籽用瓜联合收获机捡拾器试验研究

杨怀君，何义川，孟祥金，卢勇涛，王 敏，黄 烁，张经常，汤智辉

(1.新疆农垦科学院 机械装备研究所，新疆 石河子 832000；2.农业部西北农业装备重点实验室，新疆 石河子 832000；3.新疆生产建设兵团第十师 农业科学研究所，新疆 北屯 836000)

0 引言

籽用瓜(本文中简称“籽瓜”)包括打瓜、南瓜和葫芦瓜，属葫芦科，主要用来获取瓜籽，瓜籽含丰富的磷、钾、锰、锌、铁等微量元素及大量的氨基酸和维生素[1-3]。新疆远离海洋，盐碱干旱地较多，籽瓜耐瘠薄，耐粗放管理[4]，耐旱耐盐碱的能力很强[4-5]，具有改良土壤的功效[6]，是新疆农业重要的经济作物之一。

打瓜和南瓜为长藤圆球形,葫芦瓜为不规则椭圆柱形，且田间分布呈现无序状，籽瓜的藤蔓较长，且吸水会变得韧性高，增加了收获机收获难度。籽瓜的机械化收获大大降低了籽瓜的种植成本，减轻了收获的劳动强度，提高了农民的种植积极性，但在机械化收获的过程中，仍然存在捡拾核心部件的易折断、弯曲变形及藤草缠绕等问题：一方面降低了籽瓜收获机田间作业的捡拾率和生产率；另一方面提升了籽瓜在收获过程中的破损率，造成大量的瓜籽损失。

国外籽瓜联合收获机很少，在欧洲部分国家有南瓜籽联合收获机[7]。奥地利的南瓜籽收获为分段收获作业，技术比较成熟，已在生产中大量使用[8]。以色列有大型自走式打瓜联合获机，其结构庞大、价格昂贵，不适合国内籽瓜的种植管理模式[9]。

国内很多学者对籽瓜联合收获机捡拾器的结构和材料等方面进行了研究：张宏阳[10]分析了打瓜机捡拾摘辊部件的强度；佐剑波[11]设计了联合打瓜收获取籽机及改进的联合打瓜收获取籽机;王学农等[12]研制了一种新型籽瓜捡拾脱粒联合作业机；阎洪山等[13]研制了背负式籽瓜联合收获机；王庆惠等[14]设计了打瓜捡拾脱粒机捡拾辊的结构；李秀臣等[15]设计了籽用南瓜联合收获机的捡拾机构并进行相关研究。本课题组前期对拖拉机背负式籽瓜收获机进行了设计和应用研究。

捡拾器是籽瓜收获机的重要核心组成部件，也是影响籽瓜收获过程中的捡拾率和破损率的重要部件，本文通过对捡拾部件进行改进优化和试验研究，确定其结构和工作参数对捡拾作业性能的影响，为下一步改进籽瓜收获机提供技术依据。

1 捡拾器总体结构及工作原理

1.1 捡拾器总体结构

为了获得籽瓜收获机良好的作业效果，要求籽瓜收获机作业效率达到30t/h以上，漏检率达到10%以下，籽瓜破损率达到10%以下，辅助操作人员不多于1人，动力60kW以下。

籽瓜联合收获机的捡拾器为椭圆式往复运动，如图1所示。捡拾器主要由集瓜板、仿形轮系、捡拾装置、活动机架、主动轴系及卸瓜肋条等组成，捡拾器通过主动轴系铰接到收获机前。捡拾装置由轴承座、弹齿座杆总成、耳挂链条、主动轴、从动轴及链轮等组成，弹齿用螺栓固定于弹齿座杆上，捡拾弹齿座杆铆接在耳挂链条上。活动机架底面采用格栅式结构，活动机架底板分为两级，在捡拾装置上方安装有卸瓜肋条。

1.集瓜板 2.仿形轮系 3.捡拾装置 4.弹齿座杆总成 5.活动机架 6.主动轴系 7.卸瓜肋条 8.固定板 9.二级底板 10.支撑座 11.调紧器 12.二级从动轴 13.一级底板 14.一级从动轴

1.2 工作原理

作业时，籽瓜联合收获机捡拾器随着收获机一起向前运动，其捡拾装置在主动轴系链轮的驱动下，绕主动轴椭圆式逆时针旋转，弹齿在捡拾装置底部与籽瓜接触，在回转冲击力的作用下籽瓜产生与机器前进方向相反的速度；籽瓜首先与活动机架第一级底板的下部接触，在弹齿辅助作用下沿着活动机架第一级底板向上滑动，之后经过第二级底板进入到横向输送器中；部分籽瓜因为位置的原因插在捡拾弹齿上，当运动到捡拾装置上部时在卸瓜肋条的作用下脱离捡拾弹齿，进入横向输送器中；活动机架底板分为两级，有利于籽瓜在捡拾弹齿的作用下顺利地从地表面滚动到活动机架底板上，降低弹齿和第一级底板形成的角度差产生夹瓜的概率。

捡拾器工作时，弹齿的运动为类余摆线，其轨迹为受链条控制的绕链轮轮轴的回转运动与机器的前进运动两者的合成运动。综合捡拾器工作原理与机构设计参数，弹齿的运动轨迹形状取决于捡拾装置的转速与机器前进速度的比值，这个比值决定了收获作业过程中的捡拾率和破损率。

2 关键部件的设计

2.1 弹齿的设计

捡拾弹齿是捡拾器的关键部件，其性能直接关系到收获机的漏检率和工作的可靠性，其与籽瓜产生弹性冲击碰撞，是籽瓜产生向后运动的动力源。工作时，提升籽瓜到横向输送器上，极易产生形变甚至是断裂，为了保障其能够可靠地工作，其材料除应满足具有较高的强度极限和屈服极限外，还必须具有较高的弹性极限、疲劳极限、冲击韧性及塑性。因此，捡拾弹齿采用φ8mm的65Mn弹簧钢，先冲压成型，之后进行热处理，防止因形变而改变弹齿的结构。捡拾弹齿结构设计成双齿杆单圈复绕结构(见图2)，齿尖中心间距为0.056m，以满足捡拾最小瓜径(0.05m)的技术要求。在齿拐处折弯与齿杆成152°角，齿杆前部齿尖与齿杆成172°角，以增强弹齿的拨瓜能力，减少捡拾时因籽瓜位置而产生的弹齿刺入籽瓜内的现象，提升在活动机架第一级底板上的辅助输送籽瓜的能力。

1.弹齿齿拐 2.座杆 3.固定螺栓 4.弹齿固定座 5.弹齿副圈 6.弹齿齿尖

2.2 捡拾器的设计

捡拾器主要优化设计了活动机架的底板结构、捡拾装置弹齿结构和弹齿座杆总成的结构布置。活动机架底板分为两级，且全部为格栅式，两级底板与地面的夹角不同，第一级底板与地面成21°夹角，第二级底板与地平面夹角为60°。一级底板与地面的夹角较小，有利于籽瓜从地面捡拾到活动机架上，减少因活动机架的底板与捡拾弹齿因角度而产生的剪切夹瓜，致使籽瓜破碎的现象，同时降低了弹齿几何形变的概率。底板与地面角度变小，在作业过程中容易使地表隆起的土随着籽瓜的滑动一起输送到活动机架地板上，因此增加二级底板。同样采用格栅式，二级底板与地面的夹角角度较大；当籽瓜运动到此位置时，由于底板角度改变致使籽瓜跳动，在籽瓜和底板中间夹杂的细碎藤蔓和土块一部分被格栅过滤掉，剩余较大的土块在重力作用下延底面向下滑动，在下一拨弹齿的作用力下破碎或者滑到地面上，最终滤掉。

捡拾装置弹齿齿尖与活动机架底板保持0.02m的间距，因此捡拾装置增加了一根从动轴，保证工作时弹齿齿尖能与一级底板保持0.02m的间距；增大了每排弹齿坐杆总成的间距，保证不因有超大直径的籽瓜使弹齿变形；提高了捡拾装置工作的回转速度。捡拾弹齿上任一点的轨迹为类余摆线运动轨迹，其最低点更密集，更有利于弹齿捡拾更小直径的籽瓜，能够更好地降低籽瓜的漏检率。

3 捡拾器试验分析

3.1 试验地点选择

试验地的选择应符合籽瓜联合收获机的应用，长度不小于200m，宽度不小于50m。地表应平整无沟、埂、坑，具有良好地通过性，地头应有机组转弯掉头区域。待收籽瓜地种植模式应为平作种植模式，且籽瓜应充分成熟，籽瓜横径不小于0.05m。

试验地点：新疆生产建设兵团第十师187团5连7斗14号田南瓜地。南瓜种植模式为滴灌覆膜平作，1膜2行，膜上行距为0.4m，膜间行距为0.35m，株距0.1～0.12m，南瓜横径最大为0.28m、横径最小为0.03m。

3.2 试验方法

试验依据国家标准GB/T 8097-2008《收获机械联合收割机试验方法》制定田间试验流程和准则[17-18]。在试验地内选取1个试验区，试验区长度应大于50m，宽度10m，试验区长度方向两端预备区不小于10m。在试验区的横向每间隔2.1m划定1组测试点，共3组；纵向每间隔1.5m(4行)设置1组测试点，共9组，每个测试点均为4.0m×0.7m的矩形区，全部测试点组成一个3×9的矩形阵列(见图3)，可进行27次试验测试。在测点内分别测定籽瓜株数、籽瓜个数、籽瓜的横径、纵径及质量。测量时不要移动离开籽瓜原位置，并保证籽瓜测试前的自然生长状态。

试验时间应在中午12时以后，籽瓜藤蔓较脆且其上无露水，试验前捡拾器应做好润滑，开车之前各部件空运转15min，待运转正常无异响之后开始试验。试验路线按图3中虚线行走，虚线为收获机车行驶的中心线，箭头方向为机车前进方向。在收获机通过试验区后，收集每个收集点上的测试数据，并记录。

图3 试验机车行走路线

3.3 数据计算

3.3.1 漏捡率

漏捡率是指收获作业过程中没有捡拾的籽瓜和在收获过程中捡拾到捡拾器上并在输送过程中掉落在地面上的籽瓜的比值。漏检率计算公式为

(1)

其中，G为漏捡率(%)；G1为测点内籽瓜总生物质量(kg)；G2为漏捡籽瓜生物质量(kg)。

3.3.2 破损率

破损籽瓜指的是籽瓜在捡拾作业中破损程度达到瓜籽能从籽瓜内掉出的程度。籽瓜瓜皮表面刮伤和弹齿贯穿籽瓜等不能使瓜籽在后续作业中掉落的视为完好籽瓜。计算公式为

(2)

其中，N1为测点内籽瓜总个数(个)；N2为破损籽瓜总个数(个)。

3.4 试验因素选择及调整

3.4.1 试验因素

为验证捡拾器各种因素对捡拾效果的影响，考察捡拾器的弹齿在作业过程中的稳定性和捡拾器工作参数对漏检率和破损率的影响，选择收获机的行走速度、捡拾装置的转速和捡拾弹齿座杆间距参数为试验因素进行三因素三水平的正交试验，利用正交表L9(34)安排试验[19-21]，将第3列设置为空白列[22]，因素与水平如表1所示。试验以籽瓜破损率和漏捡率作为评价指标，试验共连续进行3组试验，每个指标重复3次，取3次平均值作为最终指标值。

表1 试验因素及水平

3.4.2 试验因素的调整

试验中为了获得捡拾装置的不同转速，在捡拾器驱动马达和齿轮泵中间加装流量控制阀和溢流阀，通过调节流量控制阀的流量控制马达的输出转速。

捡拾弹齿座杆两端固定于节距为25.4mm的链条上，通过调节弹齿座杆在链条上的位置调价弹齿座杆的间距。

3.5 试验结果与分析

通过籽瓜联合收获机捡拾器的收获试验，根据试验结果记录表中的数据进行统计和整理[23]，如表2所示。

表2 正交实验结果

续表2

3.5.1 极差分析

因素在不同水平下性能指标的极差越大，说明该因素对试验指标的影响越大。因此，根据表2中试验结果的极差分析，确定了各因素对破损率和漏检率的影响主次顺序:影响破损率指标的因素的主次顺序为B>A>C，影响漏捡率指标的因素主次顺序为C>A>B。采用直观分析法[24]对试验结果进行分析，得到各因素与考核指标的趋势图如图4所示。

(a)

(b)

图4为籽瓜联合收获机漏检率与机具作业因素的趋势图，该作业指标破损率和漏检率越小，收获机性能越好。从图4中(a)可以看出：各因素中A1、B1、C3捡拾器破损率最小，效果最好。从图4(b)中可以看出：A1、B3、C3的漏检率最好。通过极差分析，破损率指标的较优组合为A1B1C3，漏捡率指标的较优组合为A1B3C3。

3.5.2 方差分析

对试验结果进行方差分析，结果如表3所示。由表3可知：行驶速度和座杆间距对破损率指标均有非常显著的影响，捡拾装置转速对破损率有显著影响；行驶速度对漏捡率指标有显著影响，捡拾装置转速对漏捡率有非常显著的影响。行走速度较小时，相同时间内，捡拾弹齿经过同一点的次数较多，籽瓜漏捡率低，但因为和被捡拾籽瓜接触的次数的概率也大，破损率也相应较大。随着捡拾装置转速越来越大，破损籽瓜的概率素随之上升。座杆间距逐渐变大时，籽瓜破损率逐渐减小，漏捡率也逐渐降低。

表3 试验指标方差分析结果

F0.05(2，2)=19.00；F0.01(2，2)=99.00。

通过极差和方差的试验数据分析，综合各试验因素对捡拾器性能指标的影响及其优化组合，按照漏捡率的大小、兼顾破损率较小的原则，采用综合平衡法[25]确定较优组合为A1C3B3，即行驶速度1.5km/h、捡拾装置转速120r/min、座杆间距508.0mm。经田间试验，在此条件下该捡拾器建是籽瓜的破损率为6.7%，漏捡率为3.1%，满足国家收获机的技术要求。

4 结论

1)改进优化了籽瓜收获机的捡拾器，阐述分析了捡拾器总体结构及工作原理，对其关键部件—捡拾装置结构参数和捡拾弹齿进行了优化，提高了捡拾作业性能，该捡拾器可以在籽瓜自然生长状态下一次性进行籽瓜的断藤、集条、捡拾及脱粒取籽等作业工序，不需预先对籽瓜进行断藤和集条作业，减少了机器进地作业次数，节省开支。

2)采用三因素三水平正交试验设计试验研究捡拾器最佳工作参数组合，确定了捡拾性能的主次因素依次为作业速度、捡拾装置转速和座杆间距；较优组为作业速度1.5km/h、捡拾装置转速为120r/min、座杆间距508.0mm。在该条件下破损率为6.7%、漏捡率为3.2%。

3)通过2016年度对南瓜、打瓜和葫芦瓜的收获作业，工况条件下捡拾器对不同尺寸类型籽瓜品种均具有良好适应性，籽瓜联合收获机田间适应性较强，满足籽瓜收获的农艺技术要求。

4)与现有的摘辊式籽瓜收获机相比：捡拾器在卸瓜肋条的辅助下，较容易去除缠绕在其上的杂物，减少了藤草进入脱粒取籽机的数量，提高了机器作业的可靠性。但是，由于制作工艺的限制，制作弹齿的弹簧钢直径最大为φ8mm，作业时会触碰到土壤中的石块，且捡拾作业时与籽瓜发生弹性碰撞，长时间作业会发生弹性形变甚至出现裂纹。因此，如何在不降低弹齿的刚性情况下，提升弹齿的弹性，还需要从制作工艺和材料的微观结构进行深入的研究。