陳有慶，胡志超，王申瑩，曹明珠，徐弘博，王公仆，顏建春

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014）

0 引 言

花生是重要的油料作物[1-3]，2018 年中國大陸花生種植面積462 萬hm2，產(chǎn)量1 733 萬t[4]，在世界花生產(chǎn)業(yè)中占有重要地位[5]。一般花生秧蔓產(chǎn)量與莢果產(chǎn)量相當[6]，即每年花生秧蔓產(chǎn)量約1 700 萬t。由于地膜覆蓋具有保溫保墑、封閉雜草、提高農(nóng)作物產(chǎn)量等效果，因此中國花生廣泛采用覆膜種植[7-8]，據(jù)估算，全國花生覆膜種植面積超過233.3 萬hm2[9]，覆膜種植花生秧蔓產(chǎn)量約875 萬t，花生秧蔓是優(yōu)良的畜禽飼料[10-11]。

針對覆膜種植花生秧蔓飼料化利用需求，陳有慶等[12]提出了一種花生秧蔓和莢果兼收的“三段式”花生收獲方式，該收獲方式可有效避免花生秧蔓中混入塑料薄膜。采用撿拾聯(lián)合收獲機進行撿拾摘果是花生“三段式”收獲的重要環(huán)節(jié)，撿拾裝置是撿拾聯(lián)合收獲機的關(guān)鍵部件，其作業(yè)效果直接影響整機作業(yè)性能[13]。

滾筒式彈齒撿拾裝置由于具有體積小、撿拾性能好、適應(yīng)性強等優(yōu)點，應(yīng)用較普遍，相關(guān)研究也較多。王國權(quán)等[14]對彈齒滾筒式撿拾器設(shè)計方案進行了計算機仿真，對彈齒滑道曲線進行了擬合。烏吉斯古楞[15]利用Inventor 軟件建立了彈齒式撿拾器運動仿真模型，并對彈齒擺動規(guī)律、角速度和軌道受力進行了分析，提出了利用“軌跡”反求軌道曲線的設(shè)計方法。郁志宏等[16]建立了撿拾遺漏率理論模型并進行了仿真，利用Matlab 編程對撿拾器結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。近年來，滾筒式彈齒撿拾裝置已有在花生撿拾聯(lián)合收獲機上應(yīng)用[17]。姚禮軍等[18-19]運用Box-Benhnken 中心組合試驗方法對彈齒式撿拾裝置結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)進行了試驗研究，建立了響應(yīng)面數(shù)學模型，得到了各因素最優(yōu)參數(shù)組合。許濤等[20]采用非支配排序遺傳算法NSGA-Ⅱ?qū)楜X、護板等進行了參數(shù)優(yōu)化，運用Matlab 編程獲得了滑道中心線軌跡，通過ADAMS 對彈齒式撿拾機構(gòu)進行了運動學與動力學仿真，并開展了性能試驗，獲得了花生撿拾機構(gòu)最優(yōu)工作參數(shù)組合。王申瑩等[21]在分析牧草和青儲機撿拾機構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合花生莢果和植株特性，研發(fā)了一種彈齒式撿拾裝置，并開展了試驗研究，驗證了彈齒式撿拾裝置的作業(yè)質(zhì)量和可靠性。綜上，國內(nèi)已開展了將彈齒式撿拾裝置用于花生撿拾收獲的相關(guān)研究，但對適用于割秧后花生植株的撿拾裝置研究尚為空白。

目前已有的對谷物、牧草、油菜收獲、殘膜回收等撿拾裝置的研究手段和研究方法可為本研究提供一定借鑒[22-26]。為解決現(xiàn)有花生撿拾聯(lián)合收獲機用于割秧后花生收獲作業(yè)過程中存在漏撿、掉果的難題，本文以團隊研發(fā)的4HZJ-3000型撿拾聯(lián)合收獲機為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種彈齒式撿拾裝置，并以撿拾率、落果率為作業(yè)指標開展田間試驗，以期為割秧后花生撿拾聯(lián)合收獲機研發(fā)和改進提供依據(jù)和借鑒。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

4HZJ-3000型花生聯(lián)合收獲機可1次收獲4壟8行（發(fā)動機功率 92 kW，作業(yè)幅寬 3 000 mm，生產(chǎn)效率 0.6～1.8 hm2/h，適用于大面積種植的花生收獲），其結(jié)構(gòu)如圖 1所示，主要包括滾筒式撿拾器、輸送輥筒、摘果裝置、清選裝置、集果裝置、行走機構(gòu)、果箱、動力系統(tǒng)、駕駛室等部件。

作業(yè)時，鋪放于田間的花生植株被滾筒式撿拾器撿起，經(jīng)過輸送輥筒向后輸送，進入摘果裝置，在摘果裝置旋轉(zhuǎn)彈齒和固定凹板柵格的作用下，花生莢果從植株上被摘下，在清選裝置風選和篩選作用下，花生莢果被清選干凈，并被集果裝置送入果箱，花生秧蔓被排出機外鋪放于田間或進入集草箱。

2 割秧后花生植株特性

割秧后花生是撿拾裝置的作業(yè)對象，主要由根部、莢果、留茬等組成。相比未割秧花生植株有顯著區(qū)別，即植株長度變短、橫向尺寸變小、莢果-秧蔓比增大，如圖2 所示。田間試驗表明，利用現(xiàn)有花生聯(lián)合收獲機的撿拾裝置對割秧后花生進行撿拾作業(yè)，撿不凈、落果損失嚴重，為此，本文對現(xiàn)有撿拾裝置進行改進，重點對彈齒間距、彈齒轉(zhuǎn)速、彈齒折彎角度、彈齒排數(shù)等結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)進行改進設(shè)計。

圖2 割秧后花生植株示意圖Fig.2 Schematic of peanut plant after cutting

3 滾筒式撿拾器

滾筒式撿拾器是花生聯(lián)合收獲機的重要部件，用來完成花生植株的撿拾、輸送作業(yè)?；ㄉ?lián)合收獲機滾筒式撿拾器主要由攪龍、撿拾裝置、輔助導向柵、限深輪、機架等組成，如圖 3 所示，作業(yè)時，通過調(diào)整限深輪的高度來控制整個滾筒式撿拾器高度，保證撿拾裝置上的撿拾彈齒齒尖在回轉(zhuǎn)過程中最低點離地面一定距離，隨著機具的前進，花生植株在撿拾裝置的作用下，向上向后輸送至攪龍，再由攪龍將其自兩側(cè)向中間聚集，送入后端的輸送輥筒，完成整個花生植株的撿拾作業(yè)。作業(yè)過程中，為了防止撿拾彈齒將花生植株向前向上挑起而無法進入滾筒式撿拾器，在撿拾裝置前端配有高度可調(diào)的輔助導向柵。

撿拾裝置是滾筒式撿拾器的重要組成部分，其設(shè)計要求是：撿拾干凈，同時防止打落花生莢果。該撿拾裝置主要由撿拾彈齒、輸秧板、支撐板、彈齒安裝座、支座安裝管、撿拾裝置主軸等組成，主要結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖3 滾筒式撿拾裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of drum type pickup device

圖4 撿拾裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of pickup device

針對割秧后花生植株特性及撿拾作業(yè)需求，在前期田間試驗基礎(chǔ)上，對彈齒間距、彈齒轉(zhuǎn)速、彈齒折彎角度、彈齒排數(shù)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)進行優(yōu)化。

3.1 彈齒間距確定

彈齒間距是指相鄰 2 根彈齒之間的橫向距離。田間試驗發(fā)現(xiàn)，花生植株的撿拾主要通過撿拾彈齒插入植株的分枝之間將其挑起而實現(xiàn)。為了將植株撿起，應(yīng)保證撿拾彈齒間距適宜，間距過小，設(shè)備制造難度增加，成本高；間距過大，則植株位于2 根相鄰的撿拾彈齒之間，彈齒無法挑到植株，造成漏撿，增加損失。

撿拾彈齒間距依據(jù)割秧后花生植株的橫向尺寸確定。河南、山東、東北和新疆等地主要采用花生覆膜種植，因此選擇上述主產(chǎn)區(qū)種植面積最廣的典型花生品種開展割秧后花生植株尺寸測量。其中河南省代表品種為遠雜9102、羅漢果，山東省代表品種為海花1 號、花育19，東北地區(qū)的代表品種為阜花8 號、錦花5 號，新疆地區(qū)的代表品種為四粒紅、花育22。2018 年8—10 月，分別在河南遂平、山東臨沭、遼寧北鎮(zhèn)、新疆沙灣典型花生種植區(qū)對割秧后花生植株橫向尺寸進行了測量。為了將花生秧蔓充分利用，并盡可能減少因切秧而切斷花生果柄，造成落果損失，切秧位置應(yīng)高于花生結(jié)莢位置。在對上述品種花生結(jié)莢高度（均低于12 cm）測量基礎(chǔ)上，確定留茬高度H1為12 cm，利用剪刀進行人工割秧，每個花生品種測量50 株，由于植株縱向尺寸包含了根長（花生植株根長一般大于10 cm）和留茬高度，其尺寸明顯大于植株橫向尺寸，因此僅需滿足橫向尺寸大于撿拾彈齒間距，撿拾彈齒即可將其挑起。利用SPSS 軟件對測定結(jié)果進行統(tǒng)計分析，其中遠雜9102 品種花生橫向尺寸頻數(shù)統(tǒng)計結(jié)果如圖5 所示，其他7 個品種花生橫向尺寸頻率統(tǒng)計結(jié)果見表1。8 個品種花生的橫向尺寸均呈現(xiàn)近似正態(tài)分布，橫向尺寸集中在8.0～9.0 cm 之間，平均值大于8.3 cm，橫向尺寸最小值為6.7 cm，共有5 個橫向尺寸小于或等于7.5 cm，即98.75%的花生橫向尺寸大于7.5 cm，只要彈齒間距小于割秧后植株橫向尺寸，理論上就能保證98.75%的花生植株至少能被2 根撿拾彈齒挑到，因此本文設(shè)計彈齒間距為7 cm。

圖5 遠雜9102 花生橫向尺寸統(tǒng)計直方圖Fig.5 Histogram of statistics of transverse size of Yuanza 9102

表1 7 個品種花生橫向尺寸統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistical results of transverse size of 7 varieties of peanuts

3.2 彈齒轉(zhuǎn)速設(shè)計

為了將花生植株撿起，避免彈齒向前推動花生植株以及彈齒高速打擊莢果，造成莢果脫落，需要確定彈齒齒尖線速度。彈齒齒尖線速度不僅與彈齒回轉(zhuǎn)半徑有關(guān)，在回轉(zhuǎn)半徑確定的情況下，彈齒齒尖線速度還取決于彈齒轉(zhuǎn)速。在機具前進速度確定的情況下，如果彈齒轉(zhuǎn)速過小，則難以將花生植株撿起，并將推動花生植株，使植株與地面產(chǎn)生摩擦，造成莢果脫落；彈齒轉(zhuǎn)速過大，對花生莢果打擊強度大，造成莢果脫落，且撿拾裝置可靠性變差。因此，彈齒轉(zhuǎn)速對花生植株撿拾效果至關(guān)重要。彈齒運動軌跡是聯(lián)合收獲機前進運動與彈齒回轉(zhuǎn)運動的合成運動。要實現(xiàn)有效撿拾，減少植株與地面的拖拽摩擦，降低落果率，且在撿拾彈齒回轉(zhuǎn)運動到離地最高點要滿足向后拋送植株的條件，即在最高點具有向后的合成速度，需要滿足彈齒齒尖速度與聯(lián)合收獲機前進速度的比值λ>1，即

式中ω為撿拾彈齒角速度，rad/s；R為彈齒回轉(zhuǎn)半徑，mm；vj為撿拾聯(lián)合收獲機前進速度，m/s。

參考具有撿拾功能的牧草撿拾打捆機、油菜撿拾收獲機等機具前進速度[23-24,27]，設(shè)計vj=1.3 m/s，即

由此有：

式中nt為撿拾彈齒轉(zhuǎn)速，r/min。

現(xiàn)有花生聯(lián)合收獲機撿拾彈齒回轉(zhuǎn)半徑為26 cm，由于割秧后花生植株高度減小，應(yīng)減小彈齒回轉(zhuǎn)半徑，以縮短撿拾、升舉距離，結(jié)合前期田間試驗，設(shè)計R為 21 cm，將其代入式（3），可得撿拾彈齒轉(zhuǎn)速>59.14 r/min。

同時，割秧后的花生植株，由于缺少了花生秧蔓的“保護”，增加了撿拾彈齒直接擊打到花生莢果的概率，如果撿拾彈齒轉(zhuǎn)速過大，容易將花生莢果打落，導致落果損失增加。因此，為了實現(xiàn)花生植株有效撿拾，又盡量減小撿拾彈齒對花生植株的擊打力度，要求撿拾彈齒轉(zhuǎn)速盡量小，取nt=60 r/min。

3.3 彈齒折彎角度確定

生產(chǎn)應(yīng)用表明，撿拾裝置的撿拾彈齒折彎一定角度有利于提高撿拾率。通過對被撿拾裝置撿起的花生植株進行受力分析，可計算出適宜的彈齒折彎角度。由于割秧后花生植株尺寸相對于彈齒的回轉(zhuǎn)半徑小，可將其簡化為一個質(zhì)點，花生植株被彈齒挑起時，其受力情況如圖6 所示。

為保證撿拾彈齒上的花生植株在撿拾過程中不脫落，植株與撿拾彈齒間的摩擦力要大于植株重力和離心力在彈齒端部的分力之和，即植株被撿起時的必要條件為

其中

式中Ff為花生植株被挑起時所受的摩擦力，N；G為花生植株所受重力，N；β為撿拾彈齒折彎段與重力方向的夾角，（o）；Fr為花生植株被挑起時所受的離心力，N；γ撿拾彈齒折彎段與離心方向的夾角，（o）；μ為花生植株與撿拾彈齒之間的摩擦系數(shù)；FN為花生植株被挑起時由彈齒對其施加的推力，N。

根據(jù)幾何關(guān)系有：

式中α為撿拾彈齒折彎角度，（o）。

根據(jù)作用力與反作用力原理可得

由式（4）、（5）、（6）、（7）可得

圖6 花生植株受力分析和撿拾彈齒運動分析Fig.6 Force analysis of peanut plant and motion analysis of elastic tooth

在對割秧后花生植株橫向尺寸測量的同時，對花生植株鋪放厚度H進行了測量。為了將花生秧蔓充分利用，并盡可能減少因切秧而切斷花生果柄造成落果損失，按照留茬高度為 12 cm 進行人工切秧，再利用當?shù)氐幕ㄉ诰蚴斋@機進行挖掘、清土、鋪放作業(yè)，晾曬4 d 后，隨機抽取 5 個小區(qū)，對自然鋪放狀態(tài)下的不同品種花生植株鋪放厚度H進行測量，每個品種測量50 次，不同品種花生鋪放厚度最小值見表2。

表2 不同品種花生鋪放厚度最小值Table 2 Minimum thickness of peanut plant for different varieties

由表2 可知，8 個花生品種中，遠雜9102 割秧后植株鋪放厚度最小，為37 mm。

因此

根據(jù)文獻[28]：

將式（10）和μ值代入式（8），可得撿拾彈齒折彎角度α為101.27°，圓整為102°。彈齒折彎部分的長度應(yīng)大于花生植株鋪放厚度，即大于 37 mm，考慮到部分花生植株有堆疊現(xiàn)象，取彈齒折彎部分的長度為4 cm。

3.4 彈齒排數(shù)確定

彈齒齒尖相對于撿拾裝置的運動軌跡為回轉(zhuǎn)運動，隨著聯(lián)合收獲機的前進，彈齒齒尖的圓形運動軌跡變成相互交錯的運動軌跡，形成了漏撿區(qū)。為提高撿拾率，漏撿區(qū)要控制在合理范圍。漏撿區(qū)的大小主要由聯(lián)合收獲機前進速度、撿拾彈齒回轉(zhuǎn)速度、撿拾彈齒排數(shù)決定。通過對撿拾彈齒齒尖A點的運動軌跡進行分析（如圖6），建立撿拾彈齒齒尖A點的運動軌跡方程

式中x為撿拾彈齒的水平位移，mm；y為撿拾彈齒的縱向位移，mm。

運用Matlab 軟件對不同排數(shù)彈齒齒尖運動軌跡進行計算。其中vj為1.3 m/s，R為210 mm，h為10 mm，撿拾彈齒回轉(zhuǎn)角速度ω為2π rad/s，不同排數(shù)彈齒齒尖運動軌跡如圖 7 所示。理論上撿拾彈齒齒尖運動軌跡將花生植株鋪放厚度線全部包含，也即花生植株全部能被撿拾彈齒挑到，即可認為撿拾彈齒能將花生植株撿起，由圖7可見，3 排彈齒無法保證花生植株全部被撿拾彈齒挑到，而 4 排彈齒即可將花生植株全部挑到。因此，撿拾彈齒排數(shù)應(yīng)≥4。該彈齒排數(shù)是基于花生植株鋪放厚度而計算得到的，因品種、長勢等區(qū)別，在實際生產(chǎn)中，割秧后花生植株鋪放厚度存在差異，結(jié)合多次田間試驗，并綜合考慮彈齒排數(shù)過多會增加對莢果的擊打次數(shù)，導致落果損失增大等，設(shè)計撿拾彈齒排數(shù)為6 排。

圖7 不同排數(shù)彈齒齒尖運動軌跡Fig.7 The elastic tooth tip movement trajectories of different rows

4 田間性能試驗

根據(jù)設(shè)計結(jié)果，改進試制彈齒式撿拾裝置，為了與4HZJ-3000 型花生聯(lián)合收獲機配套，撿拾裝置有效作業(yè)幅寬設(shè)計為3 000 mm。前述可知，在滿足彈齒間距小于花生橫向尺寸情況下，花生植株鋪放厚度越小就越不容易被撿拾，根據(jù)田間測試結(jié)果，割秧后遠雜9102 花生植株的鋪放厚度最小，最不利于撿拾作業(yè)，同時由于河南省是中國花生種植面積最大的省份，因此選擇在河南地區(qū)、以遠雜9102 花生為試驗對象開展田間驗證試驗。

4.1 試驗條件

2019 年9 月16—22 日，在河南省駐馬店市遂平縣文城鄉(xiāng)花生地進行試驗。參照GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》[29]，對花生田間狀況進行測定。土壤為壤土，種植模式為單壟雙行覆膜種植，壟距760 mm，株距14～19 mm，平均株高496 mm，平均根長 113 mm，產(chǎn)量約 4 500 kg/hm2。先采用手扶式割曬機將花生秧蔓切斷，留茬高度平均為131 mm，之后將切下的花生秧蔓人工移出，再采用花生挖掘收獲機對割秧后的花生植株進行挖掘、清土和鋪放，晾曬4 d，植株含水率降至約22%，采用聯(lián)合收獲機進行收獲作業(yè)。

4.2 試驗設(shè)計與方法

參照 NY/T 502—2016《花生收獲機 作業(yè)質(zhì)量》[30]和NY/T 2204—2012《花生收獲機械 質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》[31]，選取撿拾率、落果率為試驗指標。在花生撿拾聯(lián)合收獲機作業(yè)區(qū)內(nèi)，隨機抽取 5 個小區(qū)進行測試，每個小區(qū)長度為 50 m，寬度為作業(yè)幅寬。聯(lián)合收獲機的檔位為作業(yè)檔Ⅱ檔，通過調(diào)節(jié)油門大小（油門可鎖定）控制前進速度和彈齒轉(zhuǎn)速，用秒表記錄時間，計算出每次試驗的機具平均前進速度。每次試驗后，將集草箱中的花生秧蔓、糧倉中的花生莢果以及掉落的花生秧果進行稱量，計算每次試驗的平均喂入量。

4.2.1 撿拾率測定

待機具達到穩(wěn)定工作狀態(tài)后，在每個小區(qū)內(nèi)沿機具作業(yè)方向隨機選取長度為10 m 的測試區(qū)進行測試。重復5 次，取平均值，根據(jù)公式（13），計算撿拾率。

式中rj為撿拾率，%；m為花生果秧總質(zhì)量，kg；m1為漏撿的花生果秧質(zhì)量，kg。

4.2.2 落果率測定

為排除聯(lián)合收獲機清選、提升等裝置產(chǎn)生的落果對試驗結(jié)果的影響，在小區(qū)內(nèi)隨機停車，停止作業(yè)，選取撿拾臺到莢果清選裝置之間、長度為3m、寬度為機具作業(yè)幅寬作為測試區(qū)。試驗前，需要測試自然落果率和由挖掘機造成的落果率。共做5 組測試，取平均值。

式中rl為撿拾引起的落果率，%；rl1為測試區(qū)內(nèi)總落果率，%；m2為地面落果質(zhì)量，g；m3為試驗莢果總質(zhì)量，g；rl2為自然落果率，%；rl3為挖掘機造成的落果率，%；rl2、rl3參考 NY/T 502—2016《花生收獲機 作業(yè)質(zhì)量》[30]進行測試。

4.3 試驗結(jié)果與分析

彈齒式撿拾裝置的性能試驗結(jié)果如表3 所示。

表3 割秧后花生收獲撿拾裝置田間試驗結(jié)果Table 3 Field test result of the pickup device of peanut harvester after cutting stalks

由表 3 可知，彈齒式撿拾裝置對割秧后花生植株的平均撿拾率為 98.07%、撿拾裝置造成的平均落果率為1.23%，滿足割秧后花生撿拾收獲作業(yè)需求。

試驗發(fā)現(xiàn)，造成撿拾不凈的原因主要有 2 點：一是地面不平整，造成少部分花生植株被手扶式割曬機切得過短，撿拾收獲時，過短的花生植株正好位于 2 根撿拾彈齒之間，造成漏撿；二是由于撿拾收獲試驗前，拖拉機掛接花生挖掘收獲機進行了挖掘收獲作業(yè)，拖拉機輪胎碾壓地面形成了淺溝，掉落在淺溝里的花生植株無法被拾起，造成漏撿。

試驗還發(fā)現(xiàn)，造成落果的原因主要有 3 點：一是因為試驗前連續(xù)陰雨天氣，影響了花生適時收獲，造成部分花生果柄腐爛、強度降低，受到外力作用極易掉落；二是由于割秧后花生莢果缺少了花生秧蔓的“保護”，增大了彈齒直接擊打到莢果的幾率；三是由于少部分花生植株無法一次性被撿拾彈齒撿起，需要連續(xù)撿拾 2～3次，多次撿拾、擊打造成了落果增加。

5 結(jié) 論

1）針對目前尚無適用于割秧后花生收獲作業(yè)的撿拾裝置，以自走式花生撿拾聯(lián)合收獲機為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種彈齒式撿拾裝置。重點對撿拾裝置的彈齒間距、彈齒轉(zhuǎn)速、彈齒折彎角度、彈齒折彎部分長度、彈齒排數(shù)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)進行設(shè)計，確定了彈齒間距為7 cm，彈齒回轉(zhuǎn)半徑為21 cm，彈齒轉(zhuǎn)速為60 r/min，彈齒折彎角度為102°，折彎部分長度為4 cm，彈齒排數(shù)為6 排。

2）田間試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的彈齒式撿拾裝置平均撿拾率可達98.07%，平均落果率為1.23%。撿拾不凈的主要原因為割秧后少量花生植株過短和地塊不平整導致彈齒夠不到花生植株；落果原因主要為花生果柄腐爛、強度降低、撿拾彈齒直接擊打和多次擊打?qū)е虑v果掉落。