朱興亮，李成松，坎 雜，秦金偉，馮玉磊

(石河子大學機械電氣工程學院， 新疆石河子 832003)

世界加工番茄種植區(qū)主要集中在美國加利福尼亞地區(qū)、地中海地區(qū)(主要包括意大利、法國、西班牙、葡萄牙和希臘等5國)和中國的新疆、內(nèi)蒙古地區(qū)。其中美國和歐洲大多實現(xiàn)了番茄收獲機械化，中國作為世界番茄的主要產(chǎn)區(qū)，機械化收獲程度卻很低[1]。中國番茄收獲期主要集中在7月下旬到9月下旬，最佳收獲時間短，而且番茄成熟期氣溫較高，若不能及時采收并進行加工，會變質(zhì)、發(fā)酵，影響番茄制品的質(zhì)量和食品安全。因此，實施機械化采收是番茄產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

果秧分離是番茄收獲機采收番茄的重要環(huán)節(jié)之一[2]，果秧分離效果會影響番茄收獲機性能的綜合評定以及番茄種植戶的經(jīng)濟利益[3]。不同的果秧分離方法，其適用范圍和分離效果也不盡相同。所以，在設計番茄收獲機械時，對果秧分離方法進行研究、選擇顯得尤為重要。

1 加工番茄果秧分離方法

國內(nèi)外加工番茄果秧機械化分離方法主要有梳齒法、機械手采摘法和振動分離法。

1.1 梳齒法

該方法是將梳齒插入番茄莖秧，強制分離果實與莖秧，分離率較高，但在收獲過程中番茄莖葉常造成梳齒部位的堵塞，對果實的損傷比較大，含雜率較高，不符合現(xiàn)在農(nóng)業(yè)聯(lián)合收獲的發(fā)展趨勢[4]。

1.2 機械手采摘法

該方法是將機器人的末端執(zhí)行器(機械手)移至接近果實的位置，通過識別判斷完成對番茄果實的采摘。但由于農(nóng)業(yè)環(huán)境的復雜不確定性以及果實分布的隨機性，采摘機器人還存在果實識別率和采摘效率不高，果實平均采摘時間長，機器人制造成本高等問題，難以適應大面積戶外采收[5-12]。

1.3 振動分離法

該方法是利用番茄果實與其莖秧質(zhì)量特性的不同(果實質(zhì)量集中)，通過振動發(fā)生器產(chǎn)生一定規(guī)律的振動，對番茄果秧進行拋甩，實現(xiàn)果實與莖秧的分離。振動分離法分離效率高，動力消耗少，是目前番茄收獲機上應用最廣泛的一種方法。目前，國內(nèi)外番茄收獲機上采用該方法的分離機構主要有帶式和偏心塊式兩大類。

2 振動分離機構及特點

2.1 帶式振動分離機構

1-刮板式果秧原料輸送機構；2-同步輸送帶；3-圓柱形膠立桿；4-從動鏈輪 5，6-主動鏈輪；7-刮板式果實輸送機構；8-主動鏈輪；9-護欄機架

該機構(見圖1)包括機架、輸送部分和分離部分等。分離部分由多根同步輸送帶構成，每根輸送帶上設有橡膠頭立桿，同步帶與同步帶之間留有間隙，每根同步輸送帶由一組傳動機構傳動，且每一組傳動機構輸入轉(zhuǎn)速不同。工作時，輸送部分將果秧輸送至分離部分，隨著同步輸送帶的周期性振動，由于番茄果實和莖秧質(zhì)量特性的不同(果實質(zhì)量集中)，所產(chǎn)生的運動形式不同，最終實現(xiàn)果秧分離[13]。

帶式分離機構的優(yōu)點是頻率和振幅可調(diào)，適應性較強，且不易纏繞滴管帶、地膜等異物，即使有小部分纏繞在機構上也很容易清理。但由于運動方向不斷變化，加速度大，對機構的沖擊較大[13]。

2.2 偏心塊式振動分離機構

圖2 偏心塊式振動分離機構Fig.2 Eccentric inertial vibration generator

圖3 偏心塊式振動發(fā)生器工作原理Fig.3 Principle of eccentric inertial vibration generator

該機構由偏心塊式慣性振動發(fā)生器和彈齒滾筒構成，見圖2，振動發(fā)生器中的偏心塊繞各自的自轉(zhuǎn)軸等速同向轉(zhuǎn)動(見圖3)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力偶，這對力偶會在機殼內(nèi)產(chǎn)生一個扭矩，帶動整個機體轉(zhuǎn)動，由于偏心塊既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)，且偏心塊在旋轉(zhuǎn)過程中重心相對于中間軸不停改變，因此產(chǎn)生的慣性力也在不停的改變，從而帶動機體運動的力也在周期性的改變，機體在回轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)速不停改變：啟動-加速-減速-啟動。旋轉(zhuǎn)的機體將運動傳遞到滾筒，彈齒滾筒就會在回轉(zhuǎn)速度變化過程中通過彈齒橡膠棒的拋甩，把番茄果實和秧苗分離開來，實現(xiàn)果實分離的目的。該機構主要優(yōu)點是果實分離效率高，消耗功率低，但是在喂入量不均時偏心塊式振動發(fā)生器的變速變向運動容易受到影響，達不到預期分離效果，且容易產(chǎn)生堵塞，沖擊載荷大。所以有必要尋找一種傳動可靠、平穩(wěn)，并且能夠達到以上運動形式的機構代替偏心塊帶動彈齒滾筒實現(xiàn)變速變向運動。

3 W-W型非圓齒輪行星輪系

1,2,3,4-非圓齒輪；H-系桿;Ⅰ-輸入軸;Ⅱ-輸出軸

非圓齒輪行星輪系具有多種類型[15]，可實現(xiàn)變速單向運動、變速變向運動等各種復雜特殊的運動，其在高速插秧機、液壓馬達等機械上也有較成功的應用[16-19]。W-W型非圓齒輪行星輪系可以實現(xiàn)多種傳動比的變速變向運動[20]，適合運動形勢復雜的變速變向運動，而且依靠齒輪傳動平穩(wěn)可靠，受到負載變化影響小，沖擊載荷相對較小。

W-W型非圓齒輪行星輪系由輸入軸、輸出軸、系桿和4個非圓齒輪構成(見圖4)，齒輪1固定不轉(zhuǎn)，由軸Ⅰ輸入，使系桿H回轉(zhuǎn)，齒輪4及軸Ⅱ輸出。

W-W型非圓齒輪行星輪系傳動比：

W-W型非圓齒輪行星輪系具有傳動平穩(wěn)可靠、自身沖擊載荷小以及負載變化影響小，能夠?qū)崿F(xiàn)多種變速變向運動等特點，可以用來代替偏心塊式振動發(fā)生器帶動彈齒滾筒運動。

4 結 語

目前，國內(nèi)外加工番茄分離技術的主要方向是振動分離法。振動分離法中偏心塊式分離機構以其分離效率高、動力消耗少等特點被廣泛的應用在番茄收獲機上，但是在實際運用中也存在喂料不均時易堵塞以及沖擊載荷大等問題。而W-W型非圓齒輪行星輪系不僅能夠滿足分離機構運動要求，還具有傳動平穩(wěn)可靠、負載變化影響小等特點， 因此建議采用W-W型非圓齒輪行星輪系代替偏心塊式振動發(fā)生器實現(xiàn)番茄果秧分離。

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