美國(guó)誕生；80年代初，辣椒收獲機(jī)械在美國(guó)多家研究機(jī)構(gòu)得到進(jìn)一步研究，但是商業(yè)化效益不顯著。90年代以后，隨著人工采摘收獲成本的不斷增加，以及辣椒產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，各國(guó)又著手對(duì)辣椒收獲機(jī)械的研究，以西班牙和美國(guó)為例，他們?cè)谶@方面投入巨大。西班牙在雙螺旋式辣椒收獲機(jī)械方面做了大量工作，美國(guó)對(duì)原有的番茄收獲機(jī)進(jìn)行改裝，商用紅辣椒收獲機(jī)就是在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，取得較好的收獲效果。之后又對(duì)各類辣椒采摘裝置和清選裝置進(jìn)行研制，采摘裝置主要有長(zhǎng)桿梳指式、帶狀梳齒式及滾筒彈指式3種形式。清選裝置主要有氣流式與輥?zhàn)邮降膹?fù)合形式，以及氣流式與滾筒式的復(fù)合形式兩種。

國(guó)內(nèi)對(duì)辣椒收獲機(jī)械的研究相對(duì)較晚，基本處于人工采收或半機(jī)械化采收階段[6]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年之前只有為數(shù)不多的農(nóng)民自己改制簡(jiǎn)易的辣椒采收機(jī)，幾乎沒(méi)有專業(yè)的研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，產(chǎn)品也大多不適合大面積種植規(guī)模作業(yè)，基本是在人工收割或機(jī)器收割完成后，再由人工喂料進(jìn)行采摘，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，產(chǎn)品單一，破碎率比較高，拾禾率比較低。

隨著辣椒種植面積的持續(xù)增大和勞動(dòng)力緊缺，辣椒采摘成本在辣椒生產(chǎn)成本中所占比例越來(lái)越高，辣椒種植戶和加工企業(yè)對(duì)辣椒機(jī)械化收獲的需求迫切，一些科研單位和生產(chǎn)企業(yè)相繼對(duì)辣椒收獲機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了研制和開(kāi)發(fā)。如新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)2師21團(tuán)對(duì)線辣椒采摘裝置進(jìn)行了研制；新疆機(jī)械研究院研發(fā)出自走式不對(duì)行辣椒收獲機(jī)；新疆石河子大學(xué)申請(qǐng)了多項(xiàng)有關(guān)辣椒收獲機(jī)的專利，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一種新型辣椒聯(lián)合收獲機(jī)，一次完成辣椒采摘、分離、清選和裝箱。

目前，人工采摘依然是山西省辣椒收獲的主要方式，雖然引進(jìn)一些收獲機(jī)械，但破碎率高、拾椒率低，效果都不太理想[7]。山西省相關(guān)單位，根據(jù)當(dāng)?shù)乩苯贩N植農(nóng)藝，研發(fā)出一種適合山西省的自走式辣椒收獲機(jī)械，填補(bǔ)了山西省辣椒收獲技術(shù)的空白。

2 山西省自走式辣椒收獲機(jī)性能與試驗(yàn)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

該自走式辣椒收獲機(jī)由底盤(pán)、變速裝置、收獲平臺(tái)、升運(yùn)裝置、清選風(fēng)機(jī)、集料器和傳動(dòng)系統(tǒng)等主要部件組成[8-9]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.主啟動(dòng)機(jī) 2.采摘部件 3.傳動(dòng)系統(tǒng) 4.底盤(pán) 5.升運(yùn)裝置 6.清選風(fēng)機(jī) 7.集裝器

2.1.1 底盤(pán)

底盤(pán)用于固定、支承收獲機(jī)的收獲平臺(tái)、升運(yùn)裝置、清選風(fēng)機(jī)、集料器和傳動(dòng)系統(tǒng)等主要部件。

2.1.2 收獲平臺(tái)

當(dāng)自走式辣椒收獲機(jī)械向前行進(jìn)采收辣椒時(shí)，其扶禾裝置(扶禾板和扶禾器)將辣椒莖稈導(dǎo)入采摘裝置中，辣椒由采摘裝置脫落，由升運(yùn)裝置輸送至割臺(tái)攪龍中，割臺(tái)攪龍將辣椒由兩端向中間推送，拋送到升運(yùn)裝置，進(jìn)入集料器。

(1)扶禾輥輪(扶禾板)。隨著自走式辣椒收獲機(jī)械向前行進(jìn)，扶禾輥輪持續(xù)把辣椒植株向前推送，使辣椒植株向前傾斜一定的角度，有利于辣椒植株穩(wěn)定地進(jìn)入采摘裝置，扶禾輥輪在采摘過(guò)程中應(yīng)保持轉(zhuǎn)動(dòng)自如，扶禾輥輪高度可以根據(jù)辣椒植株高度調(diào)整割臺(tái)兩側(cè)螺栓來(lái)實(shí)現(xiàn)，扶禾板的高度可以通過(guò)調(diào)整鏈條來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(2)升運(yùn)器下輥輪。調(diào)整兩側(cè)的螺栓來(lái)調(diào)整升運(yùn)帶的松緊，過(guò)松時(shí)容易打滑，過(guò)緊容易損壞。調(diào)整時(shí)應(yīng)注意保持兩側(cè)松緊程度一致，否則升運(yùn)帶會(huì)跑偏。應(yīng)經(jīng)常檢查該輥輪表面，清理雜物，否則會(huì)縮短升運(yùn)帶壽命。

(3)采摘部件。采用旋轉(zhuǎn)式采摘裝置，將辣椒從辣椒莖稈上脫落，辣椒植株被導(dǎo)入采摘裝置后，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在其上面的彈齒將辣椒脫落。應(yīng)經(jīng)常校準(zhǔn)彈齒的角度，在使用過(guò)程中應(yīng)檢查雜物的纏繞。

(4)采摘臺(tái)攪龍。采摘臺(tái)攪龍把摘落的辣椒由兩端向中間位置推送，再把辣椒運(yùn)送到升運(yùn)裝置[10]。

2.1.3 升運(yùn)裝置和集料箱

采摘后的辣椒通過(guò)升運(yùn)裝置運(yùn)送到集料箱，當(dāng)集料箱的辣椒達(dá)到一定質(zhì)量時(shí)，通過(guò)重力傳感器傳到控制系統(tǒng)，進(jìn)行自動(dòng)卸料。

2.1.4 變速箱

改變傳動(dòng)比，來(lái)達(dá)到辣椒收獲機(jī)械需要的速度，還可以中斷動(dòng)力輸送，實(shí)現(xiàn)空擋。

2.1.5 風(fēng)機(jī)

通過(guò)風(fēng)機(jī)吹出采摘過(guò)程中攜帶的大部分碎小莖葉，對(duì)采摘的辣椒進(jìn)行清選。

2.1.6 主要技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

該自走式辣椒收獲機(jī)作業(yè)效率0.30～1.05 hm2/h，作業(yè)速度3.5～7 km/h，摘凈率>95%，破損率<7%。

2.2 工作原理

啟動(dòng)辣椒收獲機(jī)，在動(dòng)力系統(tǒng)帶動(dòng)下，辣椒收獲機(jī)沿辣椒行間前進(jìn)，扶禾板和扶禾輥輪將辣椒植株持續(xù)向前推，辣椒植株持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)入采摘裝置。采摘零部件主要是滾筒和彈齒，滾筒上固定著彈齒，彈齒是采摘核心零件，通過(guò)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒，運(yùn)動(dòng)到前端的彈齒將辣椒植株上的辣椒和細(xì)小枝葉摘落，在滾筒的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，彈齒帶動(dòng)摘下的辣椒和枝葉向后運(yùn)動(dòng)，最終被甩到輸送帶上，采摘臺(tái)攪龍把摘落的辣椒由兩端向中間位置推送，再把辣椒運(yùn)送到升運(yùn)裝置，在風(fēng)機(jī)的作用下對(duì)辣椒果實(shí)進(jìn)行吹風(fēng)清選，碎小枝葉則掉落到地面，辣椒通過(guò)升運(yùn)裝置運(yùn)送到集料箱，當(dāng)集料箱的辣椒達(dá)到一定質(zhì)量時(shí)進(jìn)行自動(dòng)卸料，完成辣椒果實(shí)的采摘。

2.3 創(chuàng)新點(diǎn)

采摘部件由滾筒及彈齒構(gòu)成，辣椒植株被導(dǎo)入采摘裝置后隨著滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在滾筒上面的彈齒把辣椒脫落，減小辣椒破損率。作業(yè)時(shí)，扶禾輥輪持續(xù)把辣椒植株向前推送，使辣椒植株向前傾斜一定角度，有利于辣椒植株進(jìn)入采摘裝置更穩(wěn)定，提高辣椒果實(shí)采摘過(guò)程中的拾禾率。集料箱裝有壓力傳感器，防止集料箱超重?fù)p壞機(jī)器。

2.4 田間試驗(yàn)

2020年在晉中市對(duì)該機(jī)具進(jìn)行了多次田間試驗(yàn)。晉中市屬于山地丘陵平原地貌，地理環(huán)境比較復(fù)雜，累計(jì)收獲辣椒33.3 hm2(500多畝)，作業(yè)效果得到當(dāng)?shù)赜脩舻恼J(rèn)可。田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 自走式辣椒收獲機(jī)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)

田間試驗(yàn)表明，該自走式辣椒收獲機(jī)性能穩(wěn)定、效率高、摘凈率高、掛枝率低、掉損率低，操作簡(jiǎn)單、省時(shí)省力，可將廣大辣椒種植戶從傳統(tǒng)的手工采摘方式中解放出來(lái)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 結(jié)束語(yǔ)

辣椒機(jī)械化收獲是促進(jìn)辣椒產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展的重要因素。自走式辣椒收獲機(jī)械技術(shù)及裝備可以將農(nóng)戶從繁重的辣椒采摘?jiǎng)趧?dòng)中解放出來(lái)，作業(yè)效率高、破損率低、采凈率高、操作方便。山西省相關(guān)單位，根據(jù)當(dāng)?shù)乩苯贩N植農(nóng)藝，研發(fā)出的適合山西省的自走式辣椒收獲機(jī)械，經(jīng)田間試驗(yàn)表明，其作業(yè)性能穩(wěn)定、效率高、摘凈率高，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，填補(bǔ)了山西省辣椒收獲技術(shù)及裝備空白。