楊懷君，何義川，孟祥金，盧勇濤，王 敏，黃 爍，張經(jīng)常，湯智輝

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院 機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000；3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十師 農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆 北屯 836000)

0 引言

籽用瓜(本文中簡(jiǎn)稱“籽瓜”)包括打瓜、南瓜和葫蘆瓜，屬葫蘆科，主要用來(lái)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(yuǎn)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(qiáng)[4-5]，具有改良土壤的功效[6]，是新疆農(nóng)業(yè)重要的經(jīng)濟(jì)作物之一。

打瓜和南瓜為長(zhǎng)藤圓球形,葫蘆瓜為不規(guī)則橢圓柱形，且田間分布呈現(xiàn)無(wú)序狀，籽瓜的藤蔓較長(zhǎng)，且吸水會(huì)變得韌性高，增加了收獲機(jī)收獲難度。籽瓜的機(jī)械化收獲大大降低了籽瓜的種植成本，減輕了收獲的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了農(nóng)民的種植積極性，但在機(jī)械化收獲的過(guò)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(wèn)題：一方面降低了籽瓜收獲機(jī)田間作業(yè)的撿拾率和生產(chǎn)率；另一方面提升了籽瓜在收獲過(guò)程中的破損率，造成大量的瓜籽損失。

國(guó)外籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)很少，在歐洲部分國(guó)家有南瓜籽聯(lián)合收獲機(jī)[7]。奧地利的南瓜籽收獲為分段收獲作業(yè)，技術(shù)比較成熟，已在生產(chǎn)中大量使用[8]。以色列有大型自走式打瓜聯(lián)合獲機(jī)，其結(jié)構(gòu)龐大、價(jià)格昂貴，不適合國(guó)內(nèi)籽瓜的種植管理模式[9]。

國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)撿拾器的結(jié)構(gòu)和材料等方面進(jìn)行了研究：張宏陽(yáng)[10]分析了打瓜機(jī)撿拾摘輥部件的強(qiáng)度；佐劍波[11]設(shè)計(jì)了聯(lián)合打瓜收獲取籽機(jī)及改進(jìn)的聯(lián)合打瓜收獲取籽機(jī);王學(xué)農(nóng)等[12]研制了一種新型籽瓜撿拾脫粒聯(lián)合作業(yè)機(jī)；閻洪山等[13]研制了背負(fù)式籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)；王慶惠等[14]設(shè)計(jì)了打瓜撿拾脫粒機(jī)撿拾輥的結(jié)構(gòu)；李秀臣等[15]設(shè)計(jì)了籽用南瓜聯(lián)合收獲機(jī)的撿拾機(jī)構(gòu)并進(jìn)行相關(guān)研究。本課題組前期對(duì)拖拉機(jī)背負(fù)式籽瓜收獲機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究。

撿拾器是籽瓜收獲機(jī)的重要核心組成部件，也是影響籽瓜收獲過(guò)程中的撿拾率和破損率的重要部件，本文通過(guò)對(duì)撿拾部件進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化和試驗(yàn)研究，確定其結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)對(duì)撿拾作業(yè)性能的影響，為下一步改進(jìn)籽瓜收獲機(jī)提供技術(shù)依據(jù)。

1 撿拾器總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 撿拾器總體結(jié)構(gòu)

為了獲得籽瓜收獲機(jī)良好的作業(yè)效果，要求籽瓜收獲機(jī)作業(yè)效率達(dá)到30t/h以上，漏檢率達(dá)到10%以下，籽瓜破損率達(dá)到10%以下，輔助操作人員不多于1人，動(dòng)力60kW以下。

籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)的撿拾器為橢圓式往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。撿拾器主要由集瓜板、仿形輪系、撿拾裝置、活動(dòng)機(jī)架、主動(dòng)軸系及卸瓜肋條等組成，撿拾器通過(guò)主動(dòng)軸系鉸接到收獲機(jī)前。撿拾裝置由軸承座、彈齒座桿總成、耳掛鏈條、主動(dòng)軸、從動(dòng)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?；顒?dòng)機(jī)架底面采用格柵式結(jié)構(gòu)，活動(dòng)機(jī)架底板分為兩級(jí)，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(dòng)機(jī)架 6.主動(dòng)軸系 7.卸瓜肋條 8.固定板 9.二級(jí)底板 10.支撐座 11.調(diào)緊器 12.二級(jí)從動(dòng)軸 13.一級(jí)底板 14.一級(jí)從動(dòng)軸

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí)，籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)撿拾器隨著收獲機(jī)一起向前運(yùn)動(dòng)，其撿拾裝置在主動(dòng)軸系鏈輪的驅(qū)動(dòng)下，繞主動(dòng)軸橢圓式逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，彈齒在撿拾裝置底部與籽瓜接觸，在回轉(zhuǎn)沖擊力的作用下籽瓜產(chǎn)生與機(jī)器前進(jìn)方向相反的速度；籽瓜首先與活動(dòng)機(jī)架第一級(jí)底板的下部接觸，在彈齒輔助作用下沿著活動(dòng)機(jī)架第一級(jí)底板向上滑動(dòng)，之后經(jīng)過(guò)第二級(jí)底板進(jìn)入到橫向輸送器中；部分籽瓜因?yàn)槲恢玫脑虿逶趽焓皬楜X上，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到撿拾裝置上部時(shí)在卸瓜肋條的作用下脫離撿拾彈齒，進(jìn)入橫向輸送器中；活動(dòng)機(jī)架底板分為兩級(jí)，有利于籽瓜在撿拾彈齒的作用下順利地從地表面滾動(dòng)到活動(dòng)機(jī)架底板上，降低彈齒和第一級(jí)底板形成的角度差產(chǎn)生夾瓜的概率。

撿拾器工作時(shí)，彈齒的運(yùn)動(dòng)為類余擺線，其軌跡為受鏈條控制的繞鏈輪輪軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與機(jī)器的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)兩者的合成運(yùn)動(dòng)。綜合撿拾器工作原理與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡形狀取決于撿拾裝置的轉(zhuǎn)速與機(jī)器前進(jìn)速度的比值，這個(gè)比值決定了收獲作業(yè)過(guò)程中的撿拾率和破損率。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 彈齒的設(shè)計(jì)

撿拾彈齒是撿拾器的關(guān)鍵部件，其性能直接關(guān)系到收獲機(jī)的漏檢率和工作的可靠性，其與籽瓜產(chǎn)生彈性沖擊碰撞，是籽瓜產(chǎn)生向后運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源。工作時(shí)，提升籽瓜到橫向輸送器上，極易產(chǎn)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(yīng)滿足具有較高的強(qiáng)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(jìn)行熱處理，防止因形變而改變彈齒的結(jié)構(gòu)。撿拾彈齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成雙齒桿單圈復(fù)繞結(jié)構(gòu)(見(jiàn)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(shù)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(qiáng)彈齒的撥瓜能力，減少撿拾時(shí)因籽瓜位置而產(chǎn)生的彈齒刺入籽瓜內(nèi)的現(xiàn)象，提升在活動(dòng)機(jī)架第一級(jí)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(shè)計(jì)

撿拾器主要優(yōu)化設(shè)計(jì)了活動(dòng)機(jī)架的底板結(jié)構(gòu)、撿拾裝置彈齒結(jié)構(gòu)和彈齒座桿總成的結(jié)構(gòu)布置?；顒?dòng)機(jī)架底板分為兩級(jí)，且全部為格柵式，兩級(jí)底板與地面的夾角不同，第一級(jí)底板與地面成21°夾角，第二級(jí)底板與地平面夾角為60°。一級(jí)底板與地面的夾角較小，有利于籽瓜從地面撿拾到活動(dòng)機(jī)架上，減少因活動(dòng)機(jī)架的底板與撿拾彈齒因角度而產(chǎn)生的剪切夾瓜，致使籽瓜破碎的現(xiàn)象，同時(shí)降低了彈齒幾何形變的概率。底板與地面角度變小，在作業(yè)過(guò)程中容易使地表隆起的土隨著籽瓜的滑動(dòng)一起輸送到活動(dòng)機(jī)架地板上，因此增加二級(jí)底板。同樣采用格柵式，二級(jí)底板與地面的夾角角度較大；當(dāng)籽瓜運(yùn)動(dòng)到此位置時(shí)，由于底板角度改變致使籽瓜跳動(dòng)，在籽瓜和底板中間夾雜的細(xì)碎藤蔓和土塊一部分被格柵過(guò)濾掉，剩余較大的土塊在重力作用下延底面向下滑動(dòng)，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(dòng)機(jī)架底板保持0.02m的間距，因此撿拾裝置增加了一根從動(dòng)軸，保證工作時(shí)彈齒齒尖能與一級(jí)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(zhuǎn)速度。撿拾彈齒上任一點(diǎn)的軌跡為類余擺線運(yùn)動(dòng)軌跡，其最低點(diǎn)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(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)選擇

試驗(yàn)地的選擇應(yīng)符合籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)的應(yīng)用，長(zhǎng)度不小于200m，寬度不小于50m。地表應(yīng)平整無(wú)溝、埂、坑，具有良好地通過(guò)性，地頭應(yīng)有機(jī)組轉(zhuǎn)彎掉頭區(qū)域。待收籽瓜地種植模式應(yīng)為平作種植模式，且籽瓜應(yīng)充分成熟，籽瓜橫徑不小于0.05m。

試驗(yàn)地點(diǎn)：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十師187團(tuán)5連7斗14號(hào)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(yàn)方法

試驗(yàn)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8097-2008《收獲機(jī)械聯(lián)合收割機(jī)試驗(yàn)方法》制定田間試驗(yàn)流程和準(zhǔn)則[17-18]。在試驗(yàn)地內(nèi)選取1個(gè)試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)度應(yīng)大于50m，寬度10m，試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)度方向兩端預(yù)備區(qū)不小于10m。在試驗(yàn)區(qū)的橫向每間隔2.1m劃定1組測(cè)試點(diǎn)，共3組；縱向每間隔1.5m(4行)設(shè)置1組測(cè)試點(diǎn)，共9組，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)均為4.0m×0.7m的矩形區(qū)，全部測(cè)試點(diǎn)組成一個(gè)3×9的矩形陣列(見(jiàn)圖3)，可進(jìn)行27次試驗(yàn)測(cè)試。在測(cè)點(diǎn)內(nèi)分別測(cè)定籽瓜株數(shù)、籽瓜個(gè)數(shù)、籽瓜的橫徑、縱徑及質(zhì)量。測(cè)量時(shí)不要移動(dòng)離開(kāi)籽瓜原位置，并保證籽瓜測(cè)試前的自然生長(zhǎng)狀態(tài)。

試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)在中午12時(shí)以后，籽瓜藤蔓較脆且其上無(wú)露水，試驗(yàn)前撿拾器應(yīng)做好潤(rùn)滑，開(kāi)車之前各部件空運(yùn)轉(zhuǎn)15min，待運(yùn)轉(zhuǎn)正常無(wú)異響之后開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)路線按圖3中虛線行走，虛線為收獲機(jī)車行駛的中心線，箭頭方向?yàn)闄C(jī)車前進(jìn)方向。在收獲機(jī)通過(guò)試驗(yàn)區(qū)后，收集每個(gè)收集點(diǎn)上的測(cè)試數(shù)據(jù)，并記錄。

圖3 試驗(yàn)機(jī)車行走路線

3.3 數(shù)據(jù)計(jì)算

3.3.1 漏撿率

漏撿率是指收獲作業(yè)過(guò)程中沒(méi)有撿拾的籽瓜和在收獲過(guò)程中撿拾到撿拾器上并在輸送過(guò)程中掉落在地面上的籽瓜的比值。漏檢率計(jì)算公式為

(1)

其中，G為漏撿率(%)；G1為測(cè)點(diǎn)內(nèi)籽瓜總生物質(zhì)量(kg)；G2為漏撿籽瓜生物質(zhì)量(kg)。

3.3.2 破損率

破損籽瓜指的是籽瓜在撿拾作業(yè)中破損程度達(dá)到瓜籽能從籽瓜內(nèi)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(xù)作業(yè)中掉落的視為完好籽瓜。計(jì)算公式為

(2)

其中，N1為測(cè)點(diǎn)內(nèi)籽瓜總個(gè)數(shù)(個(gè))；N2為破損籽瓜總個(gè)數(shù)(個(gè))。

3.4 試驗(yàn)因素選擇及調(diào)整

3.4.1 試驗(yàn)因素

為驗(yàn)證撿拾器各種因素對(duì)撿拾效果的影響，考察撿拾器的彈齒在作業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)定性和撿拾器工作參數(shù)對(duì)漏檢率和破損率的影響，選擇收獲機(jī)的行走速度、撿拾裝置的轉(zhuǎn)速和撿拾彈齒座桿間距參數(shù)為試驗(yàn)因素進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，利用正交表L9(34)安排試驗(yàn)[19-21]，將第3列設(shè)置為空白列[22]，因素與水平如表1所示。試驗(yàn)以籽瓜破損率和漏撿率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)共連續(xù)進(jìn)行3組試驗(yàn)，每個(gè)指標(biāo)重復(fù)3次，取3次平均值作為最終指標(biāo)值。

表1 試驗(yàn)因素及水平

3.4.2 試驗(yàn)因素的調(diào)整

試驗(yàn)中為了獲得撿拾裝置的不同轉(zhuǎn)速，在撿拾器驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和齒輪泵中間加裝流量控制閥和溢流閥，通過(guò)調(diào)節(jié)流量控制閥的流量控制馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速。

撿拾彈齒座桿兩端固定于節(jié)距為25.4mm的鏈條上，通過(guò)調(diào)節(jié)彈齒座桿在鏈條上的位置調(diào)價(jià)彈齒座桿的間距。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)撿拾器的收獲試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果記錄表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和整理[23]，如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

3.5.1 極差分析

因素在不同水平下性能指標(biāo)的極差越大，說(shuō)明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。因此，根據(jù)表2中試驗(yàn)結(jié)果的極差分析，確定了各因素對(duì)破損率和漏檢率的影響主次順序:影響破損率指標(biāo)的因素的主次順序?yàn)锽>A>C，影響漏撿率指標(biāo)的因素主次順序?yàn)镃>A>B。采用直觀分析法[24]對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到各因素與考核指標(biāo)的趨勢(shì)圖如圖4所示。

(a)

(b)

圖4為籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)漏檢率與機(jī)具作業(yè)因素的趨勢(shì)圖，該作業(yè)指標(biāo)破損率和漏檢率越小，收獲機(jī)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(guò)極差分析，破損率指標(biāo)的較優(yōu)組合為A1B1C3，漏撿率指標(biāo)的較優(yōu)組合為A1B3C3。

3.5.2 方差分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知：行駛速度和座桿間距對(duì)破損率指標(biāo)均有非常顯著的影響，撿拾裝置轉(zhuǎn)速對(duì)破損率有顯著影響；行駛速度對(duì)漏撿率指標(biāo)有顯著影響，撿拾裝置轉(zhuǎn)速對(duì)漏撿率有非常顯著的影響。行走速度較小時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)，撿拾彈齒經(jīng)過(guò)同一點(diǎn)的次數(shù)較多，籽瓜漏撿率低，但因?yàn)楹捅粨焓白压辖佑|的次數(shù)的概率也大，破損率也相應(yīng)較大。隨著撿拾裝置轉(zhuǎn)速越來(lái)越大，破損籽瓜的概率素隨之上升。座桿間距逐漸變大時(shí)，籽瓜破損率逐漸減小，漏撿率也逐漸降低。

表3 試驗(yàn)指標(biāo)方差分析結(jié)果

F0.05(2，2)=19.00；F0.01(2，2)=99.00。

通過(guò)極差和方差的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，綜合各試驗(yàn)因素對(duì)撿拾器性能指標(biāo)的影響及其優(yōu)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(yōu)組合為A1C3B3，即行駛速度1.5km/h、撿拾裝置轉(zhuǎn)速120r/min、座桿間距508.0mm。經(jīng)田間試驗(yàn)，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(guó)家收獲機(jī)的技術(shù)要求。

4 結(jié)論

1)改進(jìn)優(yōu)化了籽瓜收獲機(jī)的撿拾器，闡述分析了撿拾器總體結(jié)構(gòu)及工作原理，對(duì)其關(guān)鍵部件—撿拾裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和撿拾彈齒進(jìn)行了優(yōu)化，提高了撿拾作業(yè)性能，該撿拾器可以在籽瓜自然生長(zhǎng)狀態(tài)下一次性進(jìn)行籽瓜的斷藤、集條、撿拾及脫粒取籽等作業(yè)工序，不需預(yù)先對(duì)籽瓜進(jìn)行斷藤和集條作業(yè)，減少了機(jī)器進(jìn)地作業(yè)次數(shù)，節(jié)省開(kāi)支。

2)采用三因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究撿拾器最佳工作參數(shù)組合，確定了撿拾性能的主次因素依次為作業(yè)速度、撿拾裝置轉(zhuǎn)速和座桿間距；較優(yōu)組為作業(yè)速度1.5km/h、撿拾裝置轉(zhuǎn)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(guò)2016年度對(duì)南瓜、打瓜和葫蘆瓜的收獲作業(yè)，工況條件下?lián)焓捌鲗?duì)不同尺寸類型籽瓜品種均具有良好適應(yīng)性，籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)田間適應(yīng)性較強(qiáng)，滿足籽瓜收獲的農(nóng)藝技術(shù)要求。

4)與現(xiàn)有的摘輥式籽瓜收獲機(jī)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(jìn)入脫粒取籽機(jī)的數(shù)量，提高了機(jī)器作業(yè)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(yè)時(shí)會(huì)觸碰到土壤中的石塊，且撿拾作業(yè)時(shí)與籽瓜發(fā)生彈性碰撞，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)會(huì)發(fā)生彈性形變甚至出現(xiàn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的研究。