韓曉琪　馮指名　蘇娜　王文娟　王瑞麗

摘要：針對(duì)番茄聯(lián)合收割獲過程中分秧扶秧效果不好、收割損失大的問題，提出番茄兩段收獲方法，研制番茄扶秧收割機(jī)。該機(jī)主要由分秧器、扶秧器、切割器、電機(jī)和機(jī)架構(gòu)成，能完成番茄分秧、扶秧和收割功能。采用蓄電池提供動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，在大棚、溫室內(nèi)進(jìn)行收獲作業(yè)。利用三維建模軟件建立收割機(jī)三維模型，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析。通過虛擬試驗(yàn)和有限元分析優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)并制作樣機(jī)，為番茄扶秧收獲機(jī)的研制提供了參考。

關(guān)鍵詞：番茄；收獲機(jī)； 分秧；扶秧；有限元分析

中圖分類號(hào)：G312；S-03 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2018）01-0026-03

我國(guó)是世界上番茄栽培面積最大、生產(chǎn)總量最多的國(guó)家，也是世界第二大加工番茄生產(chǎn)基地。番茄種植和田間管理已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但仍主要依靠人工采摘，收獲機(jī)械化水平較低。國(guó)外對(duì)番茄收獲機(jī)研究起步早且技術(shù)成熟，主要以 FMC，CTM等公司為代表。進(jìn)口收獲機(jī)價(jià)格昂貴，服務(wù)周期長(zhǎng)，難以滿足國(guó)內(nèi)番茄收獲需求。國(guó)內(nèi)對(duì)番茄收獲機(jī)的研究主要集中在新疆，李景彬等研究了番茄收獲拋秧裝置，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化和優(yōu)化，提高了番茄收獲質(zhì)量。齊偉等對(duì)番茄收獲機(jī)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高番茄收獲機(jī)的作業(yè)效率和番茄收獲質(zhì)量。陳明昌等在番茄收獲機(jī)上加裝測(cè)產(chǎn)裝置，以提高番茄收獲信息化水平。周軍平等對(duì)番茄收獲機(jī)喂入機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高番茄收獲的質(zhì)量。另外，番茄分枝能力強(qiáng)，果實(shí)多且重，容易導(dǎo)致番茄秧倒伏，收獲時(shí)難以從地表收集并分離倒伏的番茄秧和果實(shí)，部分番茄漏收或被收獲機(jī)輪胎壓碎，造成較大損失。徐為民等研究番茄扶秧機(jī)，對(duì)其結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真分析，為機(jī)械化收獲番茄提供依據(jù)。

為解決番茄倒伏難以完整收獲的問題，可采用兩段收獲方法，即先把倒伏的番茄秧和果實(shí)扶起并收割鋪放到壟上，再用番茄聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行撿拾、輸送、摘果、分離等作業(yè)，減少因倒伏導(dǎo)致的番茄損失。結(jié)合番茄生產(chǎn)農(nóng)藝要求，研制一種兩段式小型番茄扶秧收割機(jī)，旨在探索番茄扶秧收獲的參數(shù)，為研制番茄扶秧收獲機(jī)提供依據(jù)。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作過程

番茄扶秧收獲試驗(yàn)裝置由分秧器、撥秧器、切割器和機(jī)架組成（圖1），能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)成熟番茄的分秧、扶秧、切割功能。分秧器使倒伏在壟溝內(nèi)相互纏繞的番茄秧分離，通過一對(duì)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的撥秧器把分離開來(lái)的番茄秧扶正并撥向兩側(cè)，為切割器收割番茄秧做準(zhǔn)備。最后，用往復(fù)運(yùn)動(dòng)的切割器切割長(zhǎng)有番茄的番茄秧，并輸送到一側(cè)鋪放。番茄收割并鋪放后可人工摘果或使用帶有撿拾器的聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行后續(xù)摘果和分離作業(yè)。

番茄扶秧機(jī)試驗(yàn)裝置主要參數(shù)如表1所示。

2 典型零部件設(shè)計(jì)

2.1 分秧器

分秧器（圖2）由護(hù)板、擋板和支撐架組成，護(hù)板擋板連接成楔形，分秧器較長(zhǎng)直角邊長(zhǎng)度350 mm，與地面形成一個(gè)5°～7°的向下偏角（視支撐輪大小角度可以調(diào)整）。分秧器的作用是將收割機(jī)收割范圍之外的相互纏繞的秧分離；支撐架起到固定和支撐的作用，防止番茄秧過于濃密對(duì)材質(zhì)較軟的分秧器阻力過大造成變形；偏向地面的微小角度可以更好地分離貼近地面的秧，起到更好的分離效果；分秧過程中，分秧器兩側(cè)與番茄秧緊密接觸，摩擦損失較大，護(hù)板可以有效保護(hù)分秧器。

2.2 撥秧器

撥秧器（圖3）由撥秧輥?zhàn)雍腿舾绍涃|(zhì)橡膠條組成，輥?zhàn)佑奢S承固定在機(jī)架上，軟質(zhì)橡膠條均勻地在輥?zhàn)由侠p繞兩周。輥?zhàn)友b在分秧器之后，2個(gè)一組相向旋轉(zhuǎn)，前排一組的兩個(gè)輥?zhàn)酉蛲鈧?cè)旋轉(zhuǎn)，后排輥?zhàn)酉騼?nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)。需要注意的是，輥?zhàn)由蠟樵黾幽Σ亮Χ友b的軟質(zhì)橡膠條的纏繞方向一定要正確。分秧器將番茄秧分離后，撥秧器利用輥?zhàn)有D(zhuǎn)使軟質(zhì)橡膠條和番茄秧接觸產(chǎn)生摩擦力，將番茄秧扶正，便于番茄秧進(jìn)入收割范圍。其中，前排輥?zhàn)娱g距較小，向外側(cè)旋轉(zhuǎn)將倒向中間的番茄秧扶正；后排輥?zhàn)娱g距較大，向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)將倒向外側(cè)的番茄秧扶正。前后排輥?zhàn)右黄鸸ぷ?，可以將倒伏的番茄秧扶正，等待收割刀切割。橡膠管的直徑不宜過大或過小，過大或過小都會(huì)影響輥?zhàn)訉?duì)番茄秧的扶秧作用。

2.3 切割器

切割器為往復(fù)式割刀，主要由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和割刀組成，由于番茄秧較為粗大，故采用通用I型割刀。I型割刀的切割速度較高，切割性能較強(qiáng)。割刀的帶動(dòng)裝置為曲柄滑塊結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，在小型聯(lián)合收割機(jī)中應(yīng)用較廣。

2.4 機(jī)架和動(dòng)力選擇

機(jī)架是整個(gè)裝置的基礎(chǔ)。為防止往復(fù)式割刀的巨大震動(dòng)破壞整體結(jié)構(gòu)、影響工作效率，機(jī)架整體應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，故機(jī)架材料選用高強(qiáng)度高剛度的鋼材。此外，該機(jī)還在機(jī)架上安裝了支撐輪，主要起支撐作用，并減小割刀擺動(dòng)震蕩對(duì)正常工作的影響。

為能在溫室或大棚進(jìn)行番茄收獲作業(yè)，選擇電機(jī)（12 V，50 r/min）為收割機(jī)和撥秧器提供動(dòng)力，電機(jī)由12 V蓄電池供電。

3 分秧器有限元分析

利用Solidworks軟件對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行三維建模和有限元分析，如圖4所示。

分析結(jié)果表明，分秧器最大應(yīng)力為501 kN/m2，最小應(yīng)力為3 kN/m2，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

采用三維建模方法設(shè)計(jì)番茄扶秧收割機(jī)并進(jìn)行樣機(jī)制作，在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)競(jìng)賽中獲得三等獎(jiǎng)。該機(jī)集分秧、扶秧、切割功能于一體，能節(jié)省人工分秧、扶秧成本。樣機(jī)尚需進(jìn)一步試驗(yàn)完善，以期在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李成松，坎雜，譚洪洋，等.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(bào)， 2012（10）：20-26.

[2] 李景彬，劉富強(qiáng)，坎雜，等.番茄收獲機(jī)拋秧裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真[J]. 農(nóng)機(jī)化研究， 2016（12）：25-29+34.

[3] 齊偉，王玲玲， 郭健.4FZ-2自走式番茄收獲機(jī)風(fēng)機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 新疆農(nóng)機(jī)化， 2015（3）：14-16.

[4] 陳明昌，魏敏，劉巧，等.番茄收獲機(jī)測(cè)產(chǎn)裝置的設(shè)計(jì)[J].食品與機(jī)械，2014（5）：151-153+157.

[5] 周軍平，郝朝會(huì)，楊學(xué)軍，等.番茄收獲機(jī)喂入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析與參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013（S2）：75-79.

[6] 曹杰，徐為民，彭霞，等.番茄翻秧機(jī)分秧器的設(shè)計(jì)[J]. 石河子大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（2）：261-264.

[7] 彭霞，曹杰，徐為民.番茄收獲機(jī)割臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2008（8）：11.

[8] 徐為民.番茄翻秧機(jī)的設(shè)計(jì)研究[D]：石河子：石河子大學(xué)，2009.

[9] 徐為民，曹杰，彭霞，等.番茄翻秧機(jī)分秧器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)分析[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2008（6）：18-20.