基本信息
- 项目名称：
- 加工番茄果秧分离装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 目前新疆已成为继美国加州后全球第二大加工番茄种植区，但番茄的采收普遍依赖人工，人工采收效率低，成本高，且常由采摘不及时造成大量损失，因此机械化采收势在必行。本作品针对番茄收获机的核心部件之一 ——加工番茄果秧分离装置进行研究。 本作品以两等质并对置安装的偏心块为驱动机构，将动力源的匀速回转运动转变为与其铰接的分离滚筒的周期性高频变速摆动，易调节振动频率和速度，来满足不同的生产要求。
- 详细介绍：
- 目前中国已成为继美国之后世界第二大加工番茄生产基地，其加工番茄的种植面积约占世界总种植面积的28%。而新疆是中国加工番茄的主要种植产区，约占中国加工番茄的种植面积的80%左右。2009年新疆番茄种植面积已达158万亩，番茄产量达到744万吨，生产番茄制品101.46万吨。 然而，目前新疆的加工番茄普遍采用人工采收，劳动强度大，生产效率低，费时费力，采收费用高，且常由于采收不及时，造成大量的加工番茄腐烂在地里，而此时正值新疆的秋收季节，致使劳动力极为紧缺。为此新疆天业集团于1999年引进FMC-SL350型加工番茄收获机，通过近11年的收获试验表明，加工番茄机械化采收具有人工采收不可比拟的优越性，即机械化收获的效率高、有效地缓解了劳动力紧缺的现状、降低了采收成本。但在使用过程中也发现了国外相关公司对收获机三大核心技术切割捡拾、果秧分离、色选进行垄断，使得进口收获机价格昂贵（每台售价至少150万元），并导致核心部件的维修必须送到国外，严重耽误了采收时节，给农民带来了大量的损失，且国外的收获机并不能完全适应新疆番茄的品种、种植模式、产量等要求。为此开发出一种具有自主知识产权、性能可靠、价格低廉、适合新疆实际生产和推广的加工番茄收获机势在必行，而这首先要打破国外对其核心部件的垄断。本作品针对三大核心部件之一——加工番茄的果秧分离装置进行研究。 本作品采用组合式结构，即由驱动机构和分离滚筒两部分组成。驱动机构由质量相等且对置分布的偏心块及壳体组成，其把来自动力源的匀速回转运动转化为壳体的变速回转运动，通过法兰盘将变速回转运动传递给分离滚筒，最终由呈圆柱辐射状排列的弹齿实现番茄果实与茎秧的分离。 本作品能很好的适用于加工番茄的分离，同时分离装置的分离原理也能够对其它作物（如葡萄、花生等作物）进行果实分离，扩大作业范围。且有明显的地域特色，对促进国内具有自主产权的番茄收获机核心技术的发展具有重要的理论研究意义和实用价值。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 新疆是我国加工番茄的主要生产基地之一。 2009年，中国已成为继美国之后世界第二大加工番茄生产加工基地。其中新疆番茄种植面积占全国的80%左右。然而在目前的番茄收获过程中，普遍采用人工采摘，劳动强度大，生产效率低，采摘不及时，造成大量的番茄腐烂在地里。为此效率高、缓解劳动力紧缺的机械化收获是加工番茄产业发展的必然趋势。国外收获机公司对其核心技术切割捡拾、果秧分离、色选进行垄断。严重制约了国产化机械化收获的进程，为此本作品对收获机的核心部件——加工番茄的果秧分离装置进行研究。 本作品通过对梳齿法、机械手采摘法和振动分离法的比较，同时结合新疆加工番茄的种植模式和物料特性，确定了以振动分离为基本原理的分离方案。 该作品主要由驱动机构和分离滚筒两部分组成。驱动机构由质量相等且对置分布的偏心块及壳体组成，摇摆器把匀速驱动转变为壳体的周期性变速回转运动，而后由法兰盘将变速回转运动传递给分离滚筒，最终由分离滚筒完成番茄果秧的分离。 本作品以新疆加工番茄收获机械化作业中的果秧分离关键技术为研究对象，分析田间成熟加工番茄的果实与茎秧有效分离原理；利用加工番茄生物力学特性结合现代机械设计方法，通过建模仿真、系统优化、模拟实验，综合分析其结构和工作参数。
科学性、先进性
- 本作品采用了组合式结构，即由偏心式驱动机构和分离滚筒两部分组成，相比于摘果器式分离装置、梳齿式分离装置、键式逐稿器式分离装置，结构简单，体积较小，维修方便。 本作品以两等质并对置安装的偏心块为驱动机构，将动力源的匀速回转运动转变为与其铰接的分离滚筒的周期性高频变速摆动，易调节振动频率和速度，来满足不同的生产要求。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 限国内转让
作品可展示的形式
- 模型、现场演示、图纸、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品所设计的加工番茄果秧分离装置采用组合式结构，分离效果可以通过改变驱动速度调整，使用对置偏心回转机构，可以实现变速摆动。 本作品能很好的适用于加工番茄的分离，同时分离装置的分离原理也能够对其它作物（如葡萄、花生等作物）进行果实分离，扩大作业范围。该作品能很好地加快加工番茄产业的国产化机械采收进程，且拥有加工番茄果秧分离装置的番茄收获机，可以给社会带来巨大的经济效益和社会效益。即机械化收获的效率高，缩短收获周期。一台番茄收获机每天相当于300～400个劳动力的采收量；人工采摘延缓了新鲜原料及时运送到加工厂的时间，影响番茄制品的质量。加工番茄采收中后期正值棉花采收，劳动力紧缺，而机械化采收能缓解劳动力紧缺的现状；机械化采收番茄可大幅降低采收成本。按新疆2010年的采收价格计算，机械化采收每亩的费用300元，人工采收为每亩450元，平均每亩可节省采收费用150元。而新疆目前番茄种植面积约158万亩，可直接节省采收费用2.37亿。
同类课题研究水平概述
- （1）国外研究现状 ①机械手采摘法 机械手采摘法也称为机器人采收法，已成为目前农业工程领域的研究热点。由于农业环境的复杂不确定性以及果实分布的随机性,收获机械手还没有形成完备的设计方案。机械手采收效率不高，比较适用于小面积的大棚作业，难以适应大面积的户外采收。 ②梳齿法 梳齿法就是将具有梳齿结构的装置插入番茄茎秧，强制性地将番茄果实与其茎秧脱离，但由于收获分离过程中番茄茎叶常造成梳齿部位的堵塞，并且对果实的损伤比较大，没有得到进一步的发展和推广应用。 ③ 振动分离法 振动分离法就是通过振动发生器产生一定规律的振动，利用振动达到抛甩番茄果秧的效果。 (1)摘果器式分离装置 20世纪60年代，美国人茨岗米叶尔最早采用振动分离法（摘果器式振动分离装置），该装置具有带突起环形轨道，汽轮在该轨道上滚动。该分离方法的自动化程度低，不符合农业机械自动化、智能化的发展方向，没有得到广泛应用。 (2)滚筒式振动分离装置，茎杆被送至倾斜的滚筒式分离装置里，滚筒在回转的过程中对番茄茎秧进行多次起落摔打，使果实脱落，实现果实的分离。由于该分离装置在分离过程中对滚筒转速的要求较高：分离效率低，机械损伤严重，造成收获损失。 (3)键式果实分离器，该分离装置由12个键体连接成两组，利用键和曲柄形成平行四杆装置，键上各杆均做半径相同的圆周运动来实现分离。这种机型结构复杂，体积庞大，生产效率低。 （2）国内研究现状 国内对机械手采收方法研究较多，主要有我国南京农业大学姬长英、上海交通大学刘成良、浙江大学应义斌、梁喜凤、江苏大学刘继展、中国农业大学张铁中等人在此领域有较深入的研究。番茄收获机器人属于机械手系列机器人，机械手是其最主要的执行部件，其功能是将末端执行器移至接近果实的的位置，通过识别判断并最终完成对番茄果实的采摘。由于农业环境的复杂不确定性以及果实分布的随机性，收获机械手还存在果实识别率和采摘率不高，果实平均采摘时间长，机器人制造成本高等问题。再者机械手采收属单个采收，适用于小面积及温室种植的鲜食番茄采收作业，难以适应加工番茄的大面积采收。
