石鑫，牛長河，喬園園，辛巖，蘇魯坦·巴達克，王學農(nóng)

(1. 新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所，烏魯木齊 830091；2. 新疆塔城地區(qū)農(nóng)機推廣站，新疆塔城 834700)

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籽瓜撿拾脫籽聯(lián)合作業(yè)機優(yōu)化設(shè)計與試驗

石鑫1，牛長河1，喬園園1，辛巖2，蘇魯坦·巴達克2，王學農(nóng)1

(1. 新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所，烏魯木齊 830091；2. 新疆塔城地區(qū)農(nóng)機推廣站，新疆塔城 834700)

【目的】通過設(shè)計、試驗、優(yōu)化，為籽瓜撿拾脫籽聯(lián)合作業(yè)機提供適用、配套的去瓜秧裝置，便于籽瓜機械化收獲?！痉椒ā窟x用成熟度較高的打瓜為試驗材料，以籽瓜撿拾脫籽聯(lián)合作業(yè)機為研究對象，優(yōu)化設(shè)計旋轉(zhuǎn)橡膠條式去瓜秧裝置，并對該裝置進行正交試驗，確定最優(yōu)參數(shù)組合，將最優(yōu)參數(shù)組合帶入打瓜實際收獲作業(yè)中進行驗證?！窘Y(jié)果】撿拾輥行走速度為1.7 km/h，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為90 r/min，旋轉(zhuǎn)軸旋向與撿拾輥前進方向相同時，瓜秧雜草量、籽瓜撿拾率和作業(yè)效率明顯比其他參數(shù)組合下的作業(yè)效果好，收獲打瓜時平均瓜秧雜草含量為0.576 kg/667m2，平均撿拾率96.16%，平均工作效率為0.407 hm2/h(6.11畝/h)?！窘Y(jié)論】旋轉(zhuǎn)橡膠條式去瓜秧裝置，更有利于瓜秧和雜草的祛除，同時撿拾率和工作效率也達到了設(shè)計要求。

籽瓜；去瓜秧；優(yōu)化；設(shè)計

0 引 言

【研究意義】以取籽為主的瓜類植物，包括打瓜、裸仁南瓜、黑殼南瓜、光板南瓜、紅小片等[1]，不論是種植面積還是產(chǎn)量，中國均居世界之首，盛產(chǎn)于我國西北地區(qū)，其中新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏、青海五省為主產(chǎn)區(qū)[2]，2015年新疆以取籽為主的瓜類植物種植面積超過40×104hm2(600萬畝)，新疆是我國最大的籽瓜種植基地,已成為農(nóng)民增收的特色經(jīng)濟作物之一。由于籽瓜收獲期短，目前的籽瓜收獲機具效率仍顯低下，收獲不及時易造成大量浪費，因此解決現(xiàn)有機具存在的問題，提高機具作業(yè)效率具有重要意義[3-5]?！厩叭搜芯窟M展】在已檢索到的相關(guān)文獻中，國外有關(guān)籽瓜類等作物的機械化收獲技術(shù)的相關(guān)研究很少，近十幾年沒有相關(guān)文獻和報道。1955年，由E.L.SCHEIDENHLEM 研制的南瓜和類似作物的收獲機和 1969年 Wellington W. Porter 研制的南瓜收獲機[6-14]；國內(nèi)由新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所研制的“籽用瓜撿拾脫籽聯(lián)合作業(yè)機”(ZL200720183527.8)已在我國主要籽瓜種植區(qū)大面積示范推廣[15-16]。還有部分企業(yè)和個人研究了不同收獲原理的籽瓜收獲機，僅申報了專利或制作了樣機，沒有用于生產(chǎn)實際的相關(guān)報道?！颈狙芯壳腥朦c】目前，在籽瓜的生產(chǎn)過程中，耕地、整地、播種、中耕、植保等機械化水平已較高，籽瓜的收獲階段，勞動強度大，勞動成本高，“籽用瓜撿拾脫籽聯(lián)合作業(yè)機”采用扎瓜的原理，由撿拾輥將籽瓜扎起，升運至一定高度，再由取瓜齒將瓜取下，滾入脫籽裝置內(nèi)。但該機工作時，撿拾輥撿瓜時易將瓜秧、雜草等雜物帶入脫籽裝置內(nèi)，難以清理，因此機具作業(yè)時，需要1～2名工人跟隨輔助扯瓜秧，工作一段時間還需停機清理纏繞在旋轉(zhuǎn)工作部件上的雜物，降低機具的工作效率。隨著籽瓜的種植規(guī)模越來越大，人力投入，生產(chǎn)成本的消耗等問題日益突出，解決瓜秧雜草纏繞問題已成為提高籽瓜機械化收獲效率的關(guān)鍵所在，因此急需設(shè)計、優(yōu)化去除瓜秧、雜草的裝置，以提高生產(chǎn)效率[15-19]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】測定旋轉(zhuǎn)橡膠條式去瓜秧裝置和籽瓜撿拾脫籽聯(lián)合作業(yè)機，在不同工況下的作業(yè)效果，確定影響籽瓜撿拾率、瓜秧雜草量、作業(yè)效率的主次因素和最優(yōu)參數(shù)組合，并將最優(yōu)組合帶入實際生產(chǎn)中，進行驗證，指導籽瓜機械化生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 籽瓜撿拾脫籽聯(lián)合作業(yè)機

試驗地在新疆瑪納斯縣芳草湖農(nóng)場，隨機選擇9個長100 m，寬2.8 m(約280 m2)的成熟打瓜地。試驗樣機安裝并調(diào)試到正常工作狀態(tài)，試驗前校驗儀器、儀表。保證試驗期間工作穩(wěn)定。試驗選用打瓜皮由綠色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S綠色，成熟度較高的打瓜。

籽瓜撿拾脫籽聯(lián)合作業(yè)機由撿拾裝置、去瓜秧裝置、脫籽裝置、機架、行走裝置、瓜子輸送裝置、糧倉等幾部分組成，其中撿拾裝置由集攏器、撿拾輥、支撐圈、扎瓜齒、取瓜齒等組成，脫籽裝置由進料斗、破碎軸、壓瓜輥、篩選部件、螺旋輸送部件、清選部件、傳動系統(tǒng)等組成，機具由拖拉機牽引行駛，旋轉(zhuǎn)所需的動力由拖拉機輸出軸提供。圖1

作業(yè)時，拖拉機牽引機具前進，撿拾裝置在機具的帶動下向前滾動，集攏器位于機具的前端，先將籽瓜集攏到撿拾輥的工作幅寬內(nèi)，撿拾輥上布滿扎瓜齒，隨著撿拾輥的滾動，籽瓜連同瓜秧、雜草一起被扎瓜齒扎起，去瓜秧裝置將瓜秧清除，剩余的籽瓜被升運至取瓜齒處，由取瓜齒取下后落至脫籽裝置的進料口。脫籽裝置的進料口下方設(shè)有破瓜軸將籽瓜打碎，壓瓜輥將瓜子從瓜皮瓜瓤中分離出來并拋送至篩選部件，經(jīng)篩分瓜子漏至螺旋輸送部件，由螺旋輸送端部的刮板拋送至清選部件內(nèi)，通過清選部件將瓜子中的水分排出，較干凈的瓜子由輸送裝置提升喂入瓜子倉內(nèi)；去瓜秧裝置可將瓜秧、雜草等雜物去除，避免纏繞在旋轉(zhuǎn)部件上造成壅堵[20-21]。圖2

1.撿拾裝置；2.去瓜秧裝置；3.機架；4.行走裝置；5.脫籽裝置

圖2 籽瓜收獲作業(yè)工作過程

1.1.2 去瓜秧裝置的優(yōu)化設(shè)計

1.1.2.1 優(yōu)化設(shè)計

分析瓜秧雜草纏繞的部位和原因，破瓜部件的旋轉(zhuǎn)軸最易纏繞瓜秧雜草，造成籽瓜入料口的壅堵，影響籽瓜進入脫籽裝置，經(jīng)常需停機清理，降低作業(yè)效率。先后設(shè)計壓瓜輥式去瓜秧裝置(圖3)、割刀式去瓜秧裝置(圖4)和旋轉(zhuǎn)橡膠條式去瓜秧裝置(圖5)。安裝壓瓜輥式去瓜秧裝置的籽瓜撿拾脫籽聯(lián)合作業(yè)機，作業(yè)時排出的瓜皮中含籽率過高，損失率達3.7%。安裝割刀式去瓜秧裝置的籽瓜撿拾脫籽聯(lián)合作業(yè)機，割刀切割瓜秧時易將瓜割破，瓜子從瓜中漏出，造成浪費，且割刀磨損嚴重，工作一段時間后起不到切割瓜秧的作用。最終設(shè)計優(yōu)化旋轉(zhuǎn)橡膠條式去瓜秧裝置，通過試驗確定最佳工作參數(shù)[22-23]。圖3～5

1.1.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

旋轉(zhuǎn)橡膠條式去瓜秧裝置采用安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的橡膠條將雜草和瓜秧撥離撿拾輥。去瓜秧裝置包括旋轉(zhuǎn)軸、帶座軸承、橡膠條、支架等組成，每隔 7 cm處在旋轉(zhuǎn)軸的外圓面上相對安裝一對橡膠條，位置與扎瓜齒交錯排列，旋轉(zhuǎn)橡膠條與兩齒之間時有一定的重合量，旋轉(zhuǎn)軸通過帶座軸承安裝在撿拾輥前端的支架上，支架軸承座底板螺栓孔設(shè)計為長孔，可調(diào)節(jié)橡膠條與扎瓜齒相對位置；在傳動軸帶動下旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動橡膠條與撿拾輥做相對轉(zhuǎn)動，撿拾輥帶起的瓜秧和雜草被橡膠條撥下，達到去瓜秧和雜草的目的，橡膠條采用無毒耐磨材料。

1.側(cè)板 2.防纏繞破瓜塊 3.壓瓜輥 4.心軸 5.機架 6.破瓜凹板

1.動刀片2.定刀片3.刀桿4.傳動部件

圖5 旋轉(zhuǎn)橡膠條式去瓜秧裝置結(jié)構(gòu)

1.1.2.3 橡膠條的設(shè)計

橡膠條采用柔性材料，橡膠的種類很多：有天然橡膠、順丁橡膠、丁苯橡膠等。其中，天然橡膠彈性大，耐磨性好，有非常好的機械性能，撕裂強度也較高，可達98 kN/m，具有耐磨性好、加工性好、耐水性優(yōu)和耐沖擊性好等優(yōu)點[24-25]。因此旋轉(zhuǎn)軸上固定的橡膠條選取天然橡膠，加工成寬度為30 mm，厚度為20 mm的橡膠條，長度選取300 mm，安裝在旋轉(zhuǎn)軸外圓柱面上。

該方法模仿人手扒瓜秧、雜草的方式，效果較好，能有效防止撿拾輥將瓜秧雜草帶起喂入脫籽裝置內(nèi)，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速過高，易將瓜打落，降低撿拾率，旋轉(zhuǎn)速度過低，瓜秧無法清理干凈；另外，轉(zhuǎn)速與行走速度需要合理的匹配，行走過快，來不及清理瓜秧，也會造成部分瓜秧進入脫籽裝置，行走速度慢，作業(yè)效率低，通過正交試驗，得到機具的最佳工作參數(shù)。

1.2 方 法

針對旋轉(zhuǎn)橡膠條式去瓜秧裝置，為找出影響籽瓜撿拾率、瓜秧雜草量及作業(yè)效率的因素，選擇撿拾輥行進速度、旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)軸旋向三因素作為研究對象，進行正交試驗。撿拾輥行走速度分別取1.5、1.7和2 km/h；旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速分別取80、90和100 r/min；旋轉(zhuǎn)軸旋向選擇與撿拾輥前進方向相同和相反兩種旋向。試驗后統(tǒng)計脫籽裝置入料口和旋轉(zhuǎn)部件纏繞瓜秧雜草量(kg/667 m2)，記為Y1，籽瓜撿拾率(%)，記為Y2，作業(yè)效率(hm2/h)，記為Y3。

選擇撿拾輥行進速度、旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)軸旋向三因素作為研究對象，進行正交試驗，確定機具最佳工作參數(shù)，列出因素水平[26-29]。表1

表1 因素水平

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗

由于C旋轉(zhuǎn)軸旋向的第2個水平比第1個水平好，所以將第2個水平重復一次作為第3水平。 選用L9(34)試驗。表2

一般線性模型: 脫籽裝置入料口和旋轉(zhuǎn)部件纏繞瓜秧雜草量Y1與 A撿拾輥行走速度， B旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速， C旋轉(zhuǎn)軸旋向。

表2 正交試驗與結(jié)果

表3 瓜秧雜草量方差

F0.05(2,3)=9.55，F(xiàn)0.10(2,3)=5.46，

F0.05(1,3)=10.13，F(xiàn)0.10(1,3)=5.54.

由此看出，對于瓜秧雜草量由于FA、FB均>F0.05(2,3)=9.55，因此A、B在顯著性水平0.05上極顯著，C在顯著性水平0.10上不顯著，即撿拾輥行走速度、旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速對瓜秧雜草量影響極顯著，旋轉(zhuǎn)軸旋向?qū)涎黼s草量影響不顯著，所以得出影響瓜秧雜草量因素的主次順序為FA>FB>FC。通過直觀分析法對試驗結(jié)果進行分析，得到各因素與考核指標的趨勢圖。因此，瓜秧雜草量的最優(yōu)方案為A1B3C1。表3，圖6

一般線性模型：撿拾率與A撿拾輥行走速度，B旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，C旋轉(zhuǎn)軸旋向。

圖6 各因素與考核指標瓜秧雜草量的趨勢

來源Source自由度Freedom偏差平方和Squareofdeviance均方和SumofsquaredFA撿拾輥行走速度AWalkingspeedofmelonpick-uproller(km/h)22416891208442946B旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速BSpeedofrotationaxis(r/min)2124956624781523C旋轉(zhuǎn)軸旋向CSwirlofrotationaxis10067200672016誤差I(lǐng)naccuracies31230604102合計Total8379622

2.2 撿拾率

F0.05(2,3)=9.55，F(xiàn)0.10(2,3)=5.46，

F0.05(1,3)=10.13，F(xiàn)0.10(1,3)=5.54.

由此看出，對于撿拾率由于FA、FB均>F0.05(2,3)=9.55，因此A、B在顯著性水平0.05上極顯著，C在顯著性水平0.10上不顯著，即撿拾輥行走速度、旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速對撿拾率影響極顯著，旋轉(zhuǎn)軸旋向?qū)焓奥视绊懖伙@著，得出影響瓜秧雜草量因素的主次順序為FA>FB>FC。通過直觀分析法對試驗結(jié)果進行分析，得到各因素與考核指標的趨勢圖。因此，撿拾率的最優(yōu)方案為A1B2C1。表4，圖7

一般線性模型：工作效率與 A撿拾輥行走速度， B旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速， C旋轉(zhuǎn)軸旋向。

圖7 各因素與考核指標撿拾率的趨勢

2.3 工作效率方差

F0.05(2,3)=9.55，F(xiàn)0.10(2,3)=5.46，

F0.05(1,3)=10.13，F(xiàn)0.10(1,3)=5.54.

由此看出，對于工作效率由于FA>F0.05(2,3)=9.55，因此A在顯著性水平0.05上極顯著，B、C在顯著性水平0.10上不顯著，即撿拾輥行走速度對工作效率影響極顯著，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)軸旋向?qū)ぷ餍视绊懖伙@著，得出影響工作效率因素的主次順序為FA>FB>FC。通過直觀分析法對試驗結(jié)果進行分析，得到各因素與考核指標的趨勢圖。因此，工作效率的最優(yōu)方案為A3B3C2。表5，圖8

表5 工作效率方差

圖8 各因素與考核指標工作效率的趨勢

通過對各因素考核指標的趨勢圖分析，采用綜合平衡法得到較優(yōu)組合方案為A2B2C2，即撿拾輥行走速度為1.7 km/h，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為90 r/min，旋轉(zhuǎn)軸旋向與撿拾輥前進方向相同時作業(yè)效果最佳。

2.4 驗證試驗

選取最優(yōu)參數(shù)組合：撿拾輥行走速度為1.7 km/h，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為90 r/min，旋轉(zhuǎn)軸旋向與撿拾輥前進方向相同，代入打瓜實際收獲中進行驗證，按照每天工作10 h計算，統(tǒng)計瓜秧雜草量、籽瓜撿拾率和作業(yè)效率。表6

選用最優(yōu)參數(shù)組合進行試驗所得的瓜秧雜草量、籽瓜撿拾率和作業(yè)效率明顯比其他參數(shù)組合下的作業(yè)效果好，打瓜收獲日工作效率可達4.07 hm2。表6

表6 驗證試驗結(jié)果

3 討 論

3.1 旋轉(zhuǎn)橡膠條式去瓜秧雜草裝置模仿人手扒瓜秧動作，能將瓜秧、雜草等雜物有效去除，且橡膠條為軟材質(zhì)不會破損籽瓜，大大降低了瓜秧雜草量、提高了籽瓜撿拾率和工作效率。

3.2 由于籽瓜品種及籽瓜不同成熟階段的物理特性差異較大，因此收獲作業(yè)時應(yīng)綜合分析籽瓜含水率、瓜皮硬度、瓜秧韌性等因素，以確定最佳收獲時間。

3.3 由于不同品種籽瓜產(chǎn)量有較大差異，因此收獲作業(yè)時應(yīng)根據(jù)實際情況匹配機具前進速度，以達到最佳籽瓜撿拾率和最低的雜草量。例如籽用西葫蘆產(chǎn)量高，瓜皮厚、硬度高、瓜瓤含水率低，破碎功耗大，因此作業(yè)效率較打瓜收獲低，日作業(yè)效率為2.67 hm2。

4 結(jié) 論

4.1 旋轉(zhuǎn)橡膠條裝置能很好的解決瓜秧雜草纏繞、堵塞問題，改進后的籽瓜撿拾脫籽聯(lián)合作業(yè)機旋轉(zhuǎn)部件由于沒有瓜秧雜草的纏繞，較以往的籽瓜撿拾脫籽聯(lián)合作業(yè)機減少了停機次數(shù)，以往的籽瓜撿拾脫籽聯(lián)合作業(yè)機，工作1～1.5小時需停機清理，而改進后的機具可連續(xù)作業(yè)，日工作效率達4.07 hm2；

4.2 通過優(yōu)化設(shè)計了旋轉(zhuǎn)橡膠條式去瓜秧雜草裝置，并對其進行了正交試驗，得出最優(yōu)組合參數(shù)，當撿拾輥行走速度為1.7 km/h，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為90 r/min，旋轉(zhuǎn)軸旋向與撿拾輥前進方向相同時作業(yè)效果最佳，平均籽瓜撿拾率達96.16%，收獲后的籽瓜中瓜秧雜草含量最少為0.576 kg/667m2，作業(yè)效率達0.407 hm2/h；

4.3 將最優(yōu)組合參數(shù)帶入實際籽瓜收獲中驗證其作業(yè)效果，通過連續(xù)10小時作業(yè)證實，機具的收獲指標滿足設(shè)計要求。

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Fund project:National agricultural science and technology achievement transformation project "The production of watermelon harvest mechanization technology of seed-using melon pilot and demonstration" (2012GB2G400502); the Youth Funds of Xinjiang Academy of Agricultural Sciences "Study on the mechanism and key technology of seed-using melon fragmentation and seed taking" (xjnkq-2013014)

Optimization and Test of Melon Stalks Removing Device on Seed-using Melon Picking and Deseeding Machine

SHI Xin1, NIU Chang-he1, QIAO Yuan-yuan1, XIN Yan2, Sulutan Bardac2, WANG Xue-nong1

(1.Research Institute of Agricultural Mechanization, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091,China；2.TachengAreaAgriculturalMachineryExtensionStation,TachengXinjiang834700，China)

【Objective】 To provide applicable and matching melon stalks removing device for seed-using melon picking and deseeding machine through design, test and optimization to simplify the mechanized harvesting of seed-using melon.【Method】Taking seed-using melon picking and deseeding machine as research subject， through analyzing the existing problems in harvest and structure of equipment, to optimize and design the rotating rubber type melon stalks removing device and do orthogonal test on it, and through the orthogonal test, the project team found out the best combined parameters and verified these parameters through actual operation of harvest on seed-using melon.【Result】The result of experimental data indicates that under the condition of walking speed of melon pick-up roller is 1.7 km/h, speed of rotation axis is 90 r/min and swirl of rotation axis is same with direction of melon pick-up roller, the content of weeds and melon stalk, the picking up rate and the operation efficiency is better than other parameter combination. When picking seed-using melon the average content of weeds and melon stalk was 0.576 kg/ 667 m2, the average picking rate was 96.16%, the operation efficiency was 0.407 hm2/h (6.11 mu/h). 【Conclusion】Through a comprehensive analysis, we found that the rotating rubber type melon stalks removing device had better performance in melon stalk and weed removing and the picking up rate and operation efficiency both met the design requirement.

seed-using melon; melon stalks removing; optimization; design

10.6048/j.issn.1001-4330.2016.07.019

2016-01-21

國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項目“打瓜生產(chǎn)聯(lián)合收獲機械化技術(shù)的中試與示范”(2012GB2G400502)；新疆農(nóng)業(yè)科學院優(yōu)秀青年科技人才基金項目“籽瓜破碎、取籽機理及關(guān)鍵技術(shù)的研究”(xjnkq-2013014)

石鑫(1982-)，女，新疆克州人，助理研究員，碩士，研究方向為特色經(jīng)濟作物采收技術(shù)與裝備，(E-mail)18999111523@163.com

王學農(nóng)(1964-)，男，陜西漢中人，研究員，碩士生導師，研究方向為農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)裝備，(E-mail)xjwxn2010@sina.com

S225

A

1001-4330(2016)07-1310-09