張學軍，白圣賀，靳 偉，袁盼盼，于蒙杰，鄢金山，張朝書

氣力式矮密栽培紅棗撿拾機研制

張學軍1,2，白圣賀1，靳 偉1，袁盼盼1，于蒙杰1，鄢金山1,2，張朝書3

（1. 新疆農業(yè)大學機電工程學院，烏魯木齊 830052；2. 新疆農業(yè)工程裝備創(chuàng)新設計實驗室重點實驗室，烏魯木齊 830052；3. 阿拉爾市天典農機制造有限責任公司，阿拉爾 843300）

為滿足在矮密栽培模式下實現(xiàn)紅棗收獲機械化的工作要求，該文針對落地紅棗撿拾效率較低、機械化撿拾易傷棗及紅棗與雜質分選困難等問題，研制了一種適用于新疆矮化密植紅棗的氣力式紅棗撿拾機。該機主要由柴油機、風機、撥輪分選裝置、吸氣室、閉風器、吸氣管、傳動系統(tǒng)、行走系統(tǒng)以及振動分離篩機構等組成，根據其工作原理，確定振動分離篩機構的偏心距為60 mm，曲柄轉速范圍為131.61～160.62 r/min。運用Design-Expert 10.0.3.1軟件，根據Box-Benhnken中心組合設計方法，以機器前進速度、風機轉速、曲柄轉速為影響因子，紅棗拾凈率和含雜率為響應值進行三因素三水平二次回歸正交試驗設計，并對各因素進行優(yōu)化。結果表明：對紅棗拾凈率和含雜率的顯著性影響順序為：風機轉速>曲柄轉速>機器前進速度；驗證試驗結果表明：當機器前進速度為0.60 m/s、風機轉速為3 080 r/min、曲柄轉速為140 r/min時，紅棗拾凈率為96.41%、含雜率為1.54%。田間試驗值與理論優(yōu)化值相對誤差分別為1.71%和3.40%，均小于5%。該研究可為矮密栽培紅棗機械化撿拾提供參考。

農業(yè)機械；農作物；收獲；矮密栽培；紅棗；振動分離篩；氣力式；撿拾機

0 引 言

生產實踐證明，未來新疆乃至全國紅棗產區(qū)的紅棗種植模式將以矮化密植為主。一般矮化密植栽培模式的產量是常規(guī)稀植產量的2倍，可高達1.5萬 kg/hm2，但目前與紅棗種植模式相匹配的配套機型甚少[1-3]。為了有效提升棗樹的豐產和種植戶的經濟效益，新疆地區(qū)基本上采用4 m×1.5 m（行距×株距）矮化密植模式，部分采用3 m×2 m的矮化密植模式[4-7]，該種植模式比較符合新疆氣候條件，優(yōu)化植株空間位置，提高土地利用率和光能利用率，方便管理，進而提高紅棗產量。但該模式會造成作業(yè)空間狹小和窄行距收獲擁堵等問題。因此，研究一種簡單方便且適用于矮化密植栽培模式要求的紅棗收獲機械具有非常重要的意義。

由于國外的紅棗種植面積較少，只有極少數(shù)國家比如韓國、日本等東亞地區(qū)少量種植，因此，對矮化密植栽培模式下的紅棗收獲機械研究較少[8-9]。2003年，韓國忠南國立大學Lee研究出一種基于樹冠振動的全液壓自走式紅棗收獲機，采收率能達到95.8%[10]，但是韓國紅棗種植模式與中國新疆矮化密植模式相差較大，借鑒性較小。Churchill為了實現(xiàn)柑橘的撿拾收獲，采用刮板輸送鏈喂入的方式，實現(xiàn)柑橘的撿拾收獲[11-12]。該種收獲方式對地面的平整度要求較高，易造成漏檢和果實損傷等問題，主要應用于柑橘、榛子等表皮堅硬的林果撿拾作業(yè)。Hedden等研究團隊采用滾筒刮板旋轉方式，研制了一種滾筒喂入式撿拾機[13]，實現(xiàn)果實強制喂入，但易造成果實擠壓摩擦破壞和漏檢，適用于行間距較大的大型果樹收獲。阿爾斯波（OXBO）國際公司推出一種新型柑橘撿拾機[14]，該機提高了分選工作性能，極大減少了進入輸送裝置的雜質量，但僅適應于果皮較硬以及尺寸較大的果實撿拾作業(yè)。由于林果收獲機械體積龐大，不適合國內矮化種植模式紅棗的采收。

國內對矮化密植紅棗收獲機械的研究在不斷深入。孟祥金等運用液壓傳動與控制技術實現(xiàn)低頻振動，研制出中國第一臺4YS-24紅棗收獲機械，通過使用配套倒傘形接果裝置收集紅棗，但不適于矮化密植栽培模式紅棗收獲，有一定的局限性[15]。付威等采用撥桿方式，研制一臺4ZZ-4自走式紅棗收獲機[16-18]，以一定的力度接觸紅棗，打落完成采摘過程。該機適用于南疆紅棗種植模式，具有可持續(xù)性強、收獲效率較高等優(yōu)點，但易出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象，造成浪費。北京意美德通科技發(fā)展有限公司研制出一臺YE3600A型手推式紅棗收獲機[19]，采用氣吸方式撿拾紅棗[20]，完成收獲過程。該機靈活輕便，適用于矮化密植棗園[21]，但存在工作效率較低，分離效果差等問題。上述機型主要針對樹上紅棗進行收獲，而對落地紅棗撿拾研究較少。紅棗成熟時期會有30%～50%的紅棗自然脫落并且成熟周期較長，采收落地紅棗已成為紅棗收獲的重要環(huán)節(jié)。

目前迫切需要研制適用于矮化密植模式下的小型落地紅棗收獲機械，促進紅棗收獲機械化的發(fā)展。因此本文按照矮密栽培模式設計了一種氣力式紅棗撿拾機，采用氣吸撿拾方式，有效降低傷棗率，運用撥輪分選裝置與振動分離篩機構相結合，撥輪分選裝置負責分選棗葉與枝條，經過撿拾分離后的紅棗混合物在振動篩分離機構的振動和擺動過程中，實現(xiàn)紅棗與碎石、土塊的二次篩選，減少紅棗含雜率。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

氣力式矮密栽培紅棗撿拾機主要由柴油機、風機、撥輪分選裝置、吸氣室、閉風器、吸氣管、傳動系統(tǒng)、電動系統(tǒng)以及振動分離篩機構等組成，結構如圖1所示。該機型按照新疆矮化密植紅棗栽培模式設計，主要參數(shù)如表1所示。

1.吸氣管 2.風機 3.吸氣室 4.撥輪分選裝置 5.傳動系統(tǒng) 6.閉風器 7.推動把手 8.振動分離篩 9.機架 10.行走系統(tǒng) 11.柴油機

表1 氣力式矮密栽培紅棗撿拾機主要參數(shù)

1.2 工作原理

工作時，氣力式紅棗撿拾機以蓄電池為主電源，給機器驅動電機、閉風器驅動電機以及振動分離篩機構驅動電機提供動力。機器驅動電機驅動該機行駛在棗園行間，閉風器由閉風器驅動電機提供動力，然后通過鏈傳動將動力傳遞給撥輪分選裝置，振動分離篩機構由振動分離篩驅動電機直接驅動。

柴油機作為風機動力源驅使其轉動，通過風管與吸氣室連接，葉片轉動使空氣在流場中形成壓力差，使吸氣室形成充足的負壓，操作人員手持吸氣管撿拾落地紅棗并輸送到吸氣室里。在吸氣室里紅棗與雜質通過撥輪分選裝置的纏繞以及負壓的作用把棗葉與枝條分選出去，排到集雜室，完成一次分離；紅棗靠自身重力落到閉風器中，隨其旋轉落到振動分離篩機構上，通過篩面振動和擺動，實現(xiàn)紅棗與碎石、土塊的二次分離，然后落到棗箱中，完成紅棗撿拾工作。

2 關鍵部件設計

2.1 振動分離篩

振動分離篩結構和工作示意圖如圖2所示，主要由振動機構架、偏心輪、篩面、搖桿和左右吊桿等組成，主軸與偏心輪通過軸承鉸接于點；左吊桿（點）和右吊桿（點）通過軸承鉸接在機架上；搖桿（點）通過軸承鉸接在振動分離篩體上。

1. 左吊桿 2.偏心輪 3.直流電機 4.搖桿 5.電機架 6.振動機構架 7.篩面 8.右吊桿

2. 1.Left boom 2.Eccentric wheel 3.DC motor 4.Rocker 5.Electric frame 6.Vibration mechanism frame 7.Screen surface 8.Right boom

a. 振動分離篩結構圖

a.Vibration separation screen structure

注：為坐標軸；,,,分別為偏心輪、左吊桿、右吊桿、主軸；為曲柄轉速，r·min-1；為振動分離篩的偏心距，m。

Note:andare the coordinate axes;,,,are eccentric wheel, Left boom, right boom and spindle;is crank speed, r·min-1;is eccentricity of vibrating separation screen, m.

b.振動分離篩工作示意圖

b.Schematic diagram of shaker separation mechanism

圖2 振動分離篩結構和工作示意圖

Fig.2 Vibration separation screen structure and working diagram

第一次分離主要把棗葉和樹枝條分選出去，但紅棗中還含有碎石和土塊，需要進行二次分離篩選掉碎石和土塊，于是采用振動分離篩機構，其中各連桿組件為經淬火處理的優(yōu)質碳素鋼材料，堅實耐用。由振動分離篩驅動電機作為動力源，偏心輪以一定的角速度勻速轉動，帶動搖桿使左右吊桿、做往復擺動，實現(xiàn)篩面重復擺動和振動，完成紅棗與碎石、土塊的二次分離。

根據理論分析與預試驗可得，長度為55～65 mm、長度為210 mm、長度為70 mm，長度為425 mm，初始狀態(tài)下振動分離篩與地面的傾角為30°。若長度小于55 mm，分離篩的振動幅度過小導致無法達到更好地分離效果；若長度大于65 mm，振動幅度較大致使慣性變大，造成工作性能不穩(wěn)定。最終根據試驗與經驗確定偏心距長度為60 mm，參考王立軍等[22-24]研究結論，初步確定振動分離篩的曲柄轉速范圍為125～165 r/min。可更好地實現(xiàn)前后重復擺動與上下重復振動，減少機構的慣性影響和提高分離效果。

設曲柄的最左邊的位置作為初始位置，搖桿（點）通過軸承鉸接在振動分離篩機構上，則點就是振動分離篩與搖桿的相交點，點的運動即是振動分離篩機構的運動，以為坐標原點，、為坐標軸，則點（即振動分離篩）的位移公式為