自走式紅棗撿拾機的設(shè)計與試驗

孫鳴儀，馬少輝

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

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自走式紅棗撿拾機的設(shè)計與試驗

孫鳴儀，馬少輝

(塔里木大學(xué) 機械電氣化工程學(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，機械化收獲作業(yè)水平有待于提高。為解決這一問題，設(shè)計了一種基于氣力原理的自走式紅棗撿拾機，并闡明了整機結(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，以新疆地區(qū)矮化密植種植模式的棗樹所結(jié)紅棗為試驗對象進行了樣機性能及作業(yè)效率試驗。試驗結(jié)果表明：風(fēng)機最佳工作轉(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；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)致強度大、生產(chǎn)率低、經(jīng)濟成本高。因此，紅棗的機械化采收作業(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。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產(chǎn)生相交，給機械化收獲作業(yè)帶來一定困難。為此，針對這種種植模式的特點，設(shè)計了一種自走式紅棗撿拾機，主要對落地后的紅棗進行撿拾采收。

1整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1整機結(jié)構(gòu)

本紅棗撿拾機是針對矮化密植的種植模式，采用氣力吸取方法進行收獲的一種自走式紅棗撿拾機。其主要由動力裝置、行走裝置、機架、風(fēng)機、除雜室、分離室和吸管等部件組成，如圖1所示。其中，機架與行走裝置相連接，動力裝置采用小型單缸柴油機，動力通過帶傳送方式傳遞至風(fēng)機；風(fēng)機安裝于上方的機架上，風(fēng)機進氣口與分離室相連，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。吸管位于整機行走方向前端，一端與分離室相連。整機寬約1m，長2.7m。

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

1.2工作原理

本紅棗撿拾機主要是在棗樹行間行走并進行撿拾作業(yè)，動力由柴油機提供并經(jīng)分配后分別傳送至行走裝置和風(fēng)機[6]。風(fēng)機工作時，轉(zhuǎn)子葉片擾動空氣產(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入分離室時，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傳動系統(tǒng)

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

1.柴油發(fā)動機　2.變速箱　3.分動箱　4.離合器

2關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1風(fēng)機的選型

風(fēng)機為紅棗撿拾機作業(yè)提供負(fù)壓氣流，其性能直接決定紅棗撿拾機的工作穩(wěn)定性和耗能大小。根據(jù)拜格諾(Bagnold)流體力學(xué)理論，流體起動時，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)驗系數(shù)，一般近似于一個常數(shù)，這里取1.5；

dmax—新疆紅棗直徑最大值。

經(jīng)計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)氣體一維定常流動的基本方程可得沿流動方向任意兩個截面間的參數(shù)關(guān)系為

(2)

式中P1—截面1處的壓強；

P2—截面2處的壓強；

ρ1—截面1處的氣體密度；

ρ2—截面2處的氣體密度；

K—氣體的絕熱指數(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)機手冊，同時結(jié)合紅棗撿拾機機身在田間應(yīng)用所受尺寸限制條件，故選用4-79-3.5型風(fēng)機，該機型額定工作轉(zhuǎn)速為2 900r/min，功率為3kW[8]。

2.2除雜室的設(shè)計

紅棗撿拾機作業(yè)時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，因此需要對所吸起的紅棗進行除雜。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

紅棗撿拾機工作時，紅棗及雜物由吸管口吸入，并在進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，進而沿篩面滑下，在滑下的過程中，實現(xiàn)篩雜作業(yè)。第1道斜面篩下方是雜物暫存室，用來暫時存放分離出的雜物；其外側(cè)有一出口，出口上安裝有一個控制門，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道斜面篩進行二次除雜作業(yè)。經(jīng)試驗測試，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

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行分離，以保證紅棗及其附帶的枝葉等雜物能夠順利進入除雜室，并使得進入風(fēng)機中的氣流保持純凈，不混入雜物，避免傷及風(fēng)機轉(zhuǎn)子葉片；同時還要保證在分離時的撞擊力符合要求，避免作業(yè)時由于撞擊對紅棗產(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，改變氣流抵達濾物網(wǎng)時的速度，進而可以調(diào)整紅棗與濾物網(wǎng)碰撞時所受撞擊力的大小，從而得出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下撞擊對紅棗造成的損傷。為了確定最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，對各影響因素進行試驗研究。試驗時分離室采取可調(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，研究各參數(shù)對紅棗損傷率的影響，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，考察各因素間的交互作用，試驗指標(biāo)為紅棗的破損率。其中，破損率的計算公式為

破損率

試驗采用未經(jīng)人工揀選過的紅棗進行試驗，試驗時風(fēng)機轉(zhuǎn)速保持在2 800r/min,試驗結(jié)果如表2所示。將所得的數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果如表3所示。

表2　正交試驗方案和試驗數(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個分量，即A1×B和A2×B。

表3　實驗數(shù)據(jù)方差分析表

3田間試驗

2014年11月，本自走式紅棗撿拾機在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)一師阿拉爾墾區(qū)進行了田間試驗。試驗對象為該地區(qū)矮化密植棗園所種植的新疆駿棗。試驗樣本的樹齡為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)紅棗果實大而飽滿。試驗共進行3次，每次作業(yè)1h。3次田間試驗分別調(diào)整自走式紅棗撿拾機的風(fēng)機轉(zhuǎn)速至2 700r/min，2 800r/min和2 900r/min。試驗對紅棗撿拾機拾凈率、除雜率、破損率、生產(chǎn)率等性能指標(biāo)進行統(tǒng)計和分析。采收作業(yè)的試驗結(jié)果如表4所示。

表4　自走式紅棗撿拾機田間試驗結(jié)果

4結(jié)論

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

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

3)本紅棗撿拾機在工作時由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)機轉(zhuǎn)速在2 800r/min時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) 對于平均含水率在60%以下的紅棗，當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速在2 900r/min時，拾凈率在95%以上。

參考文獻：

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

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[8]續(xù)魁昌,王洪強,蓋京方,等.風(fēng)機手冊(2版) [K].北京:機械工業(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：1003-188X(2016)05-0143-05

中圖分類號：S225.93

文獻標(biāo)識碼：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。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51265049)

收稿日期：2015-04-22