加工番茄果茎两级分离机构设计及分离机理研究

为实现加工番茄机械化收获作业，降低人工劳动强度，提高产业竞争力，本项目基于成熟加工番茄的生物力学特性，结合农业物料抖动分离原理和夹持强制分离原理，设计加工番茄机械化收获果实与茎杆的两级分离系统，主要对该系统的分离机理、设计方法进行研究。研究加工番茄机械化收获果实与茎杆两级分离原理和方法，设计两级果茎分离机构，构建三维模型，动态仿真分离工作过程；研究与两级分离机构相配套的分离速度机械控制系统和扶秧集拢机构的合理型式，设计制造模型样机；研究果实成熟度、单果重量、分离速度、扶秧集拢机构型式等参数对分离性能的影响机理，通过对影响分离性能的各因素进行正交试验研究，确定各因素对性能影响的主次关系，提出改进方案并进行改进。项目研究对新疆加工番茄收获机械化作业具有重要意义和广阔的应用前景，研究成果将为国内发展具有自主产权的番茄收获机核心技术提供理论基础。

新疆是我国最大的加工番茄种植和番茄酱生产基地。目前，新疆加工番茄的种植过程中，从播种到田间管理已基本实现机械化，但收获仍以人工采收为主，劳动强度大、费工费时，加之近年来劳动力成本不断攀升，人工采收已成为新疆番茄产业发展的瓶颈，机械化收获势在必行。加工番茄果秧分离技术是番茄收获机的核心技术之一，本项目就加工番茄果秧分离技术进行了理论分析，探讨果秧分离机理和实现分离机构的形式，并制作完成分离机构样机，进行试验研究。首先，对适合机械化收获的三种加工番茄品种的生物力学特性进行研究，实测了加工番茄收获时的植株特性，如主茎长度、带果植株重量、果形指数、单果重、摩擦系数等参数；研究了不同大小、种类、成熟度下的番茄果秧分离力，研究了果实破损力和茎秆拉断力，得出番茄果秧分离力的大小范围为5～30N，成熟果实破坏静载荷为20～95N，茎秆拉断力在100N以上，通过实测数据进一步分析得出果实大小、质量、坚实度与果秧分离力之间的回归方程。其次，分析目前国外番茄收获机采用的果秧惯性分离（变速分离）机构的特性，探讨了分离过程中果实在茎叶物料中的不同状态，结合前期测得数据设计了不同的果秧分离机构。第一种采用惯性分离机构串联的工作原理，分离前的番茄果秧与分离机构接触，通过惯性发生器施加周期的瞬时加速度作用于番茄果秧，在一定振幅和频率下使果秧受迫振动，当作用在果实上的分离惯性力大于果秧连结力时，果实与茎秆分离。依据这一原理设计了以双曲柄驱动输送带为辅、以回转滚筒振动为主的两级串联分离机构，进行参数化建模，并对机构工作特性进行了分析。在此基础上，试制了分离机构样机，重点进行了回转滚筒式果秧分离性能试验，优化分离装置的滚筒转速、凸轮盘转速和拨杆振幅等技术参数。第二种采用惯性分离和夹持强制分离机构并联的工作原理，设计了差速带式分离机构，通过所有带的同步反向变速运动实现果秧惯性分离，通过带间的差速运动实现果秧夹持强制分离。该机构已完成参数化建模，样机正在试制中，分离性能有待进一步研究。上述研究内容及成果可以为国内研发自主知识产权的番茄收获机提供一定的理论指导。