杜許懷，韓長杰，沈俊杰，刁宏偉，宋東良，張書祥

(1. 新疆農業(yè)大學機電工程學院，烏魯木齊市，830052；2. 瑪納斯祥和農業(yè)機械有限公司，新疆昌吉，832200)

0 引言

紅棗在新疆種植歷史悠久，特別是南疆有得天獨厚的紅棗種植條件，其作為新疆特色經濟林果，經濟價值很高[1-3]。目前，紅棗收獲過程中，大多數農民依舊采用人工撿拾方式，機械化作業(yè)程度偏低，勞動強度大，隨著雇傭人工成本增加，紅棗收獲成本也在增加，且人工收獲工序繁瑣，效率低下。因此，紅棗收獲機械的研究對我國新疆紅棗產業(yè)的發(fā)展意義重大[4-5]。

現階段，紅棗收獲機械從原理上大體分為騎跨式、搖振式、氣吸式、清掃撿拾式等。騎跨式以石河子大學付威課題組研制的4ZZ-4自走式紅棗收獲機為主，收獲紅棗時，依次完成搖果、集果、輸送及清雜作業(yè)[6-9]，機具高大，結構復雜，制作成本高，主要針對矮化密植標準化棗園；搖振式以新疆農墾科學院湯智輝等研制的一款4YS-24型紅棗收獲機為例，采用拖拉機提供動力，一般多適應于粗壯、高大、行間距寬的果園[10-12]；氣吸式有新疆農業(yè)大學張學軍教授設計的氣吸式落地紅棗撿拾機，采用發(fā)動機為風機提供動力，為蓄電池提供電力，蓄電池為行走、閉風器、分選裝置提供工作動力[7， 13]，但蓄電池數量有限，行走動力不足，翻越田埂較為困難；清掃撿拾式多以氣吸撿拾或機械撿拾配合使用，如新疆農業(yè)大學韓長杰教授與新疆新研牧神科技有限公司合作發(fā)明的紅棗收獲機為清掃與氣吸方式結合的機具[5， 14]，機具整體結構較大，適合應用在行間距較寬，棗樹較為高大的老式果園。

本機具主要針對新疆矮化密植果園設計，在保證機具動力充足情況下，也要保證其在矮化密植果園的通過性，機具整體尺寸不能太大；收獲作業(yè)中，本機具針對收獲期落地紅棗撿拾、除雜、清選環(huán)節(jié)進行替代，本著節(jié)省人工投入、降低勞作強度、提高作業(yè)效率、縮短收獲周期的目的，從而節(jié)省收獲成本；本機具采用氣吸撿拾方式，通過對紅棗在氣流中的受力情況和運動分析，結合沉降理論分析，對主要工作部件氣吸室提供設計理論基礎數據。

1 機具整體結構及工作原理

1.1 機具整體結構

本機具如圖1所示，主要由發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、風機、氣吸室、翻草器、卸料閉風器、氣吸管道、機具底盤、抖動篩網、收集箱、排雜閉風器等部分組成。機具動力主要由發(fā)動機提供，經傳動系統(tǒng)將動力分配至各工作機構。首先經帶傳動將發(fā)動機轉速提速以帶動風機工作，再經過多級傳動減速，根據機構需求將動力傳入各執(zhí)行部件。

圖1 整機結構示意圖

1.2 機具工作原理

本機具采用間接性工作模式，利用氣吸管道的收縮性，保證作業(yè)半徑，氣吸管道采用可伸縮彎曲的螺紋管，管道伸長至極限作業(yè)半徑時，再開動機具向前行進，停止到一個合適位置，進行作業(yè)。作業(yè)時，先通過對收獲期落地紅棗進行吹聚集條，再利用本機具進行撿拾；通過風機形成負壓條件，提供吸力，進行吸拾，紅棗及相關雜物一起進入管道，在氣流帶動下運動至氣吸室，氣吸室型腔的形狀變化使氣流產生渦旋，加快物料沉降；結合翻草器轉動，將隨氣流吸附在其型體面上的輕質雜物翻轉至后方，在氣流與自身重力作用下沉降至排雜閉風器內，通過閉風器的旋轉，排出機具；重一些的雜物會隨紅棗一起沉降至卸料閉風器，隨閉風器的旋轉，掉落到抖動篩網上進行二次除雜；抖動篩網采用活動安裝方式，隨著機具的自身振動產生抖動，使小于紅棗小徑的雜物從空隙間漏掉，紅棗隨抖動篩網滾落至收集箱中。

2 紅棗在氣流中的運動分析

2.1 紅棗懸浮速度計算

氣固兩相流中，氣力輸送顆粒形狀對懸浮速度有較大的影響，球形顆粒的懸浮速度最大，將不規(guī)則的紅棗換算為當量球體，以當量球體直徑作為不規(guī)則形狀物料的粒徑進行修正計算[15-17]，由此可得

(1)

式中：de——紅棗當量直徑，m；

V——紅棗體積，m3；

M——單粒紅棗質量，kg；

ρs——紅棗密度，kg/m3。

在相同管道及同一介質中，由浮重與流體動力相平衡，對于不規(guī)則橢圓體的紅棗可得

(2)

式中：ρ——氣流密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

R1——紅棗實際所受流體阻力，N；

C1——紅棗阻力系數；

a1——紅棗加速度，m/s2；

v″20——紅棗懸浮速度，kg/m3。

對于當量球體

(3)

式中：R——紅棗當量球體所受流體阻力，N；

C——紅棗當量球體阻力系數；

as——紅棗當量球體加速度，m/s2；

v′20——紅棗當量球體懸浮速度，kg/m3。

因為紅棗與當量球體浮重相等，所以當二者處于懸浮狀態(tài)時，其流體動力大小相等，可得

C1a1v″20=Casv′20

(4)

通常情況下，將a1、as做近似相等處理，故不規(guī)則的紅棗懸浮速度

(5)

式中：Ks——形狀系數；

D——吸送管道直徑，m。

由于紅棗形狀類似于一個橢球體，參考實驗數據，近似取形狀系數Ks為1.06，根據氣力輸送原理，紅棗當量直徑較大，先假設其當量直徑處于壓差阻力區(qū)，即牛頓區(qū)，其雷諾數Re在500～2×105之間，阻力系數C取0.44[17-18]，所以紅棗懸浮速度的計算公式簡化為

(6)

通過隨機取樣方法，測定樣本紅棗的質量和體積，取二者最大值12.16 g、14.33 cm3為計算參數，再通過計算得出紅棗密度為848.57 kg/m3，利用式(1)計算其當量直徑為29.15 mm，利用式(6)計算得紅棗最大平均懸浮速度為23.25 m/s。

根據壓差阻力區(qū)雷諾數Re區(qū)間及適用粒徑范圍，對紅棗懸浮速度計算的可靠性進行驗證，雷諾數

(7)

式中：μ——為空氣動力黏度，N·s/m2。

適用粒徑范圍判斷條件

(8)

式中：ds——粒徑大小，mm；

ρm——紅棗密實密度，kg/m3。

驗證計算過程中，氣流密度ρ取溫度20 ℃時空氣密度1.2 kg/m3，空氣動力黏度μ為18.2×10-6N·s/m2，紅棗密實密度測量結果為488.43 kg/m3。通過計算，得Re值為4.47×104，在壓差阻力區(qū)雷諾數區(qū)間之內，適用粒徑范圍為1.79～96.64 mm，紅棗當量直徑在該范圍之內，所以懸浮速度計算較為可靠。

2.2 紅棗在輸送過程中的受力

為探究物料在吸送過程中的運動狀態(tài)，首先對其在氣流中的受力進行分析，分析時將物料形狀換算為球體顆粒，以顆粒當量直徑dp進行計算。顆粒在氣流中運動時主要會受到以下幾種力，如運動時的阻力、重力、浮力、離心力、壓力梯度力，顆粒在輸送管道中運動狀態(tài)是這些力共同作用的結果[4， 18]，所以了解顆粒在氣流力場中受力情況非常有必要。

2.2.1 阻力

顆粒在氣流中運動，首先受到氣流阻力Fd的作用，由牛頓阻力定律得

(9)

式中：C——阻力系數，取0.44；

ρa——空氣密度，kg/m3；

dp——顆粒當量直徑，m；

u——顆粒與氣流相對速度，m/s。

2.2.2 重力和浮力

設顆粒在靜止氣流中自由下落，其重力Fg與浮力Fb計算公式如式(10)。

(10)

2.2.3 離心力

當顆粒在彎曲管道中運動時，其還受到離心力作用，離心力

(11)

式中：ut——紅棗圓周速度，m/s；

r——紅棗圓周運動中瞬時半徑，m。

2.2.4 壓力梯度力

壓力梯度力Fp的計算步驟較為復雜，其計算的偏微分方程如式(12)所示，計算時可簡化偏微分，計算兩間壓力差值與位移之比即可。

(12)

式中：Vp——顆粒體積，m3；

rp——顆粒當量半徑，m；

p——壓力分布，Pa；

x——壓力分布位移，m。

2.2.5 吸送管道中紅棗受力及運動分析

本機具氣吸管道可彎曲、伸縮，在工作中呈傾斜、垂直、水平、彎曲四個狀態(tài)，每個狀態(tài)中紅棗受力各不相同，如圖2所示，為紅棗在不同氣吸管道狀態(tài)下受力示意圖。

紅棗在管道內輸送時，在不考慮其自身旋轉運動的理想環(huán)境下，將單顆紅棗視為一個球體，對其在不同管道狀態(tài)下進行主要受力分析。如圖2(a)所示，紅棗在傾斜管道中主要受到浮重Ws和氣流阻力Fd作用。浮重Ws為重力Fg與浮力Fb差值，氣流阻力Fd是提供紅棗向氣流方向運動的氣動推力；由于氣流在管道中流動時，中心速度比邊緣速度高，故管道中心壓強小于邊緣壓強，形成壓力差，紅棗在偏離管道中心位置時，會受到指向中心的壓力梯度力Fp作用，風力足夠大時，紅棗會集中在管道中部風力小時，紅棗會在管道中心偏下方區(qū)域運動。紅棗在水平管道中，如圖2(b)所示，其在氣流阻力Fd作用下，向氣流方向運動，風力足夠大時，在重力Fg與壓力梯度力Fp的作用下有上下波動趨勢，但在風力較小時，紅棗會在管道底部向風速方向運動。在豎直管道中，如圖2(c)所示，當氣流阻力Fd大于浮重Ws時，紅棗向上運動，壓力梯度力Fp會使紅棗左右擺動，如果管道無限長，風力足夠大時，紅棗會從靜止做加速運動，直至氣流阻力Fd與其浮重Ws相等，加速度為零，做勻速運動。在管道彎折處，如圖2(d)所示，紅棗主要受到浮重Ws、氣流阻力Fd、離心力Fc作用，氣流阻力Fd越大，紅棗速度越大，離心力也越大，紅棗被甩向管壁外側，但管道內側氣流速度較外側大，所以紅棗時刻受到向里的壓力梯度力Fp，風力大時，紅棗靠管道外側做曲線運動，風力小時，則靠管道內側運動。

(a) 傾斜狀態(tài) (b) 水平狀態(tài) (c) 垂直狀態(tài) (d) 彎曲狀態(tài)

由于紅棗在氣流運動中也服從牛頓第二定律，所以建立其運動方程，即

Mpap=∑F

(13)

式中：Mp——紅棗質量，kg；

ap——紅棗加速度，m/s2；

∑F——紅棗所受各力在運動方向上的代數和，N。

機具工作時，紅棗在整個吸送過程中，由速度為零被氣流吸入氣吸室，其有一個加速過程，將工作過程簡化為紅棗在氣流作用下，從地面被提高至1.2 m高的地方，以圖2(c)受力分析為基礎，不考慮壓力梯度力Fp的影響進行計算。利用式(9)、式(10)、式(13)，結合勻加速直線運動規(guī)律，計算得出一顆質量為10 g、當量直徑為29.15 mm的紅棗，在風速為35 m/s的管道內被吸至1.2 m高的位置，其大約需要時間0.33 s，最終速度約為7.27 m/s。紅棗實際向上運動屬于變加速運動，未達到勻速階段，在計算時，以其最大加速度計算，作勻加速運動處理，所以紅棗最終進入氣吸室的速度小于7.27 m/s。

2.3 紅棗沉降分析

雜物分離階段可分為一次雜物分離和二次雜物分離，一次雜物分離針對輕質細長雜物，如樹葉、棗吊、雜草、枯枝等，以及一些細小顆粒雜物，如灰塵、小土塊等；二次雜物分離主要針對質量較大雜物，如大土塊、石子等；兩次雜物分離目的均是將物料中的雜物與紅棗分離，達到除雜效果。

一次雜物分離主要利用物料質量、形狀、懸浮特性等差異，通過氣吸室型腔變化引起壓力損失，增加湍流現象，以及分離裝置輔助作用，來實現將主要雜物與紅棗分離開的效果。整個過程中，物料的運動處于混沌狀態(tài)，但大部分物料運動的趨勢符合重力沉降理論，以下公式是對顆粒理想重力沉降過程進行陳述，如圖3所示，為顆粒理想重力沉降過程示意圖。

圖3 顆粒理想重力沉降過程及受力示意圖

物料顆粒在沉降時，主要受自身重力、浮力、沉降阻力作用[19]，重力方向豎直向下，浮力與沉降阻力方向豎直向上，重力與浮力計算可參考式(10)，沉降阻力

(14)

式中：v0——顆粒進入氣吸室的水平速度，m/s。

由紅棗運動方程(13)結合受力分析，將式(10)、式(14)代入，可得

(15)

式中：mp——顆粒質量，kg。

顆粒沉降速度ut可由式(16)求得，其為顆粒在風場中最終處于勻速段的速度，機具設計計算時，將紅棗視為勻速沉降，以此沉降速度公式計算，增大設計參數余量，保證機具工作性能。

(16)

粒徑大小決定顆粒在沉降中是否受到黏度的影響，紅棗粒徑較大，黏度影響可以忽略不計，認為其處于牛頓區(qū)確定阻力系數，阻力系數C取0.44，最終可得沉降速度

(17)

紅棗的沉降，發(fā)生在氣吸室，對紅棗沉降速度的計算，盡量取較小體積、質量的紅棗計算當量直徑作為粒子直徑，此處取整為18 mm，空氣密度ρa取25 ℃時的空氣密度為1.293 kg/m3，顆粒密度ρs取紅棗平均密度為326.27 kg/m3，計算結果為3.7 m/s。

當顆粒隨氣流從吸送管道進入沉降室(本機具氣吸室一次雜物分離區(qū))時，由氣流所流過長度L可計算出顆粒沉降時間，再由沉降時間及沉降速度可得出沉降高度，以此來確定氣吸室相關尺寸，計算公式如式(18)所示。

(18)

式中：Vep——沉降室體積，m3；

Vg——混合氣體的體積流量，m3/s；

v——顆粒水平運動速度，m/s；

H——沉降的高度，m；

B——沉降室的寬度，m；

t——氣流流過沉降室長度時間，s；

ts——顆粒在沉降高度沉落所用時間，s。

顆粒沉降時，應滿足t>ts，所以沉降室尺寸設計時，沉降室長度L與高度H應滿足式(19)。

(19)

參考紅棗在氣吸室入口處理論計算速度7.27 m/s和紅棗沉降速度計算值3.7 m/s，將顆粒水平運動速度v取整為8 m/s，將顆粒沉降速度ut取整為4 m/s，根據實際情況，將氣吸室入口高度定位0.3 m時，即沉降室高度H為0.3 m，可得沉降室長度L應大于0.6 m，即本機具氣吸室長度應大于0.6 m。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

試驗在新疆喀什地區(qū)巴楚縣四十八團六連果園進行。果園采用矮化密植模式種植，紅棗品種為灰棗，果園地面相對平整，行距在5.2 m左右，株距在1.5 m左右，棗樹高約2.5 m左右，樹冠間距多處于1.2 m左右，大部分棗吊、樹葉干枯，田間土塊較少，石塊極少。

試驗儀器及條件：風速儀、轉速儀、卷尺(0～5 m)、電子秤(0～50 kg)、秒表、配套鏈輪組、鏈條、拆裝工具套裝。需兩名熟悉機具并能熟練操作人員，試驗中人員固定，不再換人。

3.2 評價指標與方法

該落地紅棗收獲機主要針對成熟期落地紅棗的除雜、撿拾任務進行作業(yè)，所以將含雜率、拾凈率作為評價指標來衡量機具作業(yè)效果。

試驗前需人工以擊打、搖晃等方式將樹上未落的紅棗打落至地面，再利用小型背負式吹風機或專用清掃機具將落地紅棗吹聚堆疊成一定厚度的長條[20]。試驗時選取土地平整情況接近，行間距相同的棗地，取6 m為一組試驗，每2 m取一次試驗結果，以3次試驗結果平均值作為指標值。各指標計算方式如式(20)所示。

(20)

式中：Q1——含雜率，%；

Q2——拾凈率，%；

M0——每次試驗區(qū)域內機具所撿拾的含雜紅棗質量，kg；

M1——每次試驗區(qū)域內機具所撿拾的雜物質量，kg；

M2——每次試驗區(qū)域內機具未撿拾干凈的紅棗質量，kg。

3.3 試驗因素水平

為驗證機具作業(yè)效果，根據氣力輸送原理，通常輸送氣流速度為物料懸浮速度的1.5倍[17]，吸口風速對機具性能的影響是必然的，將吸口風速調節(jié)為32 m/s、35 m/s、38 m/s三個水平，即紅棗最大計算懸浮速度的1.5倍，再上下浮動10%，取整后的結果；翻草器的主要作用是清理輕質雜物使氣道保持常通，同時阻絕紅棗使其沉降，其轉速過高會增加風阻、損傷紅棗，過低又起不到清理氣道的作用，通過前期試驗驗證，其轉速達到200 r/min以上時對機具性能影響明顯，由于機具傳動空間限制，最高可提速至430 r/min左右，考慮到傳動的經濟性，故通過更換鏈輪的方式將碎草器轉速控制在200 r/min、300 r/min、400 r/min左右進行試驗；根據氣力輸送原理，固氣混合比對物料輸送性能有較強的影響，固氣混合比越高，越有利于提高輸送能力，當其值大時，表示輸送空氣量較小，功率消耗也小，所以試驗時，通過規(guī)范紅棗堆疊厚度，使吸送過程中能保持相對穩(wěn)定的固氣混合比，在其他影響因素相對恒定時，機具性能才能有相對穩(wěn)定的工作效果，結合農戶收獲習慣，將棗堆厚度規(guī)范化為5 cm、10 cm、15 cm左右，因素水平表如表1所示。

表1 試驗因素和水平Tab. 1 Factors and levels of test

3.4 試驗結果及極差分析

為驗證機具性能，根據影響因素，采用三因素三水平正交試驗，試驗結果與極差分析如表2所示。

表2 正交試驗結果與極差分析Tab. 2 Orthogonal experiment results and range analysis

由極差分析結果可知，兩評價指標的誤差列極差均小于其他影響因素，表明試驗結果不是由誤差引起。由表2可得，含雜率在1.98%～3.56%，拾凈率在94.72%～98.82%；各因素對含雜率的影響主次順序為：A>B>C，較優(yōu)組合為：A2B2C3；各因素對拾凈率的影響主次順序為：A>B>C較優(yōu)組合為：A2B2C2。由正交多指標試驗綜合平衡法，考慮到紅棗在農戶售賣后，還需二次加工才能出售到市場，一般要經過清洗、分級等工序，所以相對于指標拾凈率，指標含雜率重要性較低，且影響主次順序相同，所以選A2B2C2作為最優(yōu)組合，即吸口風速為35 m/s；翻草器轉速為300 r/min；棗堆厚度為10 cm。

借助SPSS20.0數據分析軟件對本試驗結果進行方差分析，對評價指標的顯著性進一步探究，結果如表3所示。

表3 方差分析Tab. 3 Variance analysis

由以上分析結果可得，就指標含雜率而言，因素吸口風速對其影響極顯著，翻草器轉速、棗堆厚度對其影響只是顯著，對于拾凈率吸口風速、翻草器轉速對其影響均極顯著，棗堆厚度對其影響較顯著。

結合機具工作特點和極差分析結果，分析可見，吸口風速較小時，雜物在管道中運動速度較低，易形成堆積，負壓條件產生躍遷變化，導致除雜效果降低，紅棗也會摻雜其中，被翻草器翻轉至后方，從排雜口排出，因此，拾凈率降低；反之，吸口風速過大，質量較重，且體積較紅棗相當的土塊、石塊又被帶入到管道中，這些雜質無法被氣流帶入排雜閉風器，也無法被篩網除去，造成含雜率上升，部分相對較輕的紅棗會在氣流與翻草器作用下從排雜口排出，拾凈率也會降低。

翻草器轉速較小時，對氣道內輕質雜物不能及時翻轉至后方，導致氣道內雜物堆積，部分長細雜物會掉落到排棗閉風器內，在抖動篩網無法篩選的情況下，含雜率會增高，雜物堆積過程中負壓條件隨之變化，產生足夠吸力時紅棗也會被夾雜其中，和雜物一起被排出，拾凈率降低；反之，其旋轉速度過快，其雜物與表面摩擦系數減小，部分雜物會受到自身重力作用也會掉落至排棗閉風器內，也會增加含雜率，部分雜物隨著形狀、密度的差異，也可能緩慢向下移動或達到受力平衡懸停在翻草器前，形成堆積。同理，雜物積累到一定程度，形成堵塞，負壓條件變化，紅棗被裹挾至雜物中，隨雜物一起從排雜口排出，降低拾凈率。

對棗堆厚度的規(guī)范，主要是為了保證機具在其他因素相同的條件下能有相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)，本機具吸送管道為160 cm，固氣混合比隨棗堆厚度變化，棗堆厚度越大，固氣混合比越高。本試驗中隨棗堆厚度增大，含雜率明顯降低趨勢。拾凈率隨棗堆厚度增大而明顯增加，但當棗堆厚度接近15 cm時，拾凈率有較小的下降趨勢，說明固氣混合比過高時，機具分離雜物能力有降低趨勢，紅棗會被雜物裹挾，一起從排雜口排出，拾凈率因此提高。

4 結論

通過對紅棗質量、體積的測定，以測定結果為基礎，計算得出紅棗最大懸浮速度為23.25 m/s，確定設計輸送速度為35 m/s，并驗證紅棗處于壓差阻力區(qū)的適用粒徑范圍內，適用粒徑范圍計算結果為1.79～96.64 mm；紅棗運動理論分析結果顯示，紅棗吸拾過程中一直處于變加速運動，紅棗從地面被吸至氣吸室入口處高度時速度小于7.27 m/s；沉降理論分析結果得出氣吸室入口高度定位0.3 m時， 氣吸室長度應大于0.6 m。

試驗結果顯示，3個因素對衡量機具性能的2個指標均顯著或極顯著，影響因素及水平最優(yōu)組合為A2B2C2，即吸口風速為35 m/s；翻草器轉速為300 r/min；棗堆厚度為10 cm。試驗結果的顯著也說明了理論分析具有可靠性，其分析過程中的參數及系數的選擇有一定的價值。

就本機具試驗結果而言，機具工作性能可以滿足農戶需求，對含雜率、撿拾率影響最大的因素是吸口風速，說明風機所形成的負壓環(huán)境對機具工作性能作用較大，氣吸室與吸送管道的密封條件是負壓環(huán)境相對穩(wěn)定的保障，在機具制造過程中要極大程度上保證其密閉效果。

試驗分析所得出的最優(yōu)組合A2B2C2是相對于本機具在正交試驗結果下的較優(yōu)工作狀態(tài)，根據機具所選的單缸柴油發(fā)動機工作特點，輸出轉速有小范圍波動性變化，所以機具工作時所選影響因素的水平是一個波動變化的平均值，并非定值，試驗分析結果并非實際最優(yōu)結果，但試驗結果足以說明機具性能，對實際工作還是有一定的參考價值。