孫鳴儀，馬少輝

(塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾　843300)

?

自走式紅棗撿拾機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

孫鳴儀，馬少輝

(塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300)

摘要：新疆地區(qū)紅棗收獲目前主要依靠人工方式，機(jī)械化收獲作業(yè)水平有待于提高。為解決這一問題，設(shè)計(jì)了一種基于氣力原理的自走式紅棗撿拾機(jī)，并闡明了整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作過程，確定了關(guān)鍵部件的技術(shù)參數(shù)。同時(shí)，以新疆地區(qū)矮化密植種植模式的棗樹所結(jié)紅棗為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行了樣機(jī)性能及作業(yè)效率試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：風(fēng)機(jī)最佳工作轉(zhuǎn)速為2 900r/min，采收作業(yè)平均生產(chǎn)率為0.052hm2/h，所采收紅棗的平均破損率為1.06%。

關(guān)鍵詞：紅棗；撿拾機(jī)；自走式

0引言

紅棗是我國的特色林果，富含人體所需的各類營養(yǎng)元素[1]。新疆紅棗品質(zhì)優(yōu)秀、口感上佳，近年來種植面積不斷增加，現(xiàn)已成為中國最大的紅棗生產(chǎn)地區(qū)，其產(chǎn)量已達(dá)到全國總產(chǎn)量的1/4[2]。但是，紅棗采收目前仍以人工采收為主，導(dǎo)致強(qiáng)度大、生產(chǎn)率低、經(jīng)濟(jì)成本高。因此，紅棗的機(jī)械化采收作業(yè)已成為棗業(yè)發(fā)展的重要方向[3-5]。目前，新疆地區(qū)種植的紅棗主要采用矮化密植的種植模式，具有便于管理及單位產(chǎn)量較高等優(yōu)點(diǎn)。矮化密植種植模式下的棗樹一般行距為1.5～3m，株距0.7～2m，且株高較矮。由于密植，相鄰兩行棗樹的部分枝葉會(huì)產(chǎn)生相交，給機(jī)械化收獲作業(yè)帶來一定困難。為此，針對(duì)這種種植模式的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種自走式紅棗撿拾機(jī)，主要對(duì)落地后的紅棗進(jìn)行撿拾采收。

1整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

本紅棗撿拾機(jī)是針對(duì)矮化密植的種植模式，采用氣力吸取方法進(jìn)行收獲的一種自走式紅棗撿拾機(jī)。其主要由動(dòng)力裝置、行走裝置、機(jī)架、風(fēng)機(jī)、除雜室、分離室和吸管等部件組成，如圖1所示。其中，機(jī)架與行走裝置相連接，動(dòng)力裝置采用小型單缸柴油機(jī)，動(dòng)力通過帶傳送方式傳遞至風(fēng)機(jī)；風(fēng)機(jī)安裝于上方的機(jī)架上，風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口與分離室相連，且分離室內(nèi)部有一斜置的濾物柵網(wǎng)。除雜室位于分離室下方，并在濾物柵網(wǎng)下側(cè)與分離室相連通。吸管位于整機(jī)行走方向前端，一端與分離室相連。整機(jī)寬約1m，長2.7m。

1.方向控制盤　2.發(fā)動(dòng)機(jī)　3.靜液壓聯(lián)軸裝置　4.風(fēng)機(jī)　5.分離室

1.2工作原理

本紅棗撿拾機(jī)主要是在棗樹行間行走并進(jìn)行撿拾作業(yè)，動(dòng)力由柴油機(jī)提供并經(jīng)分配后分別傳送至行走裝置和風(fēng)機(jī)[6]。風(fēng)機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片擾動(dòng)空氣產(chǎn)生氣流，并使得空氣在流場中形成壓力梯度，即產(chǎn)生負(fù)壓[7]；此負(fù)壓經(jīng)收集管道傳遞至吸管口，由于吸管口與外界存在壓力差，故其可將散落于地面上的紅棗及枝葉等雜物吸起；當(dāng)紅棗與雜物被吸起并進(jìn)入分離室時(shí)，被分離室內(nèi)的濾物柵網(wǎng)攔下并落入除雜室中；紅棗與雜物在除雜室中完成兩道篩分，最終枝葉等雜物被篩除，落入雜物暫存箱中；紅棗落入收集框中，最終完成紅棗撿拾和除雜作業(yè)。

1.3傳動(dòng)系統(tǒng)

如圖2所示，動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生，并經(jīng)變速箱傳遞至分動(dòng)箱，再通過兩條路線傳遞：一路傳遞至行走裝置，驅(qū)使紅棗撿拾機(jī)行進(jìn)；另一路經(jīng)帶傳送至靜液壓裝置，再通過靜液壓裝置驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)調(diào)速。行走支路和驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)支路的作業(yè)傳動(dòng)比分別為i1=3.21和i2=0.094。傳動(dòng)比經(jīng)合理分配，使傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡化，機(jī)身外形尺寸符合田間作業(yè)所需要求，同時(shí)滿足行走端和風(fēng)機(jī)所需的功率和轉(zhuǎn)速。紅棗撿拾機(jī)作業(yè)時(shí)，變速箱的輸出轉(zhuǎn)速為720r/min，風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速可達(dá)到2 900r/min。

1.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)　2.變速箱　3.分動(dòng)箱　4.離合器

2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1風(fēng)機(jī)的選型

風(fēng)機(jī)為紅棗撿拾機(jī)作業(yè)提供負(fù)壓氣流，其性能直接決定紅棗撿拾機(jī)的工作穩(wěn)定性和耗能大小。根據(jù)拜格諾(Bagnold)流體力學(xué)理論，流體起動(dòng)時(shí)，流體中粒子上的作用力與重力平衡。由此可推出紅棗被吸起的臨界流速為

(1)

式中V*t—臨界速度(m/s)；

ρk—紅棗的密度(kg/m3)；

ρ—空氣的密度(kg/m3)；

A—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般近似于一個(gè)常數(shù)，這里取1.5；

dmax—新疆紅棗直徑最大值。

經(jīng)計(jì)算可以得出紅棗被吸起所需的臨界流速為V*t=21.74 m/s。根據(jù)氣體一維定常流動(dòng)的基本方程可得沿流動(dòng)方向任意兩個(gè)截面間的參數(shù)關(guān)系為

(2)

式中P1—截面1處的壓強(qiáng)；

P2—截面2處的壓強(qiáng)；

ρ1—截面1處的氣體密度；

ρ2—截面2處的氣體密度；

K—?dú)怏w的絕熱指數(shù)。

將數(shù)據(jù)代入式(2)，并令v2=V*t，取K=1.4可得v1= 53.55 m/s，即風(fēng)量為Q=A1v1=2 405.08 m3/h。查閱風(fēng)機(jī)手冊，同時(shí)結(jié)合紅棗撿拾機(jī)機(jī)身在田間應(yīng)用所受尺寸限制條件，故選用4-79-3.5型風(fēng)機(jī)，該機(jī)型額定工作轉(zhuǎn)速為2 900r/min，功率為3kW[8]。

2.2除雜室的設(shè)計(jì)

紅棗撿拾機(jī)作業(yè)時(shí)是將散落于地面上的紅棗吸起，完成撿拾過程的，必將有一部分枝葉和塵土等雜物隨紅棗一并被吸起，因此需要對(duì)所吸起的紅棗進(jìn)行除雜。除雜室主要是完成紅棗的篩雜作業(yè)，使最終所撿拾的紅棗符合要求。圖3為紅棗撿拾機(jī)除雜室的結(jié)構(gòu)示意圖。

1.濾物柵網(wǎng)　2.圓弧形引導(dǎo)片　3.第一道斜面篩

紅棗撿拾機(jī)工作時(shí)，紅棗及雜物由吸管口吸入，并在進(jìn)入分離室后被濾物柵網(wǎng)攔下，在重力作用下落入除雜室內(nèi)，并由圓弧形引導(dǎo)葉片引至第1道斜置篩面上，進(jìn)而沿篩面滑下，在滑下的過程中，實(shí)現(xiàn)篩雜作業(yè)。第1道斜面篩下方是雜物暫存室，用來暫時(shí)存放分離出的雜物；其外側(cè)有一出口，出口上安裝有一個(gè)控制門，待暫存室內(nèi)雜物存滿后，可打開控制門，清空雜物。雜物暫存室下方是第2道斜面篩，紅棗經(jīng)第1次除雜作業(yè)后落入第2道斜面篩進(jìn)行二次除雜作業(yè)。經(jīng)試驗(yàn)測試，第1道斜面篩可有效篩除60.2%的雜物，第2道斜面篩可有效篩除25.2%的雜物。紅棗經(jīng)第2次除雜后，由重力作用沿第2道斜面篩滑下，最終落入紅棗收集框中，完成采收作業(yè)。

2.3分離室的設(shè)計(jì)

分離室的主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。其主要功能是將所拾取的紅棗及其附帶的雜物與氣流進(jìn)行分離，以保證紅棗及其附帶的枝葉等雜物能夠順利進(jìn)入除雜室，并使得進(jìn)入風(fēng)機(jī)中的氣流保持純凈，不混入雜物，避免傷及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片；同時(shí)還要保證在分離時(shí)的撞擊力符合要求，避免作業(yè)時(shí)由于撞擊對(duì)紅棗產(chǎn)生損傷，因而需要確定其最佳參數(shù)。

壓力損失的經(jīng)驗(yàn)方程為

ΔP=ξρgv2/2

即壓力損失與速度的平方成正比，因而可以通過對(duì)分離室結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整來控制壓力損失大小，改變氣流抵達(dá)濾物網(wǎng)時(shí)的速度，進(jìn)而可以調(diào)整紅棗與濾物網(wǎng)碰撞時(shí)所受撞擊力的大小，從而得出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下撞擊對(duì)紅棗造成的損傷。為了確定最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)各影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)時(shí)分離室采取可調(diào)形式，其可調(diào)整的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：上蓋板的安裝角度、分離室的整體長度和寬度。

通過正交試驗(yàn)，研究各參數(shù)對(duì)紅棗損傷率的影響，從而確定最佳參數(shù)。利用方差分析確定各指標(biāo)對(duì)分離室性能的影響。選定的因素和水平如表1所示，采用三水平三因素試驗(yàn)，考察各因素間的交互作用，試驗(yàn)指標(biāo)為紅棗的破損率。其中，破損率的計(jì)算公式為

破損率

試驗(yàn)采用未經(jīng)人工揀選過的紅棗進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持在2 800r/min,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。將所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

表2　正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

續(xù)表2

(A×B)1和(A×B)2分別為因素A和因素B的交互作用A×B的2個(gè)分量，即A1×B和A2×B。

表3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析表

3田間試驗(yàn)

2014年11月，本自走式紅棗撿拾機(jī)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師阿拉爾墾區(qū)進(jìn)行了田間試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)象為該地區(qū)矮化密植棗園所種植的新疆駿棗。試驗(yàn)樣本的樹齡為6年，樹干平均直徑為40mm，行距為2m，株距為0.7m，平均株高1.7m，所結(jié)紅棗果實(shí)大而飽滿。試驗(yàn)共進(jìn)行3次，每次作業(yè)1h。3次田間試驗(yàn)分別調(diào)整自走式紅棗撿拾機(jī)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速至2 700r/min，2 800r/min和2 900r/min。試驗(yàn)對(duì)紅棗撿拾機(jī)拾凈率、除雜率、破損率、生產(chǎn)率等性能指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。采收作業(yè)的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4　自走式紅棗撿拾機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果

4結(jié)論

1)田間試驗(yàn)表明：本自走式紅棗撿拾機(jī)可以有效對(duì)新疆地區(qū)矮化密植種植模式下所產(chǎn)的紅棗進(jìn)行采收作業(yè)。

2)本紅棗撿拾機(jī)在田間行走順暢，具備較好的穩(wěn)定性，操控較為便利，采收作業(yè)時(shí)對(duì)棗樹損傷較小。

3)本紅棗撿拾機(jī)在工作時(shí)由1～2人輔助作業(yè)，與目前普遍的人工撿拾方式相比，生產(chǎn)效率有明顯提高。

4) 當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 800r/min時(shí)所收紅棗的含雜率在15%以內(nèi)，紅棗的破損率在1%以內(nèi)。

5) 對(duì)于平均含水率在60%以下的紅棗，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 900r/min時(shí)，拾凈率在95%以上。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃哲真.紅棗的營養(yǎng)成分及功用價(jià)值[J].科技視界,2014(29):325.

[2]石國強(qiáng).新疆兵團(tuán)紅棗產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究[D].石河子：石河子大學(xué),2013.

[3]黃志兵.加快新疆林果業(yè)機(jī)械化發(fā)展的思考[J].中國農(nóng)機(jī)化,2007,24(6):44-48.

[5]湯智輝,賈首星,沈從舉,等.新疆兵團(tuán)林果業(yè)機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008,30(11):5-8.

[6]邱威,丁為民.3WZ-700型自走式果園風(fēng)送定向噴霧機(jī)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,56(6):26-30.

[7]王學(xué)良,張晉國.蘿卜、白菜、甜菜氣吸式精量播種機(jī)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(6):90-93.

[8]續(xù)魁昌,王洪強(qiáng),蓋京方,等.風(fēng)機(jī)手冊(2版) [K].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

Design and Experiment of Self-propelled Red Date Collector

Sun Mingyi, Ma Shaohui

(College of Mechanic and Electronic Engineering，Tarim University，Alar 843300，China)

Abstract：The red date harvest in Xinjiang region depends mainly on manual work at present, so it needs to enhance the mechanized level. To solve the problem, this paper designed the self-moving red date collector based on pneumatic principle. The structure and working process of the machine ware illuminated, and the technical parameters of key components were identified. Taking the red dates by dwarf and close planting in Xinjiang region as the test object, we conducted the test of the sample machine for the performance and operation efficiency.The test showed that the optimal work speed of the fan is 2900r/min, average productivity is 0.052hm2/h, and average damage rate of harvested red dates is 1.06%.

Key words：red date; collector; self-propelled

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0143-05

中圖分類號(hào)：S225.93

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：孫鳴儀(1989-),男，遼寧錦州人，碩士研究生，(E-mail) 121159144@qq.com。通訊作者：馬少輝(1976-)，男，新疆喀什人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)nygni@sina.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51265049)

收稿日期：2015-04-22