籽葫蘆瓜收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

楊 利，羅 昕，段 龍，鄺瀟娜，何培森，沈健鋒

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832000）

0 引言

籽葫蘆瓜的種仁有極高的營養(yǎng)價(jià)值與獨(dú)特的醫(yī)療保健功效，具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和市場前景，其年需求量呈穩(wěn)定增長的趨勢，籽葫蘆瓜對生長環(huán)境的要求不高，因此得以在我國新疆等地進(jìn)行大范圍推廣種植[1-2]。

隨著新疆農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，籽葫蘆瓜的種植規(guī)模逐漸擴(kuò)大，人力投入和生產(chǎn)成本等問題日益突出，目前還沒有專門的適合大規(guī)模籽葫蘆瓜取籽的機(jī)器，因此主要通過人工取籽，但人工取籽損耗勞動力，自動化程度低，收獲周期較長，會導(dǎo)致葫蘆瓜腐爛，使得瓜籽產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降、農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入減少。

針對現(xiàn)有籽瓜收獲機(jī)對籽葫蘆瓜進(jìn)行收獲取籽時(shí)產(chǎn)生的瓜籽損傷率高、瓜籽品相差和取籽效率低等問題，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有的籽瓜收獲機(jī)械進(jìn)行研究分析，在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)合理、瓜籽損傷率低、瓜籽品相優(yōu)質(zhì)和適合籽葫蘆瓜的種植收獲模式的收獲機(jī)械，可極大地節(jié)約勞動力、降低生產(chǎn)成本，并提高籽葫蘆瓜收獲的自動化程度，增加農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)收益。

1 籽瓜收獲機(jī)械國內(nèi)外現(xiàn)狀

籽葫蘆瓜是我國特有的經(jīng)濟(jì)作物，在全球范圍內(nèi)鮮有大面積種植的國家，由于目前有關(guān)籽葫蘆瓜收獲機(jī)械的研究極少，本文主要通過國內(nèi)外對籽瓜收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，進(jìn)而總結(jié)出現(xiàn)有籽瓜收獲機(jī)械在籽葫蘆瓜收獲中存在的問題與籽葫蘆瓜收獲機(jī)械的發(fā)展趨勢[3-4]。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對于類似球形的瓜類收獲機(jī)械研究較早，但由于種植區(qū)域的限制，主要是針對南瓜和西瓜等作物的研究，對籽瓜和葫蘆瓜等收獲機(jī)械研究較少。上世紀(jì)六七十年代歐美和蘇聯(lián)等發(fā)達(dá)國家就對南瓜等進(jìn)行了研究，研制出了較為成熟的南瓜收獲機(jī)械，但籽葫蘆瓜與南瓜在物理特性上差異極大，成熟的南瓜內(nèi)部是空心的，瓜瓤與瓜籽分離，瓜籽集中在果體內(nèi)部，而籽葫蘆瓜成熟后，其內(nèi)部依舊是實(shí)心的，瓜籽有規(guī)律的嵌在瓜瓤中[5]，因而此類收獲機(jī)并不適用于籽葫蘆瓜的收獲。雖然以色列研制的大型自走式聯(lián)合籽瓜收獲機(jī)已被用于該地的葫蘆瓜等籽瓜的大面積收獲，但由于該收獲機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)體體積較大、造價(jià)昂貴，因而不適用于我國的籽葫蘆瓜種植管理模式[6]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)籽瓜的收獲工藝過程主要為采摘、集條、撿拾和脫籽等階段。目前國內(nèi)使用的籽瓜收獲機(jī)械按加工工藝分為分段式收獲機(jī)和聯(lián)合作業(yè)機(jī)，分段式收獲機(jī)主要分為籽瓜集條機(jī)與籽瓜破碎脫籽機(jī)。

籽瓜集條屬于籽瓜機(jī)械化收獲的第一步，籽瓜集條即將田間散布的籽瓜歸攏收集成條狀，便于后續(xù)的人工或機(jī)械撿拾作業(yè)。目前國內(nèi)被推廣應(yīng)用的籽瓜集條機(jī)有塔城農(nóng)機(jī)推廣站研制的4DT-2.0型籽瓜集條機(jī)[5]和由新疆機(jī)械研究院股份有限公司研制的4DT-1700型籽瓜集條機(jī)[6]。郭振華[7]等設(shè)計(jì)的打瓜集條機(jī)如圖1，通過拖拉機(jī)前懸掛提供動力，通過割刀、螺旋收集器等實(shí)現(xiàn)瓜藤和籽瓜的分離并完成集條，能夠較好地滿足作業(yè)要求，集條效果好，但隨作業(yè)速度的提高，籽瓜破損率也相應(yīng)增高。

王賢斐[8]等設(shè)計(jì)的梳脫式打瓜集條機(jī)如圖2，利用先摘后集的思路，先利用梳齒采摘器梳刷瓜藤，再利用沖擊力將籽瓜強(qiáng)制摘下，田間的藤蔓及雜草由切割器切斷，再通過雙向螺旋集瓜器實(shí)現(xiàn)集條工作。該機(jī)可有效降低集條過程中擠瓜、傷瓜和雜草、瓜藤纏繞現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)也為籽瓜集條機(jī)械開辟了一種新思路，但由于部分籽瓜直徑小于梳齒桿間隙，因而存在漏撿現(xiàn)象，相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動參數(shù)仍有待改進(jìn)。

我國籽瓜破碎脫籽機(jī)械的發(fā)展已比較成熟，市場上已有大量的破碎取籽機(jī)型。籽瓜的破碎脫籽機(jī)按照其分離與破碎方式的不同主要分為切割挖瓤取籽類、打擊振動分離類、削皮粉碎分離類、打破擠壓分離類和破碎取籽類。目前應(yīng)用最多的為破碎取籽類脫籽機(jī)械，該類機(jī)械在對籽瓜的收獲過程中能夠一次性完成籽瓜的破碎及脫粒，工作效率較高，收獲成本較低，因而，關(guān)于該類機(jī)械的研究較多，例如瑪納斯縣農(nóng)機(jī)站和新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制的6DQ-8型打瓜取籽機(jī)，馬春生等人研制的6GC-300型打瓜取籽機(jī)[9]等。

郭輝[10]等人以成熟的籽葫蘆瓜為試驗(yàn)對象，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種適用于籽葫蘆瓜收獲的脫粒裝置，該裝置提出了一種新型的脫粒輥（圖3）及柵條篩（圖4），有效提高了籽葫蘆瓜的脫粒效率，改善了脫粒質(zhì)量，降低了能耗。

隨著科技進(jìn)步，聯(lián)合收獲機(jī)是當(dāng)今籽瓜收獲機(jī)械的主要發(fā)展重點(diǎn)及研究方向。聯(lián)合收獲機(jī)主要是集撿拾、破碎脫籽、清選和盛籽等為一體的籽瓜收獲機(jī)，目前市場上應(yīng)用比較多的有新疆農(nóng)科院農(nóng)機(jī)化研究所研制的4ZGJT-500[11]和新疆缽施然智能農(nóng)機(jī)股份有限公司研制的4GJT-150[12]兩種籽瓜收獲聯(lián)合作業(yè)機(jī)，二者均采用偏牽引，其結(jié)構(gòu)較為簡單、體積小，能夠有效實(shí)現(xiàn)籽瓜的收獲，但撿拾滾筒上的扎瓜齒存在易脫落、變形和斷齒等問題。

王明闖[13]等人設(shè)計(jì)的自走式籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)采用雙橫軸流式篩分裝置，有效避免了分離裝置主軸過載現(xiàn)象的發(fā)生，降低了瓜籽的含雜率與損失率。朱興亮[14]等人設(shè)計(jì)研發(fā)的雙行打瓜聯(lián)合收獲機(jī)（圖5）有效解決了籽瓜撿拾易掉落、瓜藤、雜草纏繞分離效率不高等問題。內(nèi)蒙古蒙龍機(jī)械設(shè)計(jì)公司研發(fā)的大型輥筒類西葫蘆聯(lián)合收獲機(jī)[15]結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高、漏撿率低、操作便捷且自動化程度較高，但在實(shí)際工作中存在撿拾輥筒上葫蘆瓜不易脫落、葫蘆瓜漏撿和雜草纏繞等問題。

2 存在的問題及改進(jìn)措施

籽葫蘆瓜多為長條橢圓形，且無序散布于田間，要實(shí)現(xiàn)全過程機(jī)械自動化收獲較難?，F(xiàn)有籽瓜收獲機(jī)械裝備雖可用于收獲籽葫蘆瓜，但由于二者物料特性存在差異，籽瓜收獲機(jī)械對葫蘆瓜收獲適配性較差，相應(yīng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)還有待改進(jìn)，機(jī)械化、自動化水平還有待進(jìn)一步發(fā)展。

2.1 瓜藤、雜草易纏繞

當(dāng)前的籽瓜收獲機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還存在不合理之處，普遍存在瓜藤、雜草等異物纏繞的問題，同時(shí)容易擠瓜、傷瓜，導(dǎo)致籽瓜集條收獲效率降低。

梳脫式打瓜集條機(jī)采用先摘后集的思路，可有效避免集條過程中擠瓜、傷瓜和雜草、瓜藤纏繞現(xiàn)象的發(fā)生。若依據(jù)籽葫蘆瓜的種植模式及物料特性改進(jìn)梳脫式打瓜集條機(jī)的相應(yīng)工作參數(shù)并調(diào)整梳齒采摘器的間距及排列形式，如將梳脫式采摘器的一組梳齒變?yōu)橐唤M定齒桿與一組動齒桿配合，實(shí)現(xiàn)梳齒桿間的間隙可調(diào)，就能有效解決因籽葫蘆瓜直徑小于梳齒桿間隙導(dǎo)致的漏撿問題，在降低瓜藤、雜草纏繞發(fā)生的同時(shí)提高工作效率。

2.2 瓜籽破碎、品相差

現(xiàn)有的籽瓜收獲機(jī)械通過擠壓的方式來實(shí)現(xiàn)籽瓜的破碎，軸帶動脫粒輥等裝置轉(zhuǎn)動，通過旋轉(zhuǎn)擠壓將瓜瓤等廢物排出得到瓜籽。籽瓜內(nèi)部水分較多，流動性能較好，采用有中心軸的取籽機(jī)器對籽瓜的擠壓效果明顯，對瓜籽的傷害也較小，但葫蘆瓜在成熟之后內(nèi)部水分較少，有中心軸的取籽機(jī)器會對葫蘆籽施加較大的壓力，對其傷害較高，最后造成品質(zhì)下降甚至損壞瓜籽。

針對有軸式破碎脫籽機(jī)對葫蘆瓜籽造成損傷的問題，可以采取分步破碎取籽再篩分的方法，減小破碎脫籽過程中葫蘆瓜籽受到的壓力。為保證籽葫蘆瓜的破碎率和瓜籽的完整程度，可選擇沖擊法與壓碎法相結(jié)合的方式對籽葫蘆瓜進(jìn)行破碎。沖擊法的沖擊力可以使整瓜破碎，得到皮、瓤混合物，且不會損傷瓜籽。壓碎法是兩破碎工作面夾緊物料時(shí)加壓，迫使物料破碎，可以將皮、瓤混合物進(jìn)行再次細(xì)碎，提高破碎程度，將籽瓤分離，從而得到皮、瓤、籽混合物。篩分機(jī)構(gòu)與破碎機(jī)構(gòu)分離，選用齒輪齒條驅(qū)動的無中心軸式內(nèi)外篩筒，結(jié)合合適的篩孔大小及形狀，先實(shí)現(xiàn)皮與籽、瓤的混合物分離，再實(shí)現(xiàn)籽與瓤的分離。兩級破碎與篩分可保證瓜籽與瓜瓤的分離效果與瓜籽的清潔度，解決現(xiàn)有裝置對葫蘆瓜籽損傷率大的問題。

2.3 聯(lián)合收獲機(jī)適應(yīng)性差

我國種植葫蘆瓜的地區(qū)地形差異較大，在地形起伏較大，以及有較多石塊的土地聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)質(zhì)量和收獲效率無法得到有力保證，很難大幅度地提高收獲效率，進(jìn)而在一定程度上制約了聯(lián)合收獲機(jī)的推廣應(yīng)用?？赏ㄟ^改進(jìn)現(xiàn)有籽瓜聯(lián)合收獲機(jī)的仿形裝置，并在其撿拾裝置上增加仿形機(jī)構(gòu)，保證其與地面的貼合度，從而降低漏撿率，提高聯(lián)合收獲機(jī)的適應(yīng)能力。

3 展望

（1）籽瓜種植面積的擴(kuò)大必然導(dǎo)致籽葫蘆瓜的種植環(huán)境不同，籽葫蘆瓜收獲機(jī)向著穩(wěn)定性強(qiáng)、操作簡單、對復(fù)雜田間環(huán)境適應(yīng)性好的方向發(fā)展是必然趨勢。研制機(jī)—電—液一體化、結(jié)構(gòu)緊湊、收獲效率高和收獲質(zhì)量好的籽瓜收獲機(jī)具，能夠降低農(nóng)戶勞動強(qiáng)度，此外開展帶有籽粒清洗裝置的智能化聯(lián)合收獲機(jī)必將成為新的研究方向。

（2）現(xiàn)階段由于動力和體型等因素的制約，我國籽葫蘆瓜收獲機(jī)只針對其瓜籽進(jìn)行收獲，瓜皮、瓜瓤等大多都被直接丟棄在田間，作為廢棄物直接還田，僅僅對瓜籽進(jìn)行了利用。但是實(shí)際上籽葫蘆瓜除了瓜籽具有極高營養(yǎng)價(jià)值可被開發(fā)利用，其瓜皮、瓜瓤、瓜汁等都富含維生素、氨基酸等多種營養(yǎng)成分，可被收集處理作為優(yōu)質(zhì)的家畜飼料。因此，在聯(lián)合收獲機(jī)的研發(fā)過程中可以考慮添加瓜皮、瓜瓤回收裝置，以提高籽瓜的利用價(jià)值，增加整機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益，為農(nóng)戶提高副產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)收益。

4 結(jié)語

綜上所述，籽葫蘆瓜收獲機(jī)械相較于其他種類的收獲機(jī)械來說還存在著許多仍待解決的問題與不足，還有很大的發(fā)展空間。隨著我國籽葫蘆瓜種植面積的不斷擴(kuò)大，籽葫蘆瓜收獲機(jī)械在籽葫蘆瓜收獲過程中的參與度不斷提高，更為成熟、智能的籽葫蘆瓜收獲機(jī)械成為了當(dāng)今市場的需求趨勢。