花生联合收获机摘果装置的研究进展

房庆柳，李国昉*，郑万众，陈秀宏，杜凤永，陈立东

(1 河北科技师范学院机电工程学院，河北 秦皇岛，066600；2 河北省滦南县职业教育中心；3 河北永发鸿田农机制造有限公司)

花生联合收获机主要包括挖掘、输送、摘果和清选等装置[1]。摘果装置是将荚果从花生植株上分离下来的关键装置，也是花生联合收获机的关键部件，其性能直接决定了花生收获的顺畅性和收获损失。研究人员、农场主、机械制造商都十分重视摘果装置的结构和性能问题。为此，笔者对国内外关于花生联合收获机的摘果装置研究情况进行了整理归纳，以期为今后对该装置的进一步研究提供参考。

1 花生联合收获机摘果装置的分类

摘果装置主要包括摘果滚筒及滚筒上的摘果元件。花生秧果进入滚筒后，在摘果元件的梳刷、打击作用下，完成摘果作业。在此，笔者按照花生进入滚筒的方式(即喂入方式)及在滚筒内的运动方向、摘果滚筒的数量和外缘形状、摘果元件的形式和材料等对摘果装置进行分类。

1.1 按喂入方式分类可分为全喂入式和半喂入式摘果装置

全喂入式为花生秧-果一同进入摘果装置，受到摘果元件的作用，实现秧果分离[2]。全喂入式摘果装置适用于较干的花生摘果，在捡拾收获机上较多采用。4HQL-2型花生联合收获机采用全喂入式摘果装置，具有分离较为干净、破碎率低的特点[3]。半喂入式摘果装置中，夹紧机构带着花生秧果沿着摘果滚筒的轴向移动，仅花生荚果进入摘果滚筒，摘果后秧、果整齐摆放。半喂入式摘果装置制造成本较高；对于花生的干湿状况适应性较强，在南方应用不多。王冰超等[4]研究的4HLB-4型花生联合收获机半喂入式摘果装置，其摘果强度较柔和，破碎率相应较低。4HBL-2和4HB-2等机型上使用的摘果装置为半喂入式。

1.2 按运动方向分类可分为切流式、轴流式和联合式摘果装置

切流式摘果装置中，花生秧果的运动方向与切流式滚筒切线方向一致，秧果破碎程度较低，完整性好，清选负担减轻；滚筒母线方向均可设置喂入口，对喂入量适应性强[5]。4HLJ-8型花生联合收获机采用的是多级串联切流式滚筒，摘净率高。轴流式摘果装置对干果适应度较好，容易摘果。但果、秧破碎较多，能量消耗大，分离效果较差；对喂入量适应性差，喂入量突然变大或秧果较湿时，易造成滚筒堵塞。4HQL-2型花生联合收获机采用的是轴流滚筒摘果。联合式摘果装置中，花生秧果先后进入两个滚筒，摘果更为干净，完整性好，不易损伤荚果，不容易堵塞，减轻了清选的负担。4LZ-1.5自走式收获机采用的是切轴流双滚筒摘果装置。

1.3 按滚筒数目分类可分为单滚筒和多滚筒摘果装置

单滚筒摘果装置只进行一次摘果作业，花生秧果在滚筒内脱粒时间短，易产生摘果不干净的问题；适用于含水率低的花生摘果。采用单滚筒结构的4HB-2A型花生联合收获机，破碎率较低，但摘果损失较大[6]。多滚筒摘果装置中，滚筒转速较低，且与秧果充分接触；摘果作业较柔和，花生荚果不易破损、摘净率高。多滚筒装置对喂入量的适应性好，即使在大喂入量下，也能达到有较好的脱粒分离效果。4HZ-2型自走式花生联合收获机采用的是二级摘果滚筒，摘果较为干净，损失率低[7]。

1.4 按滚筒外缘形状分类可分为圆柱滚筒和圆锥滚筒摘果装置

圆柱滚筒摘果装置作业速度快、破碎率低，对干湿花生都有较好的适应性。4HQL-2，4HBL-2，4HLB-2等花生联合收获机都采用圆柱摘果滚筒。圆锥形滚筒摘果装置较圆柱滚筒摘果装置体积大，从入口到出口直径逐渐增大，适用于湿摘作业，但摘净率偏低，且易堵塞。

1.5 按元件形式分类可分为弓齿式、钉齿式和板齿式摘果装置

弓齿摘果装置对荚果施加拉力，可减少花生荚果的带柄率[8]。同一滚筒上弓齿间隔排列、不同滚筒弓齿交错可减小摘果拉力，提高摘果负荷均衡程度。4HJL-2型花生联合收获机将螺旋弓齿改进成螺旋圆弧面板摘果装置，无需安装摘果齿，降低了破碎率[9]。钉齿式摘果装置的摘果元件制造工艺简单、摘果较为干净，一度成为摘果装置热门元件，但存在着荚果破碎率高、能耗高、易堵塞等问题。4HQL-2型花生联合收获机采用钉齿元件，耐磨性差，易出现齿弯和掉齿现象。板齿式摘果装置的叶片外缘为主要工作区域，叶片的打击力较大，造成荚果破碎严重。尚书旗等[10]研制的4HBL-4型花生联合收获机摘果滚筒采用板齿元件，摘果较为干净，但是刷拉式的摘果原理带来荚果破损严重、带柄率较高等问题。

1.6 按摘果元件的制成材料分类可分为刚性元件摘果装置和弹性元件摘果装置

刚性元件的摘果装置中，摘果元件多由低碳钢制成，硬度较高，易造成荚果破损；耐磨性较差，易掉齿或弯齿。摘果装置最初研发时较多采用刚性摘果元件，因上述问题，逐渐被弹性元件取代。弹性材料制成的摘果元件为弹齿，摘果柔和，荚果不易破碎。美国的1580型和4HJL-1800型花生联合收获机的摘果机械装置都采用弹齿元件，弹齿配合锥形凹板筛，摘果作业具有前面负荷大、后面负荷小的特点，减少了滚筒堵塞。

2 花生联合收获机摘果装置的国内外研究现状

2.1 国外研究现状

花生规模化种植的国家主要分布在亚洲、美洲和非洲等地区。亚洲以中国和印度，非洲以埃及，美洲以美国、阿根廷等国种植面积较大。在美国，花生联合收获机应用较为广泛，产品类型多，摘果装置性能优越。牵引式、自走式等各种类型的花生联合收获机，配套功率大，摘果滚筒数量多，且配有多组清选装置。Kelley公司生产的花生联合收获机械配备3个摘果滚筒、采用逐稿器式清选装置[11]。AMADAS公司的花生收获机采用4个摘果滚筒、多组排草滚筒清选装置[12]。COLOMBO公司发明了轴流式双螺旋滚筒全喂入摘果机构[13]。Butts等[14]在HU2000型联合收获机上增加脱壳功能，一次性完成捡拾、摘果、脱壳等工序。美国的利斯顿-1580型花生联合收获机的摘果装置采用弹齿式摘果元件，柔性摘果，减少荚果破碎[15]。

2.2 国内研究现状

我国花生种植面积广大，各地种植条件不同，对花生收获机械的作业性能需求各异，花生收获机械种类也越来越多。纵观花生联合收获机械的研究者，有影响力的为胡志超、尚书旗和高连兴等团队，其研究各具特色，且成果获得国家科技进步奖项。

胡志超团队[16]针对摘果作业秧膜缠绕、破碎率高、顺畅性差等问题开展持续研究。在4HLB-2型花生联合收获机中，研究出柔性摘果等技术；2018年优化了圆弧形叶片摘果装置，有效降低破碎率、摘不净率和损失率等。尚书旗团队[17]研究出了“拉折摘分收获机械作业方法”，创建了甩捋式摘果收获关键技术。4HQL-2型花生捡拾摘果收获机对行收获作业时，漏挖率和破损率都较低，整体收获质量高。4HJL-2型花生联合收获机的螺旋圆弧面板式摘果装置和其他装置协调配合，获得合适的速度、传动比和传动效率，满足摘果要求。4HBL-4型花生联合收获机减少机器进地次数，提高了收获效率[18]。高连兴团队[8]提出了螺旋弓齿摘果机构，建立了摘果试验平台，旨在为提高花生摘果效率，优化花生摘果装置提供研究手段。该团队设计了一种轴流式摘果装置，采用螺杆弯齿式摘果替换，解决了摘果设备损伤率高、易缠绕、堵塞等问题。

目前我国对花生联合收获机上应用的摘果装置的研究，主要集中于以下几个方面：

2.2.1对花生物料特性的研究 花生品种、成熟程度、含水量、尺寸特性、漂浮系数等物料特性影响着摘果装置的结构和分离效果。刘明国等[19]研究了花生荚果及仁果的物理特性，得出三轴尺寸、平均径、摩擦系数、破坏强度等物理和机械特性随含水率的变化规律。唐福元等[20]运用物性质构测试仪，对花生果实的弹性模量和有效面积、载荷的关系进行了研究。关萌等[21]、梁明等[22]、周德欢等[23]分别采用万能材料试验机等仪器，研究了花生茎秆、果柄含水率变化与花生果-柄受拉分离力、晾晒时间的关系。杨然兵等[24]研究了鲜收期内典型花生品种的果-柄、秧-柄及果壳的抗拉力、剪切力等力学性能，揭示了力学性能随收获时间的变化规律和与联合收获损失之间的关系。高连兴等[25]测定了摘果后物料的漂浮速度，发现花生荚果、仁果、果壳与石头的差别较大。

2.2.2对摘果机理的研究 摘果机理分析是为了优化设计参数、确定关键部件的结构。摘果机理分析侧重于摘果装置的运动学和动力学特性分析、采用有限元方法对摘果装置参数优化、使用软件对不同工作参数进行动力学仿真等方面。杨然兵[26]研究了甩捋式摘果装置的运动学和动力学特性，用二次回归正交试验法确定了摘果装置的最佳作业参数。耿端阳[27]采用冲击韧度试验测定方法，确定冲断果柄所需的滚筒转速，根据花生荚果几何分布及滚筒位置配置计算确定滚筒直径。南飞飞[28]测定了花生植株的基本生物学特性，采用响应曲面法优化了前进速度、夹送速度、摘果辊筒的转速和长度。苏展[8]比较了3种摘果元件的性能，为摘果装置在小区育种中的应用提供了依据，优选了矩形齿摘果元件的参数。胡志超团队[29]提出了有效摘果区和最佳摘果区的概念，分析了花生果系的理想运动轨迹、摘果的频率和强度等，通过响应面试验确定了摘果装置的最佳参数组合。凌轩等[30]开发了一种数字化花生摘果测力系统，研究了鲜花生荚果摘落时的受力以及最小挤压裂荚力和破碎力。杨静[31]对摘果滚筒中花生植株的应力进行了分析。柴康杰[32]利用有限元软件对摘果装置的振动信号进行了试验分析，提出了减振措施；王东伟[33]全面研究了花生摘果机理，借助ANSYS的有限元分析方法，优化了曲面对辊式花生摘果装置的结构参数。徐继康等[34]应用有限元模拟应力分析法和二次正交旋转组合试验法，对防缠绕螺旋刀除膜摘果装置进行了结构优化。朱卫卫等[35]构建了花生摘果仿真模型，研究荚果与摘果辊的碰撞冲击特性，对有限元分析的冲击力特性进行了试验验证。吕小荣等[36]构建了摘果系统三维实体模型，分析了运动特性，进行仿真正交试验，研究了不同因素对摘果性能的影响。

2.2.3对摘果装置的研究 花生摘果装置的摘果滚筒形状、数量、组合方式、夹持链等结构特征和喂入方式决定了摘果作业的性能。4HZ-2型自走式花生联合收获机可根据花生植株收获时的特点调节滚筒与凹板筛之间的间隙，以提高秧果的分离能力，减少损失。组合式摘果装置的多个摘果滚筒，可自由拆卸和更换。关萌等[37]进行了组合滚筒的摘果性能试验，结果表明，轴流单滚筒摘果效果最好。4HBL-4型花生联合收获机中夹持链的双浮动调节可以防止秧果堵塞。4HBL-2型花生联合收获机应用甩捋式摘果机理，应用往复摆拍式拍土装置可减少机械掉果，提高了鲜湿花生果的摘净率。

4HLJ-8型轮式自走花生捡拾收获机采用多级滚筒串联，保证了充足的分离时间和分离面积，提高了作业的顺畅性和可靠性。高连兴等[38]研制的对辊半喂入式摘果系统中，上摘果辊与下摘果辊差相配置，同时击打摘果，损伤率较低、摘净率高，非常适合国内鲜湿花生的摘果作业。

2.2.4对摘果元件的研究 在对摘果元件形状和材料持续研究的基础上，学者对摘果元件的结构进行创新，以达到理想的摘果效果。4HBL-2型花生联合收获机增加了复收装置，以解决滚筒漏果问题[39]。4HBL-4型花生联合收获机采用波纹叶片，扩大摘果范围与摘果长度，改变了摘果的角度，增加摘净率，降低破损率；花生秧在摘果弹齿处不堵塞、不落秧、无荚果损伤。4HJL-2 型花生联合收获机采用了螺旋圆弧面板式摘照元件，防止秧蔓堵塞，降低破碎率。王冰等[4]在四行半喂入花生联合收获机上采用圆弧型叶片，荚果与叶片不发生正向碰撞，多数荚果滑过圆弧形叶片，叶片对荚果作用较为柔和。

3 花生摘果装置存在的问题

3.1 摘果不净

摘果元件和摘果方式是影响花生摘净率的关键因素，摘果不干净需要二次摘果，浪费时间和精力。4HQL-2型花生联合收获机的三带夹持机构采用柔性夹持拔取原理，机构较为简单；但柔性夹持带来掉果率低、荚果摘不净的问题[26]；4HZB-2A型花生摘果机采用对辊摘果方式，摘果较为柔和，但会有摘果不净的问题[40]；4HLB-2型花生联合收获机采用后倾弧形板，摘果方式类似人工摔打摘果，摘果强度较柔和，会造成摘果不干净[29]。

3.2 破碎率高

花生与摘果元件激烈碰撞，荚果破碎率高。影响破碎率的主要因素有摘果元件的类型、材料性能和滚筒的数量。4HBL-2型花生联合收获机使用刚性摘果齿，荚果与摘果齿碰撞剧烈，破碎较严重。4HLB-4型花生联合收获机挖掘过程中果实破碎率高，荚果强度降低，摘果破碎率较高[41]。4HZ-2型自走式花生联合收获机采用二级滚筒，两次摘果，带来了较多的荚果损伤。4HQL-2型花生联合收获机采用打击作用较强的钉齿滚筒，荚果破碎率高。

3.3 滚筒堵塞

花生秧蔓含水量大、喂入量不均匀，会使秧蔓缠绕在滚筒中、摘果齿或振动筛中，造成滚筒堵塞。4HLB-2型花生联合收获机的摆拍式清土装置，难以去除土中硬物，造成堵塞[42]。4HLB-4型花生联合收获机上传统振动筛振动频率和幅度等参数不能满足花生秧果与土石分离，输送装置中的传送花生秧蔓造成拥堵，造成滚筒堵塞。

4 花生摘果装置的发展趋势

4.1 深入研究花生秧果的物料特性

应深入研究花生秧果的物料特性，全面分析影响秧蔓拉伸和剪切性能、花生荚果抗压性能的因素，探索摘果过程中花生荚果的动力学性能，建立起能够精确描述花生秧、果分离过程的数学模型，为摘果装置的进一步研究奠定理论基础。

4.2 全方位分析花生荚果的摘果机理

建立摘果装置三维模型，运用计算机软件，建立摘果过程有限元模型并进行仿真分析，探索影响摘果质量的因素，确定摘果装置的最优理论工作参数。利用机电领域最新设备探明摘果机理，建立全方位的摘果机理模型。兼顾摘净率、破损率和能耗等重要指标的平衡，综合考虑滚筒转速、滚筒与凹板间隙等关键参数，进一步优化摘果装置的结构和整体配置。

4.3 摘果装置的优化创新

优化花生摘果装置中摘果滚筒的数量、摘果间隙等参数，创新滚筒的结构配置，使花生秧果在滚筒之间、滚筒与凹板间运行顺畅，减少滚筒的堵塞，提高摘果滚筒对花生秧果的适应性。创新摘果元件的材料、改进摘果元件的角度、尺寸等结构参数、改善摘果元件对花生荚果的作用效果，减少花生果实的破损率。将不同类型的摘果元件高效组合，摘果的同时去除果柄，提高摘净率。