我國辣椒收獲機械化的技術現狀與研究對策

范素香,孫 瑞,婁洪軒,蔡培方,張燊楠,郝用興

(華北水利水電大學 機械學院,河南 鄭州 450046)

辣椒屬于茄科辣椒屬植物,是一種一年或有限年生長的草本植物,是世界上僅次于番茄、豆類的第三大蔬菜類農作物[1]。由于辣椒果實采摘過程的本身具有很大的復雜性,以及辣椒果實易破損、易發霉、易生蟲等特點,加之辣椒果實采摘時間因品種不同而不同,并且采集期限短、勞動強度大、采集條件差、收獲效益較低等問題,嚴重制約著辣椒行業的科學發展[2]。目前我國對智能機械化辣椒收獲機的設計研究相比歐美等發達國家較晚,種植和收獲的機械化程度較低,農藝和農機結合性較差,專門針對辣椒種植和收獲的機械設備研究較少,基本處于人工采摘或半機械化采摘階段[3]。辣椒收獲機智能化水平較低,根據辣椒成熟度自動調整辣椒采摘速度和高度的性能不足,減低辣椒損失率和破損率的能力較差。隨著自動化技術和智能技術的發展,辣椒采收智能機械化已成為必然的發展趨勢。

1 國內外辣椒收獲機研究現狀

1.1 國外機械化辣椒收獲技術研究現狀

國外發達國家對辣椒收獲機的研究較早,以美國為主的辣椒大國從20世紀70年代起就開始研究辣椒的機械化采摘。1967年,美國首次對馬鈴狀辣椒進行了機械化收割[4]。1976年,由McClendon辣椒有限公司獨立研制并生產出了Peter Piper展開式的雙螺旋式甜椒收獲機[5]。1998年,由Pik-Rite公司和Bucknell大學的聯合研究,對甜椒收獲機進行了改造,采摘效果良好,辣椒收獲機的研發也自此取得了階段性的成果[6]。印度Yung-Etgar農業機械研究院,使用傾斜的雙螺旋式機器作為收獲設備,并開發出了兩行和四行的自走型辣椒收獲機[7]。2010年由Yung-Etgar/Oxbo以色列的農業機械研究所制造的辣椒收獲機,使用了傾斜展開雙螺旋式采摘機構,主要生產的是收獲青椒和紅干椒的兩行、四行自走式辣椒收獲機[8]。2016年,Kyung-Sik Kang等開發了用于自行式辣椒收獲機的螺旋式采摘頭,通過測試螺旋類型、螺旋纏繞方向和螺旋旋轉速度,獲得了最佳工作條件[9]。2019年McClendon公司研發了兩種收獲機設備,分別可以收獲不同品種的辣椒,橡膠指式的辣椒收獲機用于采摘干紅椒,展開雙螺旋式的用于采摘青辣椒。2021年,Seo-Yong Shin等針對莖-果分離率低和辣椒損傷率高的問題,研制了三軸和四軸的滾筒式莖-果分離裝置,在分離裝置中使用梳齒,并對分離裝置進行了性能測試[10]。Pik Rite公司所制作的干辣椒收獲機,使用了梳齒帶式、振動滾筒式采摘機構,振動滾筒式采摘機構用于摘取鈴狀椒、黃辣椒、墨西哥辣椒、櫻桃椒等,梳齒帶式則用來摘取干紅椒。成熟度評估是選擇性機器人收獲的一個重要特征。Harel B和 Kurtser P等研究了甜椒機器收獲機彩色攝像機的成熟度評估。根據甜椒機器人收獲機的彩色攝像機得出的成熟度評估,確定甜椒成熟度水平所需的視點數和最佳單視點,對甜椒成熟度的不同顏色和形態特征進行了評價[11]。

歐美發達國家的辣椒收獲技術的研究起步早,設備成熟,配套完善。目前美國產品技術處于高端地位,西方國家辣椒收獲機現在是向大功率、寬割幅、高效率、低油耗、高性能、高可靠、高舒適性、自動化和智能化等方向靠攏,且已實現大型化。

1.2 國內機械化辣椒收獲技術研究現狀

海外的辣椒收獲機市場上的成熟品牌已經較多,產品研發早已進入一個穩步發展的時期,國內辣椒收獲機正在研發摸索過程,已經研發了多種辣椒收獲機,彌補了國內該行業的許多短板,不過對關鍵模塊的研發,和國外先進技術水平還具有很大距離。國內專家和科研機構、生產單位也對自走式辣椒收獲機、辣椒采收裝置、清選設備等開展了研究。

2009年,新疆機械研究所開發了一種自行固定式辣椒收獲機,該收獲機使用滾輪指狀收集裝置[12]。在2021年,新型4JZ-3600B 牧神自行式辣椒收獲機,使用3.6m非行收割臺,在操作過程中不受作物行間距的限制。收割臺配有一個柔性采摘滾筒,以適應不同地區各種線性辣椒和板式辣椒的靈活收集。該機可一次完成辣椒的采摘、運輸、清洗和分離、再去除、收割、卸載和裝載,其采摘效率達到國內領先水平。

2012年,石河子光大順德區研發公司成功開發出了一種帶式梳齒的自走型辣椒收獲機[13],如圖1所示,采摘機頭通過倒梯形溝槽板,而采摘梳齒位于倒梯形溝槽板上,使采摘機頭經久耐用,在采摘過程中也沒有發生采摘事故,極大地提升了生產辣椒收獲機的效率。2019年,石河子光大順德區研發公司開發的4JZ系列自走式辣椒收獲機,幅寬分別為1.6m、2.6m和3.6m。

圖1 梳齒式辣椒采摘機

河北雷肯農機有限公司開發了4AZ-2200型自行式辣椒收獲機,采用螺旋頭選配彈簧齒,適應性強,采收率高,破損率低,適合不同品種辣椒的采收。采摘前臺采用液壓控制升降,可根據辣椒品種和產量調節采摘割臺的速度和高度,有效保證辣椒采摘質量。收獲機上的清選設備能夠保證更干凈的收成和節省大量的勞動力。

總的來說,隨著農作物生產方式向農業集約化大規模化發展,中國自走式辣椒收獲機技術雖然取得一定的進步,但仍存在著創新能力差、高端收割設備及關鍵零配件依靠進口、自動化水平低的不足。目前市場上主要投入生產的國產品牌的辣椒收獲機,從整體上看存在著自動化水平低、可靠性低、故障率高的缺點。

2 辣椒采摘裝置工作原理及研究現狀

辣椒采摘裝置是辣椒收獲機最關鍵的裝置,所以,辣椒收獲機對不同品種的辣椒采收的適應性問題主要是由采摘設備的采集性能好壞確定的,因為辣椒種類的多樣性,而且辣椒中各個種類的物理學特征都存在著很明顯的不同,例如辣椒的比重,長徑比、形態等都存在著很明顯的不同,品種不同的辣椒也就對采收條件產生了不同的需求。因此,辣椒收獲機的可靠性和適用性對于提高辣椒收獲質量至關重要,其中最顯著的影響來自其結構特征的優化。

2.1 辣椒采摘裝置工作原理

當前,根據采摘機的特性,市場上的采摘設備可大致劃分為四種:展開雙螺旋線、桿條梳齒、帶狀梳指、滾筒彈指等。

(1)滾筒彈指型

工作原理:在牽引車牽引下,采收輥轉動,使其脫離干梗,而收獲的辣椒果實則被運送到輥子后面的傳送帶,送進采摘箱結束收獲。

采摘臺主要由1.左右分禾器、2.伏草輥、3.彈齒、4.采摘滾筒、5.托地輥、11.圓弧導向板、8.液壓傳動系統、9.輸送系統和10.機架組成,如圖2所示。

圖2 采摘臺結構示意圖

這種轉輪式的收割機在國內使用的并不多。

(2)展開雙螺旋線型

工作原理:當辣椒收獲機械沿著辣椒壟行前進工作時,辣椒莖秧會順著螺旋桿進入收獲裝置,辣椒莖秧由于螺旋桿的不停轉動會被持續敲打,直到螺旋桿將果實從莖稈上打落,實現果實與莖稈的分離。

通過大量的試驗和樣機測試,對于干紅辣椒以及青椒這種體積較大的辣椒果實,傾斜展開螺旋線型采摘機收獲效率遠高于其他的收獲機,同時這種采摘機可以有效降低辣椒果實破損率,并且這種采摘機受到了美國大多數辣椒收獲機銷售廠家的歡迎[14-15]。

(3)桿條梳指型

工作原理:當辣椒收獲機沿著辣椒的壟行軌道開展作業后,辣椒莖秧進入了桿條上所安裝的多個梳指之內后,以水平運動的桿條或向下移動的梳指對辣椒莖秧實施多次捋掛動作,并隨之完成了果實和莖稈間的剝離。

桿條梳指型收獲裝置,一般都是用于采摘紅辣椒和青辣椒,但要求果實的尺寸相當大,而且由于采收時破損量大,且采摘效率也很低下,所以并不能獲得普遍的使用[16-17]。

(4)帶狀梳齒型

工作原理:其采摘的工作方式為梳齒型采摘,以自動回轉方式甩送貨物,對割臺的驅動采用全液壓方式。在收獲時,按照所采收作物的長勢狀態和栽培方法,由托地輥控制割臺的高度,伏草輥通過液壓缸調節伏草角度,啟動滾筒及傳送帶液壓馬達,準備前進作業; 收獲時,伏草輥先將即將被掠刮的辣椒朝一邊壓倒,使主莖稈與地面呈一定夾角; 當伏草輥通過整株作物時,辣椒主莖稈會有一個迅速回彈的趨勢,此時彈齒滾筒旋轉前進,模擬人手摘辣椒的動作,柔性彈齒首先接觸植株,并以一定角度插入植株網內部,從下而上掠刮掉果實,其中也可能會含有部分葉片和斷落的莖稈。我國主要的辣椒收獲機的采摘臺就是這種采摘機器[18]。

2.2 辣椒采摘裝置的研究現狀

雷明舉(2014)[19]報告針對4LS-1.6型號辣椒收獲機摘取設備的負荷過大、設備構造與操作參數不正確、導致振動與噪聲過大等方面的問題,就摘取設備開展了分析探討。采用靜、動態靈敏度分析的方法,對機架參數進行了優化,優化后機架重量減輕,振動降低,得到采摘裝置較優的運動參數組合,為辣椒采摘裝置研制提供了理論依據。

段以磊等(2014)[20]通過使用彈齒滾筒式辣椒采摘裝置,對板椒進行了實驗,研究了該裝置在采摘過程中造成的損傷特征及其機理,以減少采摘過程中對辣椒的機械損傷。結果表明:辣椒在收獲過程的中的破損率約百分之十,破損是由于收割時彈齒對辣椒切割、撞擊及摩擦力引起的,為完善和發展降低破損辣椒的收獲設備和完善的作業技術提出依據與方向。

趙飛龍(2019)[21]通過對辣椒收獲機風機清選的液壓控制系統設計問題進行了研究探討,并針對以往的風機清選過程中所存在的轉速不均,從而導致了辣椒清選效率不好的現象,建立了風機清選過程的幾個不同的液壓控制系統設計方案,并通過AMEsim的仿真實驗結果提出,常規PID閉環控制的調壓電路要比開口的線圈控制系統,能夠更快速滿足空氣溫度的動態變化,進而降低了控制的液體壓力。田間試驗結果表明,清選后的平均含雜率僅為1.58%,完全滿足了辣椒清選的行業要求。

薛世民(2020)[22]、張俊(2020)[23]使用新疆牧神機械有限責任公司制造的4JZ-3600型自走式甜椒收獲機進行了實驗,并對實驗結果進行了數據分析處理,得出采摘時滾筒速度隨作業人員行進車速變化的影響,及其對甜椒果實破碎率和甜椒果實品質影響作用的折線圖。結果表明,由于辣椒收獲割臺的采摘滾筒速度,對辣椒采收過程中的破碎率以及損失率均有很大作用,所以在采摘平臺的轉速和滾筒采摘速度之間必須正確適配,才會達到較少的破碎率和損失率。

因為普通鋼絲彈齒剛性較強,且接觸面較小,極易打爛辣椒表面,從而導致后期的辣椒變質、腐敗,較難達到板椒的采摘條件。為提高彈齒收割平臺的適用性和通用性,并降低收割后對甜椒果實的破壞度,鄒道鐘(2022)[24]等人設計了一個采用尼龍彈齒的甜椒收獲臺,可模仿人手采摘方式,并可按照實際的種植高度,通過伏草輥調整其采摘高度,從而更有利于收獲不同類型的甜椒。

袁小偉(2021)[25]等人研究了新型雙螺旋對輥型辣椒采收系統及其運行原理,并通過對辣椒的釘形鋼桿閉合處進行受力分析,確定了影響采收效果的主要因子,并采用單因素試驗確定優化試驗中的各因子選擇程度。以采凈率和破碎度為主要檢驗參數,以工作速率、對輥速度、對輥寬度和對輥螺距為主要檢驗因子,采用四參數五水平正交的綜合設計實驗,試驗結果顯示:采凈率為百分之98.7%,破碎率為3.46%,完全符合色素甜椒收獲機田間作業條件,實驗結論可為色素甜椒收獲機的進一步研究與改造提供重要數據參考[26]。

由此可以看出,雖然我國在辣椒收獲機發展相對滯后,由于土地環境和辣椒種類的不同,其收獲還基本上處在人工或半機械化的時期,但是隨著科技的進步以及對辣椒收獲機、采摘臺的深入研究,這些年有了長足的進步,但是相比國外已經成熟的辣椒收獲機的收獲體系,我們還有著很長遠的路要走。要想在辣椒收獲機上更進一步,還是要發展研究更先進的采摘滾筒、清選裝置等關鍵部件,以此來降低辣椒的破損率、損失率,提高采收效率。

3 辣椒機械化收獲的發展趨勢與研究對策

(1)加強關鍵零部件的研發

隨著農業生產方式向土地集約化、大規模生產和智能化方向發展的持續深化,我國自走式辣椒收獲機技術水平已經取得長足進步。在當前農業產業結構調整的推動下,我國更需要機械化生產提高效率,增加對企業研發技術的投資力度,加強關鍵零部件開發,降低辣椒收獲損失率,提高采收效率。通過采用離散元方法的Hertz-Mindlin with bonding黏結模型模擬辣椒-莖稈分離過程,分析割臺的高度、采摘滾筒轉速對采摘效果的影響,以損失率和破損率為優化指標,優化結構參數和作業參數,提高收割產品性價比和可靠性。加強關鍵零部件的智能設備研究,進一步提高采收效率,降低使用成本。

(2)加快開發大中型先進收獲機型

在現有設計水平的前提下,我們要做的不是一味模仿,而是要借鑒國外先進技術,研究出適合我國種植模式的先進機型。首先,由于我國土地分布分散且復雜,不同品種的辣椒種植也有差異性,想要統一實現大中型機械收獲還有很多局限性,因此需要研發滿足不同品種辣椒收獲的收獲機。其次是節約收獲成本。因為不同品種辣椒收獲要求不同,為了提高利用率,有必要將辣椒收獲機系統化、規范化,從而達到一機多用的目的,只需要一個主機裝配不同的零部件,收割不同品種的辣椒,既降低了成本,又獲得了更高的收益。例如,對變量采摘作業系統進行架構,構建包括GPS、控制終端平臺、車載計算機、轉速傳感器、液壓驅動器、液壓馬達等模塊的處方變量辣椒采摘作業系統,實現變量采摘作業。

(3)加快自動化與智能化開發與應用

目前國外的農業機械智能化和自動化技術較為成熟。像機電液一體化、定速巡航、自動對行、信息管理等一系列先進技術已經在大中型收獲機中廣泛應用,從而提高了產品的作業效率,也提高了可靠性和穩定性。在保證滿足工作要求的前提下,提高舒適性與操作方便性也被更加重視。我國在液壓傳動技術和電氣自動化控制技術領域已有重大突破,在農機中的應用也較為廣泛,再加上社會越來越重視、越來越認可自動化和智能機械裝置,加快自動化和智能化程度較高的收獲裝置的研制發展及其應用已成為當下研發目標之一。比如可以在現有階段增加處方圖智能識別,利用GPS系統獲得各網格點位置,通過實地調研、拍照,根據辣椒顏色、葉面顏色、植株高度等信息,獲得各網格點辣椒成熟度數據,制作辣椒成熟度處方圖,計算輸出相應的控制信號給驅動器。

(4)加快高效能與低能耗的開發與應用

想要達到高效能低能耗的水平,就必須找準出發點、把握切入點、明確落腳點,在結構性能、動力匹配、動力傳輸方面深入研究,不斷優化,在保證高效能的前提下達到低能耗的效果[27]。目前對動力能源所能優化的就是利用太陽能板,將大型農機與新能源相結合,推動高效能發動機的研發。

(5)政府加強扶持

在當前農業產業結構調整的推動下,我國辣椒種植面積不斷擴大,更需要機械化生產提高效率,而購買辣椒收獲機對于農戶來說是一次比較大的投資,因此需要政府在大力推廣種植辣椒的同時加大農戶購機補貼,增加對企業研發技術的投資力度,推動我國農業生產向現代化邁進。