双螺旋对辊式辣椒收获装置的设计与试验

袁小伟，杨双平，金若成，赵黎炜，道尔吉才仁，郑 楠，付温平

·农业装备工程与机械化·

双螺旋对辊式辣椒收获装置的设计与试验

袁小伟1,2，杨双平2，金若成3※，赵黎炜3，道尔吉才仁1，郑 楠3，付温平4

（1. 巴音郭楞职业技术学院，库尔勒 841000； 2. 新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐 830052；3. 巴音郭楞蒙古自治州农业农村机械化发展中心，库尔勒 841000； 4. 库尔勒源丰农机有限公司，库尔勒 841000）

针对色素辣椒采收需求大，人工采收困难，采收效率低，破损率高等问题，该研究设计了一种双螺旋对辊式辣椒收获装置。首先通过对辣椒与螺旋钢棒接触点进行受力分析，确定影响采收性能的主要因素，并通过单因素试验确定优化试验中各因素选取范围。并以打完脱叶剂2 d后，辣椒茎秆含水率≤40%的新疆巴州焉耆县色素辣椒为试验对象，以采净率和破损率为试验指标，以工作速度、对辊转速、对辊间距和对辊螺距为试验因素，进行四因素五水平正交中心组合优化试验；运用Design-expert 10软件对试验结果进行参数优化，通过验证试验对优化后的参数进行验证。试验结果表明：当工作速度为2.1 km/h，对辊转速为142 r/min，对辊间距为24.3 mm，对辊螺距为10 cm时，采净率为98.7%，破损率为3.46%，满足色素辣椒收获机田间作业要求。研究结果可为色素辣椒收获机的设计和优化提供参考。

农业机械；设计；试验；辣椒收获；螺旋对辊

0 引 言

辣椒是一年或有限多年生草本植物，是中国蔬菜产业中重要大产业[1]。近年来辣椒种植面积不断扩大，截止到2018年国内辣椒的种植面积已达160万hm2。新疆地区辣椒种植总面积约12万hm2，其中色素辣椒约10.6万hm2[1]。色素辣椒中含有辣椒红色素和辣椒玉红素等天然色素，经济价值较高[2-4]。色素辣椒生长期全程用工量较大，人工采收成本高，效率低，若不能及时收获和晾晒，极易造成产品浪费，商品转化率降低[1]，因此，亟需高效的色素辣椒收获机械。

目前色素辣椒收获机主要有梳齿式和螺旋辊式两种，作业过程均为先采收后进行收集和清杂[1,4]，这两种收获机采收方式不同。梳齿式辣椒收获机主要以牧神为代表[5-6]，采用横置带有梳齿的滚筒对辣椒进行梳理和拉拔采收，该结构采收时不需要对辣椒进行对行，因此收获速度快、效率高[7-8]，但该装置采收面大，采摘过程为无差别采收，将部分枝叶一并采收，含杂率较高，且由于其结构特殊性，在滚筒高速运转采收时，梳齿极易对辣椒造成花皮损伤[9]，使得辣椒色价下降，影响辣椒的收购价格。

螺旋辊式辣椒收获机主要以中农博远和美国Boese为代表[10-13]，该机型模拟人手拨动物体动作，通过高速旋转的螺旋辊产生的拨动力实现辣椒采收。由于螺旋辊作用范围小，可有效减少断茎，且采收时螺旋钢棒对辣椒的接触为点接触，接触面积小，可降低辣椒采收破损率，但该机型在采收时需要对行采收[14-15]，相比梳齿式采收效率降低。

韩国研发了一种基于机器视觉的辣椒采收装置[16]，其通过多摄像头对辣椒进行识别定位，再利用剪切机构对辣椒进行剪切采收，该装置目前处于试验阶段，采收效率较低，不适用于新疆地区统收的色素辣椒。

为降低采收过程对辣椒的损伤，本文装置设计参考了玉米螺旋收获装置螺旋对辊作业方式[17-18]，但考虑到将辣椒从茎秆脱离需要向上的力，为适应辣椒收获，将玉米收获装置对辊旋向进行调换，改变了力的作用方向，通过相互向外转动的对辊，对辣椒产生向上的拨动力，使得辣椒与固定在地面的茎秆分离，完成采收，且将原螺旋对辊设计为双螺旋对辊，以期提高辣椒采收效率。拟通过四因素五水平参数优化试验，得出最优结构和作业参数，并通过试验进行验证，以期为特色作物收获机具设计提供参考依据。

1 结构与工作原理

1.1 整机装置结构

双螺旋对辊式辣椒收获装置为自走式，主要包括驾驶舱、扶禾器、双螺旋对辊、输送带、收集箱等。扶禾器安装在机具最前端，用于对行，对辣椒进行采收前预整理。双螺旋对辊呈一定倾斜角度安装在扶禾器后方，对辣椒进行采收。输送带安装在双螺旋对辊的侧下方，与侧边挡板配合，通过安装在后方的升运器将采收下来的辣椒输送到收集箱。

1.2 工作原理

图2所示部分为双螺旋对辊式辣椒收获装置前端采收部分，工作时，机具对行向前行进，安装在机具前端的扶禾器对未采收的辣椒进行预整理，使得并排放置的两个双螺旋对辊顺利进入指定辣椒采收位置。对辊高速转动，旋向向外，对它们之间接触到的辣椒产生向上的拉拔力，将辣椒从固定在地面的茎秆上脱离。同时，由于机具始终向前行进，双螺旋对辊并排倾斜布置，对茎秆任意结椒位置均可完成采收。从茎秆脱离下来的辣椒掉落到输送带上，由输送带运到后方，进行清杂和收集，完成辣椒采收作业。

1.3 双螺旋对辊设计及影响因素确定

双螺旋对辊是双螺旋对辊式辣椒收获装置的关键部件，直接影响装置的采收性能。其螺旋角是反映螺旋叶片对辣椒作用力方向的主要参数，螺旋角过大，叶片对辣椒的作用力方向过前，不能及时对辣椒形成向上的拉拔力，易造成采收不充分；螺旋角过小，在直径一定时，会造成螺距增大，增加空行程，螺旋钢板不能及时对辣椒作用，容易造成采收拥堵，降低采净率，因此在设计双螺旋对辊时螺旋角是主要参考依据。若设计为单头螺旋，则在保证螺旋角的前提下，螺距较大，不能充分对辣椒进行采收，若设计为三头及以上，则在保证螺旋角的前提下，螺距较小，影响辣椒进入采收位置，螺旋钢棒无法对辣椒施加作用。因此选用双螺旋对辊设计对辣椒进行采收。

如图3所示，考虑到螺旋叶片的加工安装和结构强度，按照实际经验取螺旋叶片厚度为3 mm。螺旋叶片直径是对辣椒采收直接作用的尺寸，若螺旋叶片直径较小，则螺旋钢棒对辣椒的作用距离较短，采收效果较差，若螺旋叶片直径较大，则会增大装置结构，造成采收时采收位置不足，无法充分对辣椒进行采收。

如图4a所示，辣椒最初在点接触到螺旋钢棒上端顶点，瞬时跟随螺旋钢棒做圆周运动，假定跟随转动到点时，辣椒即将脱离茎秆，此时螺旋钢棒转过的角度为(°)，茎秆紧贴螺旋钢棒点最外侧，顺着茎秆方向，及方向上，茎秆对辣椒的作用力为2，则此时茎秆对辣椒水平方向的作用力为

2x=2cos(90°-/2) （1）

在作用力2一定时，要求对辊带动辣椒转过的角度不易过大，因为若茎秆对辣椒水平方向的分力过大，则会导致辣椒侧滑，至下一螺旋钢棒采收，造成二次击打，损伤辣椒。为确保辣椒能够单次顺利完成采收作业，应使得对辊转过的角度不大于，即对辊转到点位置。若螺旋钢棒与辣椒之间的摩擦系数为，则在理想状态下有

2x≤2y（2）

2y=2sin(90°-/2) （3）

查阅相关资料[19-20]，类比选取螺旋钢棒与辣椒之间的摩擦系数为0.4，代入上式计算得到，理想状态下，当对辊带着辣椒至少转过的角度为43.6°时，辣椒采净率较高。

对不同植株上不同高度的辣椒进行拉拔采摘试验，测量得到从辣椒接触到螺旋钢棒到从茎秆脱落所需的最大行程平均值为30 mm，则所需的螺旋叶片的最小直径为

代入数值计算得到所需的螺旋叶片最小直径为87.1 mm，考虑螺旋钢棒尺寸作用，本次设计螺旋叶片直径为90 mm。螺旋叶片外侧与辣椒直接接触的螺旋钢棒直径若取值过大，则无法有效对辣椒作用产生向上的拉拔力，且会造成装置体积质量增加，若直径过小，则会使得采收对辣椒损伤严重，因此螺旋钢棒在允许范围内直径越大越好。辣椒尾端直径约为30 mm，螺旋钢棒直径不应大于接触部位辣椒直径的一半，否则不能有效与辣椒接触，考虑到辣椒果梗直径大小，本次设计取钢棒直径为10 mm。

在采收作业时，辣椒处于双螺旋对辊之间，共有两种情况，辣椒与左侧螺旋辊接触或辣椒与右侧螺旋辊接触。无论在哪一侧，辣椒在接触到双螺旋对辊上螺旋叶片边缘的钢棒时，为点接触。因此将该问题简化到单边螺旋钢棒上进行辣椒受力分析，如图4所示，辣椒瞬时跟随钢棒运动，此时在该接触点上，钢棒对辣椒产生垂直向上，即在轴方向的力为：

=1cos(+) （5）

对于双螺旋对辊的螺旋角有

注：1为螺旋叶片与辣椒接触点线速度，m/s；1为工作速度，km/h；v为工作速度在轴方向的分速度，m/s。

Note:1is the linear velocity of the contact point between the spiral blade and the pepper, m/s；1is the working speed, km/h；vis the sub-velocity of the working speed in the-axis direction, m/s.

图5 辣椒在对辊上的速度分析

Fig.5 Velocity analysis of pepper on the pair roller

辣椒接触螺旋钢棒，瞬时产生的速度，m/s，方向与轴方向一致，由螺旋叶片旋转产生的线速度与机具向前行进的工作速度合成，即：

=1+v（7）

其中

（8）

根据动量守恒定律，辣椒受到的冲击力大小与其作用时间的乘积与辣椒动量的变化量相等，即：

1=Δ（9）

式中为辣椒受到冲击力的作用时间，s；为受到冲击的单个辣椒的质量，g，为辣椒瞬时的速度，m/s；Δ为辣椒速度的变化量。

对于辣椒受到冲击力的作用时间，根据设计要求，辣椒从接触螺旋钢棒到脱离，双螺旋对辊转过的角度为，则冲击力作用时间（s）为

结合上述，可计算得到钢棒对辣椒产生的竖直向上的作用力大小，即辣椒受到的拉拔力大小为

辣椒在采收时，接触点瞬时受到的竖直向上的作用力大小直接反映辣椒的采收效果，作用力过大，单次碰撞即可完成采收，采收充分，但会造成辣椒损伤严重；拉拔力过小，需要二次碰撞完成采收，采收不充分且会加剧辣椒损伤。

由式（11）可知，当螺旋叶片直径为90 mm，螺旋钢棒直径为10 mm，工作角度一定时，影响辣椒所受拉拔力的主要因素有机具前进的工作速度1、对辊转速2、对辊螺旋角；通过公式（11）可得知，工作速度1和对辊转速2越大，则辣椒受到的作用力越大，对辊螺旋角越小，钢棒对辣椒的作用力就越小。同时，由式（6）可知，对辊螺距4越大，对辊螺旋角就越大，辣椒受到作用力越小。因此，通过辣椒受力分析可以进一步确定影响装置采收性能的主要因素为工作速度1、对辊转速2和对辊螺距4。为验证理论分析，提高装置采收性能，需要通过单因素和多因素试验对双螺旋对辊式辣椒收获装置进行试验验证。

2 田间试验

2.1 材料与方法

2.1.1 试验材料

2020年7月在新疆巴州地区进行田间试验，试验材料选取采收期内，打完脱叶剂2 d后，辣椒茎秆含水率≤40%的色素辣椒，此时辣椒在采收时易于从茎秆脱落，采收过程对辣椒损伤较小，且脱叶之后采收的辣椒含杂率较低。

试验仪器为自主研制的双螺旋对辊式辣椒收获装置，单次可采收8行。对待采收的辣椒并排8行每100 m进行分段处理，在试验时，每采收100 m作为一次独立试验。

2.1.2 试验指标

本次试验主要研究双螺旋对辊式辣椒采收装置前端部分的采收性能，因此取试验指标为辣椒采净率和破损率，通过重复试验测定主要指标的变化规律，用于选择合适的工作参数和结构参数。

采净率1（%）

破损率2（%）

式中S为采收完成后收集装置中所有的辣椒总质量，g；S为采收后装置收集的辣椒与地面散落、茎秆上残留辣椒质量的总和，g；S为采收后装置收集的中存在破损的辣椒质量，g。

2.2 单因素试验与结果分析

2.2.1 单因素试验设计

双螺旋对辊在采收辣椒时，辣椒处于两对辊之间，对辊间距越小，螺旋钢棒越容易对辣椒作用，采摘越充分，但同时会造成辣椒二次挤压损伤，对辊间距越大，对辣椒损伤越小，但容易形成漏采。根据前文分析，本次试验选取4个影响装置采收性能的关键参数：工作速度、对辊转速、对辊间距和对辊螺距，工作速度和对辊转速可在驾驶室控制面板调节，对辊间距需要调节对辊安装位置，对辊螺距需要更换双螺旋对辊进行调节。

2.2.2 单因素结果与分析

对选取的4个参数分别进行单因素试验，验证各因素对装置采收性能影响。对某个因素进行单因素试验时，取其余参数的值为理论设计最小值，每次试验做3次，结果取平均值，试验结果如图6所示。

1）工作速度

工作速度1是装置工作时的行进速度，它直接反映装置的工作效率。工作速度过大，会导致采收不充分，且由式（11）可知，辣椒受到瞬时作用力增大，会增加辣椒损伤；工作速度过小，采收效率较低，不能满足生产要求。结合图6a中试验结果，工作速度在2～4 km/h范围内，对装置采收性能影响明显，因此结合类似作物农机具的工作效率[21-22]，本次选取工作速度为2～4 km/h进行优化试验。

2）对辊转速

对辊转速2是双螺旋对辊的转动速度，对辊转速提高，采净率会明显增大，但由式（11）可知，辣椒受到的作用力急剧增大，会造成辣椒损伤严重，因此选择较优的对辊转速是本次研究的重点。试验结果如图6b所示，当对辊转速小于110 r/min时，辣椒采净率低于95%，当对辊转速大于190 r/min时，辣椒采净率有降低趋势，且辣椒破损率持续增大，因此本次选取对辊转速为110～190 r/min进行优化试验。

3）对辊间距

对辊间距3是两个双螺旋对辊之间的最小间距，这个间距值影响着装置的采收性能。对辊间距较小时，采收效果较好，采净率较高，但易造成辣椒损伤，且采收后的辣椒含杂率较高。对辊间距较大漏采现象严重，且会造成单次碰撞不能有效采收，形成二次碰撞，增大损伤率。试验结果如图6c所示，随着对辊间距的增大，采净率和破损率逐渐降低，在10～30 mm范围内影响显著，因此本次试验选取对辊间距为10～30 mm进行优化试验。

4）对辊螺距

对辊螺距4是双螺旋对辊的重要结构参数，由式（6）和式（11）可知，当对辊螺距增大，辣椒瞬时受到的作用力增大，采收效率提高，但同时破损率也随之增大。当对辊螺距减小时，破损率明显减小，但也会导致采收效率下降。试验结果如图6d所示，随着对辊螺距增大，采净率和破损率逐渐增大，对辊螺距大于30 cm时，采净率和破损率逐渐稳定，因此本次选取对采收性能影响较为显著的对辊螺距为10～30 cm进行优化试验。

通过单因素试验对影响双螺旋对辊式辣椒收获装置采收性能的显著因素进行验证，得到各因素影响的显著范围，拟通过对各影响因素在显著范围内进行交互试验分析，以期得到双螺旋对辊式辣椒收获装置较优的工作及结构参数组合，提高装置采收性能。

2.3 交互试验及结果分析

2.3.1 交互试验设计

试验选取工作速度1、对辊转速2、对辊间距3、对辊螺距4为影响因素，设计四因素五水平正交中心组合优化试验[23-24]，试验方案如表1所示，共进行30组试验，每组试验重复进行3次，取3次测试结果的均值作为试验结果，试验设计及结果分析应用的Design-expert 10软件完成。

表1 试验因素水平编码表

2.3.2 交互试验结果与分析

试验结果如表2所示。

由表3采净率1的方差分析可知，因素和因素的交互作用对于采净率影响的主次顺序依次为1、32、2、4、22、3、12、14、42、12、34，其中1、2、3、4、14、12、22、32影响极显著（＜0.01），12、34、42影响显著（0.05≤＜0.01），其他因素影响不显著（＞0.1）。失拟项=0.326 9，不显著，证明不存在其他影响试验指标的主要因素。

利用Design-expert 10软件对试验结果进行分析，并对各试验指标进行多元回归拟合，剔除不显著因素，得到各因素水平对采净率的回归方程为

1=98.38−0.711+0.482−0.293−0.314−0.1612+

0.1814−0.1434−0.1912−0.2722−0.5232−

0.1242（14）

表2 二次旋转正交组合试验方案及结果

注：1、2、3、4分别为1、2、3、4的水平值。

Note:1,2,3, and4are the horizontal values of1,2,3, and4, respectively.

表3 采净率方差分析

注：***表示极显著（＜0.01）；**表示显著（0.01≤＜0.05）；*表示较显著（0.05≤＜0.1），下同。

Note: *** means highly significant (<0.01); ** means significant (0.01≤<0.05); * means generally significant (0.05≤<0.1), the same below.

表4为破损率2的方差分析表可知，对于破损率，影响因素的主次顺序依次为2、3、4、1、12、32、34、12，其中1、2、3、4、34、12、32影响极显著（＜0.01），12影响显著（0.05≤＜0.01），其他因素影响不显著（＞0.1）。失拟项=0.1512，不显著，证明不存在其他影响试验指标的主要因素。

表4 破损率方差分析

利用Design-expert 10软件对试验结果进行分析，并对各试验指标进行多元回归拟合，剔除不显著因素，得到各因素水平对破损率的回归方程为

2=4.50+0.221+0.512−0.303+0.284−0.1112+

0.1234+0.1212−0.1232（15）

2.3.3 响应曲面分析

通过采净率和破损率方差分析表可知，工作速度1、对辊转速2、对辊间距3、对辊螺距4对辣椒采净率和破损率均有显著影响，但其交互作用存在不显著项，利用Design-expert 10软件得出显著交互作用对采净率和破损率的响应曲面，如图7、图8所示。

对于采净率，当对辊间距为20 mm，对辊螺距为20 cm时，工作速度与对辊转速的交互作用如图7a所示：当工作速度一定时，采净率随对辊转速的增大而增大，且增大趋势逐渐减小。对辊转速大于140 r/min时，随着螺旋转速的增大，采净率≥97%。对辊转速超160 r/min时，由响应曲面可知，采净率的增幅较小，增大对辊转速会极大的增加装置的不稳定性，因此在达到设计采净率要求的前提下，优先选用该范围内较小的对辊转速；对辊转速一定时，采净率随着工作速度的减小而增大，工作速度低于3.1 km/h时，随着工作速度降低，采净率≥97%。工作速度是反映装置工作效率的重要指标，因此在满足采净率要求的前提下，优先选用该范围内较大的工作速度。

当对辊转速为150 r/min，对辊间距为20 cm时，工作速度与对辊螺距的交互作用对采净率的影响如图7b所示：当对辊螺距一定时，采净率随着工作速度的减小而增大，但增幅较小。工作速度低于3.1 km/h时，随着工作速度降低，采净率≥98%。当工作速度一定时，采净率随着对辊间距的增大，先增大后减小，当对辊螺距约为19 mm时，采净率取得极大值。

当工作速度为3 km/h，对辊转速为150 r/min时，对辊间距和对辊螺距的交互作用对采净率的影响规律如图7c所示：当对辊螺距一定时，在对辊间距15～19 mm的范围内，采净率随着对辊间距的增大而增大，在对辊间距19～25 mm的范围内，采净率随着对辊间距的增大而降低。对辊间距在17～21 mm范围内，采净率≥98%。当对辊间距一定时，采净率随着对辊螺距的减小而增大，对辊螺距在15～21 cm范围内，采净率≥98%。当对辊螺距小于17 cm时，由响应曲面可知，采净率增幅较小，且在对辊转速一定时对辊螺距较小会导致采收效率降低，因此在满足采净率的前提下，在因素水平范围内优先选择较大的对辊螺距。

对于破损率，当对辊间距为20 mm，对辊螺距为20 cm时，工作速度与对辊转速的交互作用如图8a所示：当工作速度一定时，破损率随着对辊转速的增大而增大，对辊转速在130～150 r/min范围内，破损率≤4%，由于对辊转速直接影响采收效率，因此在该范围内优先选用较大的对辊转速。当对辊转速一定时，破损率随着工作速度的增大而增大，工作速度在2.5～2.9 km/h范围内，破损率≤4%，且随着工作速度增大，破损率增幅较小，为提高采收效率，在该范围内选择较大的工作速度。

当工作速度为3 km/h，对辊转速为150 r/min时，对辊间距和对辊螺距的交互作用对破损率的影响规律如图8b所示：当对辊间距一定时，破损率随着对辊螺距的增大而增大，对辊螺距在15～20 cm范围内，破损率≤4%。当对辊螺距一定时，破损率随着对辊间距减小而增大，对辊间距在19～25 mm范围内，破损率≤4%。

2.4 参数优化及试验验证

2.4.1 参数优化

为了获得双螺旋对辊式辣椒收获装置的最佳性能参数和结构参数，利用Design-expert 10软件中的优化模块对2个回归模型进行求解，约束条件为

通过优化求解得工作速度为2.14 km/h，对辊转速为142 r/min，对辊间距为24.3 mm，对辊螺距为10 cm时，双螺旋对辊式辣椒收获装置的作业效果最后，其模型预测采净率为99%，破损率为3.37%。

2.4.2 验证试验

2020年9月在新疆巴州地区进行田间试验验证，试验材料选取采收期内，打完脱叶剂2天后，辣椒茎秆含水率≤40%的色素辣椒。以工作速度2.1 km/h，对辊转速142 r/min，对辊间距24.3 mm，对辊螺距10 cm，进行试验，试验现场如图9所示。

每100 m间隔采收为一组试验，共进行5次重复试验验证，对试验结果取平均值得出，采净率为98.7%，破损率为3.46%，与理论预测值绝对误差值均低于1%，辣椒采收效果良好。

3 结 论

针对色素辣椒人工采收效率低，现有机型破损率高等问题，采用双螺旋叶片安装布置方式，研制了一种双螺旋对辊式辣椒收获装置。

对采收过程和辣椒采收时的受力进行分析，确定了工作速度、对辊转速、对辊间距和对辊螺距为影响采收效果的试验因素，以采净率和破损率为试验指标进行试验。

利用Design-expert 10软件对试验结果进行数据分析，得出最优参数后，选择工作速度2.1 km/h，对辊转速142 r/min，对辊间距24.3 mm，对辊螺距10 cm，进行验证试验，得到采净率为98.7%，破损率为3.46%，采收效果良好。

[1] 马金星. 色素辣椒机械收获的现状及发展建议[J]. 农村实用技术，2019(8)：37-38.

Ma Jinxing. The current situation and development suggestions of mechanical harvesting of pigmented peppers[J]. Rural Practical Technology, 2019(8): 37-38. (in Chinese with English abstract)

[2] 丁皓，董阳阳，赵凯旋. 浅谈色素辣椒收获过程中收获机械的选择及其优缺点[J]. 河北农机，2019(6)：21-22.

Ding Hao, Dong Yangyang, Zhao Kaixuan. Talking about the choice of harvesting machinery and its advantages and disadvantages in the process of harvesting pigment peppers[J]. Hebei Agricultural Machinery, 2019(6): 21-22. (in Chinese with English abstract)

[3] 薛世民，李谦绪，黄强斌，等. 影响辣椒机械化收获效果的因素分析[J]. 新疆农机化，2020(4)：9-11.

Xue Shimin, Li Qianxu, Huang Qiangbin, et al. Analysis of factors affecting the mechanized harvesting effect of pepper[J]. Xinjiang Agricultural Mechanization, 2020(4): 9-11. (in Chinese with English abstract)

[4] Bac C W, Roorda T, Reshef R, et al. Analysis of a motion planning problem for sweet pepper harvesting in a dense obstacle environment[J]. Biosyst. Eng. 2016, 146: 85-97.

[5] 张俊三，阿力木·买买提吐尔逊，李谦绪，等. 牧神4JZ-3600A型自走式辣椒收获机的研制[J]. 新疆农机化，2020(3)：5-7.

Zhang Junsan, Alimu·Maimaiti Tuerxun, Li Qianxu, et al. Development of Mushen 4JZ-3600A self-propelled pepper harvester[J]. Xinjiang Agricultural Mechanization, 2020(3): 5-7. (in Chinese with English abstract)

[6] 赵飞龙，赵永满. 辣椒收获机风机清选液压系统的设计研究[J]. 新疆农机化，2019(4)：18-19，23.

Zhao Feilong, Zhao Yongman. Design and research on the hydraulic system of the fan cleaning of the pepper harvester[J]. Xinjiang Agricultural Mechanization, 2019(4): 18-19, 23. (in Chinese with English abstract)

[7] 赵永满，刁雪洋，陈永成，等. 辣椒收获机复摘装置的研究[J]. 农机化研究，2018，40(7)：105-110.

Zhao Yongman, Diao Xueyang, Chen Yongcheng, et al. Research on the re-picking device of pepper harvester[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(7): 105-110. (in Chinese with English abstract)

[8] 段以磊. 辣椒机械采摘损伤机理及试验研究[D]. 石河子：石河子大学，2014.

Duan Yilei. Mechanical Picking Damage Mechanism and Experimental Research on Pepper[D]. Shihezi：Shihezi University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[9] 雷明举，王飞，王梦，等. 弹齿滚筒式辣椒采摘装置性能的试验研究[J]. 农机化研究，2018，40(5)：142-146，152.

Lei Mingju, Wang Fei, Wang Meng, et al. Experimental study on the performance of spring-tooth drum pepper picking device[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(5): 142-146, 152. (in Chinese with English abstract)

[10] 吴玲敏. 4LZ-3.0型自走式辣椒收获机的工作原理及试验研究[J]. 农机化研究，2017，39(11)：136-139.

Wu Lingmin. The working principle and experimental research of 4LZ-3.0 self-propelled pepper harvester[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(11): 136-139. (in Chinese with English abstract)

[11] Tae H K, Dae C K, Cho Y J. Performance comparison and evaluation of two small chili pepper harvester prototypes that attach to Walking Cultivators[J]. Applied Sciences, 2020, 10(7): 2570.

[12] 刘高，林蜀云，吴荻，等. 朝天椒收获装置的设计、分析与验证[J]. 机械制造，2021，59(1)：29-33，62.

Liu Gao, Lin Shuyun, Wu Di, et al. Design, analysis and verification of Chaotian pepper harvesting device[J]. Machinery Manufacturing, 2021, 59(1): 29-33, 62. (in Chinese with English abstract)

[13] 刘高，林蜀云，梁勇，等. 斜置双螺旋梳指式辣椒收获试验台设计[J]. 农机化研究，2020，42(8)：133-137.

Liu Gao, Lin Shuyun, Liang Yong, et al. Design of an oblique double spiral comb-finger pepper harvesting test bench[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2020, 42(8): 133-137. (in Chinese with English abstract)

[14] 张敏，许东生. 线辣椒收获机的设计与试验[J]. 机械研究与应用，2019，32(6)：103-105.

Zhang Min, Xu Dongsheng. The design and experiment of the line pepper harvester[J]. Mechanical Research and Application, 2019, 32(6): 103-105. (in Chinese with English abstract)

[15] 曹新芳. 螺旋振动自走式辣椒采收机的研究开发[J]. 时代农机，2018，45(4)：199.

Cao Xinfang. Research and development of spiral vibration self-propelled pepper harvester[J]. Times Agricultural Machinery, 2018, 45(4): 199. (in Chinese with English abstract)

[16] Lee B K, Kam D H, Min B R, et al. A vision servo system for automated harvest of sweet pepper in korean greenhouse environment[J]. Applied Sciences, 2019, 9(12): 2395.

[17] 耿爱军，杨建宁，张姬，等. 玉米摘穗收获机械损伤影响因素分析[J]. 农业工程学报, 2016, 32(22):56-62.

Geng Aijun, Yang Jianning, Zhang Ji, et al. Analysis on influencing factors of corn ear picking and harvesting machinery damage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32 (22): 56-62. (in Chinese with English abstract)

[18] 辛尚龙，赵武云，戴飞，等. 全膜双垄沟播玉米穗茎兼收对行联合收获机的研制[J]. 农业工程学报，2018，34(4)：21-28.

Xin Shanglong, Zhao Wuyun, Dai Fei, et al. Development of double ridge furrow sowing corn ear stem combine harvester [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(4): 21-28. (in Chinese with English abstract)

[19] 王勇，李建东，杨薇，等. 小麦种子物理特性参数测定及在播种机排种器设计中的应用[J]. 农业工程，2021，11(6)：109-114.

Wang Yong, Li Jiandong, Yang Wei, et al. Determination of the physical properties of wheat seeds and their application in the design of planters and meters[J]. Agricultural Engineering, 2021, 11(6): 109-114. (in Chinese with English abstract)

[20] 李杞超. 舀勺式小粒径蔬菜种子精量排种器机理分析与试验研究[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2020.

Li Qichao. Mechanism Analysis and Experimental Study of A Scoop Type Small Particle Size Vegetable Seed Precision Metering Device[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2020. (in Chinese with English abstract)

[21] 戚江涛，蒙贺伟，李成松，等. 马铃薯收获机的设计与研制[J]. 农机化研究，2018，40(2)：124-127.

Qi Jiangtao, Meng Hewei, Li Chengsong, et al. Design and development of potato harvester[J]. Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(2): 124-127. (in Chinese with English abstract)

[22] 吕金庆，孙玉凯，李季成，等. 立式有机肥螺旋撒肥装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(24)：19-28.

Lyu Jinqing, Sun Yukai, Li Jicheng, et al. Design and experiment of vertical organic fertilizer screw spreading device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 19-28. (in Chinese with English abstract)

[23] 蒋德莉，陈学庚，颜利民，等. 随动式残膜回收机清杂系统作业参数优化[J]. 农业工程学报，2019，35(19)：1-10.

Jiang Deli, Chen Xuegeng, Yan Limin, et al. Operational parameter optimization of the cleaning system of the follow-up residual film recovery machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(19): 1-10. (in Chinese with English abstract)

[24] 张秀花，赵庆龙，王泽河，等. 可调五辊式对虾剥壳机剥壳参数优化试验[J]. 农业工程学报，2016，32(15)：247-254.

Zhang Xiuhua, Zhao Qinglong, Wang Zehe, et al. Optimization experiment on peeling parameters of adjustable five-roller prawn peeling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(15): 247-254. (in Chinese with English abstract)

Design and experiment of double helix pair roller pepper harvesting device

Yuan Xiaowei1,2, Yang Shuangping2, Jin Ruocheng3※, Zhao Liwei3, Dao Erjicairen1, Zheng Nan3, Fu Wenping4

(1.841000; 2.830052; 3.841000; 4.841000)

Pigment pepper is a highly valued plant containing natural pigments, such as capsanthin and chili Rubin. Pepper production has been one of the largest vegetable industries in China. The total area of pepper planting in Xinjiang in 2018 was about 120 000 hm2, of which pigment pepper was about 106 000 hm2. Therefore, the output is likely to be reduced, if the pigmented pepper cannot be harvested in time by hand. It is highly urgent for the efficient and mechanized harvesting of pepper at present. Two types of pepper harvesting machinery included the comb tooth and spiral roller type. In the comb tooth type, an alternative comb tooth roller is placed horizontally to comb and pull pepper. This structure presents a high harvesting speed and high efficiency, but a high impurity rate was found in the pepper after harvesting, while it is easy to cause damage to the pepper. In the spiral roller type, two high-speed rotating spiral rollers generate a toggle force for pepper harvesting. This structure reduces the damage and impurity rate of peppers, but the harvesting efficiency is lower than that of comb tooth type. In this study, a new roller-type pepper harvesting device with a double helix pattern was designed for a higher harvesting efficiency, while low damage rate, thereby meeting the large production demand for pigmented peppers. The stress of pepper at the contact point of the spiral steel bar was also analyzed to determine the main factors of harvesting performance. The pigment pepper in Yanqi County of Xinjiang was used as the test object, where the moisture content was less than 40% after two days of being beaten with defoliant. A single factor test was carried out to explore the effect of each factor on the harvest performance, further to determine the significance range of influencing factors. A four-factor five-level orthogonal optimization was then conducted, where the removal and damage rates were taken as the experimental indexes, whereas, the working speed, roller speed, gap, and pitch as the experimental factors. A regression equation of each factor was achieved on the removal and damage rate, the primary and secondary order of influencing factors, as well as the interaction of each factor. The surface graph was analyzed to obtain the interaction of various factors. Design-expert 10 software was used to optimize the parameters, and the resulting parameters were then verified via the verification test. Optimal performance was achieved, when the working speed was 2.1 km/h, the roller speed was 142 r/min, the roller distance was 24.3 mm, and the roller pitch was 10 cm. A combination of parameters was that the removal rate was 98.7%, and the damage rate was 3.46%, meeting the field operation requirements of a pigment pepper harvester. This finding can provide a sound reference to design and optimize the pigmented pepper harvester.

agricultural machinery; design; experiments; pepper harvesting; helix pair roller

袁小伟，杨双平，金若成，等. 双螺旋对辊式辣椒收获装置的设计与试验[J]. 农业工程学报，2021，37(15)：1-9.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.001 http://www.tcsae.org

Yuan Xiaowei, Yang Shuangping, Jin Ruocheng, et al. Design and experiment of double helix pair roller pepper harvesting device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(15): 1-9. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.001 http://www.tcsae.org

2021-06-10

2021-08-01

新疆维吾尔自治区“天山青年计划”项目（2019Q136）；新疆维吾尔自治区自然基金基层项目（2021D01F30）

袁小伟，博士生，研究方向为农业机械工程。Email：ywei5199@163.com

金若成，高级工程师，研究方向为农业技术推广。Email：404111390@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.001

S147.2

A

1002-6819(2021)-15-0001-09