籽葫芦瓜收获机械的研究现状与发展趋势

2022-09-21邝潇娜何培森沈健锋

新疆农机化 2022年5期

杨利，罗昕，段龙，邝潇娜，何培森，沈健锋

（石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832000）

0 引言

籽葫芦瓜的种仁有极高的营养价值与独特的医疗保健功效，具有较好的经济价值和市场前景，其年需求量呈稳定增长的趋势，籽葫芦瓜对生长环境的要求不高，因此得以在我国新疆等地进行大范围推广种植[1-2]。

随着新疆农业产业结构的调整，籽葫芦瓜的种植规模逐渐扩大，人力投入和生产成本等问题日益突出，目前还没有专门的适合大规模籽葫芦瓜取籽的机器，因此主要通过人工取籽，但人工取籽损耗劳动力，自动化程度低，收获周期较长，会导致葫芦瓜腐烂，使得瓜籽产量降低、品质下降、农民的经济收入减少。

针对现有籽瓜收获机对籽葫芦瓜进行收获取籽时产生的瓜籽损伤率高、瓜籽品相差和取籽效率低等问题，结合国内外现有的籽瓜收获机械进行研究分析，在其基础上设计出一种结构合理、瓜籽损伤率低、瓜籽品相优质和适合籽葫芦瓜的种植收获模式的收获机械，可极大地节约劳动力、降低生产成本，并提高籽葫芦瓜收获的自动化程度，增加农户的经济收益。

1 籽瓜收获机械国内外现状

籽葫芦瓜是我国特有的经济作物，在全球范围内鲜有大面积种植的国家，由于目前有关籽葫芦瓜收获机械的研究极少，本文主要通过国内外对籽瓜收获机械的研究现状进行分析，进而总结出现有籽瓜收获机械在籽葫芦瓜收获中存在的问题与籽葫芦瓜收获机械的发展趋势[3-4]。

1.1 国外研究现状

国外对于类似球形的瓜类收获机械研究较早，但由于种植区域的限制，主要是针对南瓜和西瓜等作物的研究，对籽瓜和葫芦瓜等收获机械研究较少。上世纪六七十年代欧美和苏联等发达国家就对南瓜等进行了研究，研制出了较为成熟的南瓜收获机械，但籽葫芦瓜与南瓜在物理特性上差异极大，成熟的南瓜内部是空心的，瓜瓤与瓜籽分离，瓜籽集中在果体内部，而籽葫芦瓜成熟后，其内部依旧是实心的，瓜籽有规律的嵌在瓜瓤中[5]，因而此类收获机并不适用于籽葫芦瓜的收获。虽然以色列研制的大型自走式联合籽瓜收获机已被用于该地的葫芦瓜等籽瓜的大面积收获，但由于该收获机结构复杂，机体体积较大、造价昂贵，因而不适用于我国的籽葫芦瓜种植管理模式[6]。

1.2 国内研究现状

国内籽瓜的收获工艺过程主要为采摘、集条、捡拾和脱籽等阶段。目前国内使用的籽瓜收获机械按加工工艺分为分段式收获机和联合作业机，分段式收获机主要分为籽瓜集条机与籽瓜破碎脱籽机。

籽瓜集条属于籽瓜机械化收获的第一步，籽瓜集条即将田间散布的籽瓜归拢收集成条状，便于后续的人工或机械捡拾作业。目前国内被推广应用的籽瓜集条机有塔城农机推广站研制的4DT-2.0型籽瓜集条机[5]和由新疆机械研究院股份有限公司研制的4DT-1700型籽瓜集条机[6]。郭振华[7]等设计的打瓜集条机如图1，通过拖拉机前悬挂提供动力，通过割刀、螺旋收集器等实现瓜藤和籽瓜的分离并完成集条，能够较好地满足作业要求，集条效果好，但随作业速度的提高，籽瓜破损率也相应增高。

王贤斐[8]等设计的梳脱式打瓜集条机如图2，利用先摘后集的思路，先利用梳齿采摘器梳刷瓜藤，再利用冲击力将籽瓜强制摘下，田间的藤蔓及杂草由切割器切断，再通过双向螺旋集瓜器实现集条工作。该机可有效降低集条过程中挤瓜、伤瓜和杂草、瓜藤缠绕现象的发生，同时也为籽瓜集条机械开辟了一种新思路，但由于部分籽瓜直径小于梳齿杆间隙，因而存在漏捡现象，相关结构参数与运动参数仍有待改进。

我国籽瓜破碎脱籽机械的发展已比较成熟，市场上已有大量的破碎取籽机型。籽瓜的破碎脱籽机按照其分离与破碎方式的不同主要分为切割挖瓤取籽类、打击振动分离类、削皮粉碎分离类、打破挤压分离类和破碎取籽类。目前应用最多的为破碎取籽类脱籽机械，该类机械在对籽瓜的收获过程中能够一次性完成籽瓜的破碎及脱粒，工作效率较高，收获成本较低，因而，关于该类机械的研究较多，例如玛纳斯县农机站和新疆农业大学联合研制的6DQ-8型打瓜取籽机，马春生等人研制的6GC-300型打瓜取籽机[9]等。

郭辉[10]等人以成熟的籽葫芦瓜为试验对象，设计并优化了一种适用于籽葫芦瓜收获的脱粒装置，该装置提出了一种新型的脱粒辊（图3）及栅条筛（图4），有效提高了籽葫芦瓜的脱粒效率，改善了脱粒质量，降低了能耗。

随着科技进步，联合收获机是当今籽瓜收获机械的主要发展重点及研究方向。联合收获机主要是集捡拾、破碎脱籽、清选和盛籽等为一体的籽瓜收获机，目前市场上应用比较多的有新疆农科院农机化研究所研制的4ZGJT-500[11]和新疆钵施然智能农机股份有限公司研制的4GJT-150[12]两种籽瓜收获联合作业机，二者均采用偏牵引，其结构较为简单、体积小，能够有效实现籽瓜的收获，但捡拾滚筒上的扎瓜齿存在易脱落、变形和断齿等问题。

王明闯[13]等人设计的自走式籽瓜联合收获机采用双横轴流式筛分装置，有效避免了分离装置主轴过载现象的发生，降低了瓜籽的含杂率与损失率。朱兴亮[14]等人设计研发的双行打瓜联合收获机（图5）有效解决了籽瓜捡拾易掉落、瓜藤、杂草缠绕分离效率不高等问题。内蒙古蒙龙机械设计公司研发的大型辊筒类西葫芦联合收获机[15]结构简单、工作效率高、漏捡率低、操作便捷且自动化程度较高，但在实际工作中存在捡拾辊筒上葫芦瓜不易脱落、葫芦瓜漏捡和杂草缠绕等问题。

2 存在的问题及改进措施

籽葫芦瓜多为长条椭圆形，且无序散布于田间，要实现全过程机械自动化收获较难。现有籽瓜收获机械装备虽可用于收获籽葫芦瓜，但由于二者物料特性存在差异，籽瓜收获机械对葫芦瓜收获适配性较差，相应结构及参数还有待改进，机械化、自动化水平还有待进一步发展。

2.1 瓜藤、杂草易缠绕

当前的籽瓜收获机械结构设计上还存在不合理之处，普遍存在瓜藤、杂草等异物缠绕的问题，同时容易挤瓜、伤瓜，导致籽瓜集条收获效率降低。

梳脱式打瓜集条机采用先摘后集的思路，可有效避免集条过程中挤瓜、伤瓜和杂草、瓜藤缠绕现象的发生。若依据籽葫芦瓜的种植模式及物料特性改进梳脱式打瓜集条机的相应工作参数并调整梳齿采摘器的间距及排列形式，如将梳脱式采摘器的一组梳齿变为一组定齿杆与一组动齿杆配合，实现梳齿杆间的间隙可调，就能有效解决因籽葫芦瓜直径小于梳齿杆间隙导致的漏捡问题，在降低瓜藤、杂草缠绕发生的同时提高工作效率。

2.2 瓜籽破碎、品相差

现有的籽瓜收获机械通过挤压的方式来实现籽瓜的破碎，轴带动脱粒辊等装置转动，通过旋转挤压将瓜瓤等废物排出得到瓜籽。籽瓜内部水分较多，流动性能较好，采用有中心轴的取籽机器对籽瓜的挤压效果明显，对瓜籽的伤害也较小，但葫芦瓜在成熟之后内部水分较少，有中心轴的取籽机器会对葫芦籽施加较大的压力，对其伤害较高，最后造成品质下降甚至损坏瓜籽。

针对有轴式破碎脱籽机对葫芦瓜籽造成损伤的问题，可以采取分步破碎取籽再筛分的方法，减小破碎脱籽过程中葫芦瓜籽受到的压力。为保证籽葫芦瓜的破碎率和瓜籽的完整程度，可选择冲击法与压碎法相结合的方式对籽葫芦瓜进行破碎。冲击法的冲击力可以使整瓜破碎，得到皮、瓤混合物，且不会损伤瓜籽。压碎法是两破碎工作面夹紧物料时加压，迫使物料破碎，可以将皮、瓤混合物进行再次细碎，提高破碎程度，将籽瓤分离，从而得到皮、瓤、籽混合物。筛分机构与破碎机构分离，选用齿轮齿条驱动的无中心轴式内外筛筒，结合合适的筛孔大小及形状，先实现皮与籽、瓤的混合物分离，再实现籽与瓤的分离。两级破碎与筛分可保证瓜籽与瓜瓤的分离效果与瓜籽的清洁度，解决现有装置对葫芦瓜籽损伤率大的问题。

2.3 联合收获机适应性差

我国种植葫芦瓜的地区地形差异较大，在地形起伏较大，以及有较多石块的土地联合收获机的作业质量和收获效率无法得到有力保证，很难大幅度地提高收获效率，进而在一定程度上制约了联合收获机的推广应用。可通过改进现有籽瓜联合收获机的仿形装置，并在其捡拾装置上增加仿形机构，保证其与地面的贴合度，从而降低漏捡率，提高联合收获机的适应能力。

3 展望

（1）籽瓜种植面积的扩大必然导致籽葫芦瓜的种植环境不同，籽葫芦瓜收获机向着稳定性强、操作简单、对复杂田间环境适应性好的方向发展是必然趋势。研制机—电—液一体化、结构紧凑、收获效率高和收获质量好的籽瓜收获机具，能够降低农户劳动强度，此外开展带有籽粒清洗装置的智能化联合收获机必将成为新的研究方向。

（2）现阶段由于动力和体型等因素的制约，我国籽葫芦瓜收获机只针对其瓜籽进行收获，瓜皮、瓜瓤等大多都被直接丢弃在田间，作为废弃物直接还田，仅仅对瓜籽进行了利用。但是实际上籽葫芦瓜除了瓜籽具有极高营养价值可被开发利用，其瓜皮、瓜瓤、瓜汁等都富含维生素、氨基酸等多种营养成分，可被收集处理作为优质的家畜饲料。因此，在联合收获机的研发过程中可以考虑添加瓜皮、瓜瓤回收装置，以提高籽瓜的利用价值，增加整机的经济效益，为农户提高副产品经济收益。