李 陽，王吉奎，段文獻(xiàn)，羅 威

（石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)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(zhì)量要求高，是番茄加工產(chǎn)業(yè)鏈中一個重要環(huán)節(jié)[1-3]。加工番茄有人工采摘和機(jī)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(xiàn)成熟番茄在過熟前及時采摘，保證果實質(zhì)量，但人工采摘效率低，勞動量大，經(jīng)濟(jì)效益低[4]。國內(nèi)外現(xiàn)有的番茄收獲機(jī)都是一次性收獲機(jī)械，其工作原理是先用收割裝置將番茄秧收割下來，然后經(jīng)分離裝置分離出番茄果實，再經(jīng)色選裝置篩選出成熟番茄并輸送至運(yùn)輸車，未成熟的番茄則被丟棄在田間，機(jī)械收獲效率高，成本低，但現(xiàn)有采收機(jī)械均不能實現(xiàn)已熟番茄的及時采收，番茄浪費(fèi)大，過熟果實比率高，原料質(zhì)量降低[5-8]。研發(fā)一種能分批次收獲、效率高和番茄收獲質(zhì)量有保證的加工番茄收獲機(jī)已成為各國競相研究的目標(biāo)[9]。在借鑒當(dāng)前番茄收獲機(jī)械諸多優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)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(zhuǎn)速和裝置行進(jìn)速度對采摘性能指標(biāo)的影響。結(jié)果表明，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好和工作效率高的優(yōu)點(diǎn)。

2 采摘裝置結(jié)構(gòu)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(tǒng)、前側(cè)采摘鏈、后側(cè)采摘鏈、前側(cè)小鏈輪、后側(cè)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(yè)，裝置前側(cè)的挑秧輪將番茄秧挑起并依次進(jìn)入結(jié)構(gòu)完全相同且對稱的采摘輸送機(jī)構(gòu)之間，傳動系統(tǒng)帶動輸送鉸龍轉(zhuǎn)動，輸送鉸龍傳遞的動力經(jīng)鉸龍鏈輪帶動前側(cè)采摘鏈和前側(cè)小鏈輪轉(zhuǎn)動，前側(cè)小鏈輪帶動后側(cè)小鏈輪轉(zhuǎn)動，后側(cè)小鏈輪帶動后側(cè)采摘鏈繞滾輪轉(zhuǎn)動，采摘板鉚接在前側(cè)采摘鏈和后側(cè)采摘鏈上并隨其轉(zhuǎn)動；番茄果實接觸采摘板時在采摘板刮刷力的作用下實現(xiàn)果柄分離，摘落后的果實經(jīng)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(xù)生長，等待下次采摘，實現(xiàn)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(shè)備為電子式拉力試驗機(jī)，數(shù)顯式電子天平，數(shù)顯式游標(biāo)卡尺。采摘試驗在刮刷式采摘試驗臺上進(jìn)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(jìn)行單因素試驗[10]，選擇采摘板轉(zhuǎn)速和裝置行進(jìn)速度為兩個單因素試驗因子，通過試驗分別得到采摘板轉(zhuǎn)速x1和裝置行進(jìn)速度x2對試驗指標(biāo)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(shù)值，每組試驗重復(fù)進(jìn)行3次，每次試驗10棵番茄植株，各項試驗數(shù)據(jù)取平均值，試驗水平表，如表2所示。

表中：x1—采摘板轉(zhuǎn)速；x2—裝置行進(jìn)速度。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 試驗結(jié)果

采摘試驗方案與結(jié)果，如表3所示。

表3 試驗方案及結(jié)果Tab.3 Plan and Results of the Experiments

4.2 單因素試驗結(jié)果分析

4.2.1 回歸分析與檢驗

用SAS9.2統(tǒng)計分析軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析，采摘板轉(zhuǎn)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(jìn)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(biāo)的方差分析Tab.4 Variance Analysis on Experiment Index

表5 試驗指標(biāo)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(zhuǎn)速和裝置行進(jìn)速度的回歸方程。

式中：式（1）～式（3）—采摘板轉(zhuǎn)速與果柄分離率、青果率和果實破損率關(guān)系的回歸方程；式（4）～式（6）—裝置行進(jìn)速度與果柄分離率、青果率和果實破損率關(guān)系的回歸方程；經(jīng)顯著性檢驗，曲線方程的回歸系數(shù)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(biāo)的回歸模型曲線，如圖3所示。

圖3 單因素對試驗指標(biāo)的影響曲線Fig.3 Influence Curves of Single Factor on Experiment Index

根據(jù)圖3（a），果柄分離率的大小隨采摘板轉(zhuǎn)速的增大先增大后減小，在采摘板轉(zhuǎn)速為24r·min-1時分離率達(dá)到最大。當(dāng)采摘板轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速過大時，發(fā)生纏繞番茄秧的現(xiàn)象，番茄果柄被折斷，果柄不易分離降低果柄分離率。

根據(jù)圖3（b），青果率的大小隨采摘板轉(zhuǎn)速的增大而增大，當(dāng)采摘板轉(zhuǎn)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)圖3（c），果實破損率的大小隨采摘板轉(zhuǎn)速的增大而增大，當(dāng)采摘板轉(zhuǎn)速增大，果實短時間內(nèi)被摘落，相互擠壓碰撞嚴(yán)重，同時裝置的振動增加了裝置對果實的擠壓力，導(dǎo)致果實破損。根據(jù)圖3（d），果柄分離率的大小隨裝置行進(jìn)速度的增大而減小，原因是裝置行進(jìn)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(jìn)速度達(dá)到2.60km·h-1時果柄分離率仍保持在96.50%以上，表現(xiàn)為很高的分離率。根據(jù)圖3（e），青果率的大小隨裝置行進(jìn)速度的增大而增大，當(dāng)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)圖3（f），果實破損率的大小隨裝置行進(jìn)速度的增大而增大，裝置行進(jìn)方向與采摘板轉(zhuǎn)速方向成90°角，當(dāng)裝置行進(jìn)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(fā)生擠壓碰撞，導(dǎo)致果實破損。

5 結(jié)論

（1）設(shè)計了一種刮刷式加工番茄分批次采摘裝置，實現(xiàn)了加工番茄的及時、分批次機(jī)械化采摘。（2）試驗表明：隨著采摘板轉(zhuǎn)速增大，果柄分離率數(shù)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(jìn)速度增大，果柄分離率數(shù)值逐漸降低，而青果率和果實破損率則是一直增大；當(dāng)采摘板轉(zhuǎn)速為24r·min-1，裝置行進(jìn)速度為2.20km·h-1時，采摘效果最好。（3）由試驗結(jié)果可知，裝置的結(jié)構(gòu)尺寸和工作參數(shù)與作業(yè)環(huán)境還存在一定的不協(xié)調(diào)性，需要在以后的設(shè)計中加以優(yōu)化改進(jìn)。

［1］高治國，齊偉，郭健.4 FZ-2型自走式番茄收獲機(jī)的總體設(shè)計［J］.農(nóng)機(jī)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(xué)，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(jī)的研制［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)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(shè)計與試驗［J］.農(nóng)機(jī)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(yùn)動過程分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)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(jī)切割性能影響試驗研究［J］.機(jī)械設(shè)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(jī)器人采摘中番茄力學(xué)特性與機(jī)械損傷的關(guān)系［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)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(jié)器試驗臺的設(shè)計［J］.機(jī)械設(shè)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(shè)計與分析［M］.北京：中國林業(yè)出版社，2004.（Hong Wei，Wu Cheng-zhen.Experiment Design and Analysis［M］.BeiJing：Forestry Publishing House of China，2004.）