矮化密植紅棗收獲機(jī)撿拾裝置的設(shè)計(jì)

張亞歐，坎　雜，李成松，付　威，王麗紅，李琳琳

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000)

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矮化密植紅棗收獲機(jī)撿拾裝置的設(shè)計(jì)

張亞歐，坎雜，李成松，付威，王麗紅，李琳琳

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000)

摘要：針對紅棗人工撿拾勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、生產(chǎn)成本高等問題，設(shè)計(jì)了一種矮化密植紅棗收獲機(jī)撿拾裝置。該裝置與紅棗收獲機(jī)聯(lián)合作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)紅棗一次性撿拾收獲。為此，介紹了撿拾裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理，并對關(guān)鍵工作部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用復(fù)數(shù)矢量法對撿拾機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定了偏心輪、吊桿、連接桿等關(guān)鍵工作部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過對撿拾撥桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，獲得了工作過程中撥桿端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程，并確定了紅棗拋送初速度與偏心輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，為紅棗收獲機(jī)撿拾裝置的試驗(yàn)研究提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：紅棗；收獲機(jī)；撿拾；運(yùn)動(dòng)分析

0引言

新疆氣候干燥、光照時(shí)間長、晝夜溫差大等諸多天然優(yōu)勢，為紅棗生長提供了得天獨(dú)厚的條件[1]。截至2013年，新疆紅棗種植面積已達(dá)48.6萬hm2[2]。矮化密植紅棗由于產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益好，已經(jīng)成為紅棗種植的主要模式[3]。當(dāng)紅棗處于完熟期時(shí)，因其生物學(xué)特性會(huì)自然降落，尤其是受到風(fēng)、雨等自然條件影響，落棗率達(dá)到70%～80%。所以，在紅棗機(jī)械化采收作業(yè)時(shí)，先要對落地紅棗進(jìn)行撿拾作業(yè)。目前，新疆紅棗撿拾作業(yè)主要依賴人工，具有季節(jié)性強(qiáng)和勞動(dòng)密集的特點(diǎn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、作業(yè)成本高，且撿拾過程中易受到棗刺扎傷。因此，機(jī)械化撿拾是紅棗機(jī)械化采收作業(yè)的重要環(huán)節(jié)之一。

近年來，國內(nèi)外對林果撿拾技術(shù)進(jìn)行了探索性研究，主要分為氣力式(氣吸、氣吹)撿拾[4-5]和機(jī)械式撿拾[6-10]。氣力式撿拾存在功耗大、作業(yè)成本高等問題；機(jī)械式撿拾主要采用撿拾輥式和滾筒毛刷式，容易造成紅棗機(jī)械損傷，不能滿足紅棗機(jī)械化撿拾作業(yè)要求。為此，本文提出采用偏心式撿拾機(jī)構(gòu)進(jìn)行落地紅棗的撿拾作業(yè)，用鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)構(gòu)進(jìn)行紅棗的輸送和果雜分離作業(yè)，并對關(guān)鍵工作部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析，設(shè)計(jì)了一種與收獲機(jī)聯(lián)合作業(yè)的撿拾裝置，旨在為紅棗收獲機(jī)及紅棗撿拾技術(shù)的研究提供參考。

1設(shè)計(jì)方案與工作原理

1.1設(shè)計(jì)方案

為節(jié)省紅棗撿拾勞動(dòng)力、降低生產(chǎn)成本，采用撿拾裝置與收獲機(jī)聯(lián)合作業(yè)的方式完成紅棗一次性撿拾收獲。由于棗園地勢凹凸不平，紅棗掉落具有一定的隨機(jī)性，因而提出采用將紅棗從地面“鏟”起向后拋送的方式實(shí)現(xiàn)落地紅棗的撿拾收獲。

本文設(shè)計(jì)的紅棗撿拾裝置主要由機(jī)架、撿拾機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、行走輪、側(cè)面擋板和液壓馬達(dá)組成，如圖1所示。其中，輸送機(jī)構(gòu)安裝于撿拾機(jī)構(gòu)的上方且撿拾撥桿與輸送撥桿交錯(cuò)排列，撿拾裝置通過機(jī)架安裝于收獲機(jī)前端。

1.2工作原理

工作時(shí)，撿拾撥桿在撿拾機(jī)構(gòu)偏心輪的驅(qū)動(dòng)作用下，將落地紅棗“鏟”起，由于慣性作用紅棗隨著撥桿一起運(yùn)動(dòng)；當(dāng)運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)時(shí)，撥桿向下運(yùn)動(dòng)與紅棗脫離，紅棗以撥桿最高點(diǎn)時(shí)的切向速度為初速度向后做斜拋運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在輸送機(jī)構(gòu)的輔助作用下將紅棗輸送至收獲機(jī)輸送裝置，完成紅棗撿拾。

2主要結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)

2.1撿拾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

撿拾機(jī)構(gòu)是撿拾裝置的核心部件，其結(jié)構(gòu)形式直接影響機(jī)組的撿拾性能。根據(jù)紅棗的物理特性和撿拾作業(yè)要求，采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)將紅棗“鏟”起拋送的動(dòng)作。為確保裝置整體結(jié)構(gòu)的緊湊性和作業(yè)穩(wěn)定性，本文將曲柄設(shè)計(jì)成偏心輪的形式，曲柄的長度即為偏心輪的偏心距，通過偏心輪驅(qū)動(dòng)連接桿同時(shí)在吊桿的作用下帶動(dòng)撿拾撥桿將紅棗從地面鏟起后拋送。該撿拾機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)軸、機(jī)架、偏心輪、連接桿、吊桿、撥桿固定件、撿拾撥桿及液壓馬達(dá)組成，如圖2所示。

1.機(jī)架　2.撿拾機(jī)構(gòu)　3.輸送機(jī)構(gòu)　4.側(cè)面擋板

1.驅(qū)動(dòng)軸　2.機(jī)架　3.偏心輪　4.連接桿

2.1.1偏心輪的設(shè)計(jì)

偏心輪是撿拾機(jī)構(gòu)的核心部件，通過開有鍵槽的偏心孔與驅(qū)動(dòng)軸連接達(dá)到偏心轉(zhuǎn)動(dòng)的功能。作業(yè)時(shí)，應(yīng)確保其工作穩(wěn)定性與連續(xù)性。結(jié)合撿拾裝置的結(jié)構(gòu)要求，偏心輪的安裝方式如圖3所示。偏心輪通過鍵槽與驅(qū)動(dòng)軸連接，外部與圓柱滾子軸承過盈配合裝配，同時(shí)軸承兩端使用軸用擋圈鎖緊，防止偏心輪與軸承發(fā)生軸向竄動(dòng)；軸承外端通過偏心固定件與連接桿進(jìn)行螺栓連接。

1.驅(qū)動(dòng)軸　2.軸用擋圈　3.偏心輪

2.1.2撿拾撥桿的設(shè)計(jì)

撿拾撥桿是紅棗撿拾的主要執(zhí)行部件，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和強(qiáng)度直接影響紅棗撿拾的質(zhì)量。在將紅棗“鏟”起的過程中，撥桿除了受到土壤阻力，還受到偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊力。因此，撿拾撥桿的強(qiáng)度應(yīng)滿足下述條件，即

σ=M總/W<[σ]

(1)

式中σ—撿拾撥桿工作時(shí)的應(yīng)力；

M總—撿拾撥桿工作時(shí)所承受的總彎矩(主要由土壤阻力和偏心輪運(yùn)動(dòng)的沖擊力確定)；

W—抗彎截面模量；

[σ]—材料的許用應(yīng)力。

經(jīng)計(jì)算，撿拾撥桿的直徑為15mm，有效長度為750mm，材料為45鋼。通過焊接的方式固定在撿拾撥桿固定件上，并通過螺栓與連接桿連接。

2.1.3撿拾機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

依據(jù)田間調(diào)研，棗園(壟溝除外)中低洼和凸起之間的距離為45～60mm。為確保撿拾撥桿均能將低洼和凸起處的紅棗撿拾，應(yīng)使撿拾撥桿在豎直方向的運(yùn)動(dòng)幅值大于等于60mm。對偏心撿拾機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化，如圖4所示。由于撿拾撥桿與連接桿通過螺栓連接，故將其簡化為一根桿CE，偏心距簡化為曲柄AE，吊桿簡化為BD。以單個(gè)撿拾撥桿為研究對象，利用復(fù)數(shù)矢量法對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行求解。以偏心輪中心為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閥軸建立如圖4所示的坐標(biāo)系。其中，L1為偏心距，L2為連接桿長，L3為吊桿長，L4為吊桿與偏心輪的安裝距離，L5為撿拾撥桿有效桿長，θ1、θ2、θ3分別為L1、L2、L3與x軸的運(yùn)動(dòng)夾角。

圖4　偏心機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析示意圖

依據(jù)圖4，建立機(jī)構(gòu)封閉矢量方程為

(2)

將式(2)改寫并表示為復(fù)數(shù)矢量形式，即

L1eiθ1+L2eiθ2=L4+L3eiθ3

(3)

應(yīng)用歐拉公式eiθ=cosθ+isinθ，將式(3)中的實(shí)部與虛部分離，則

(4)

消去θ3，進(jìn)而對式(4)進(jìn)行化簡得

Asinθ2+Bcosθ2+C=0

(5)

其中，A=2L1L2sinθ1，B=2L2(L1cosθ1-L4)，C=L12+L22+L42-L32-2L1L4cosθ1。

解式(5)可得

(6)

由圖4可知，撿拾撥桿端點(diǎn)C的位移為

(7)

由式(6)和式(7)可知：yc是關(guān)于L1、L2、L3、L4、和L5的函數(shù)。依次對各影響因素進(jìn)行分析，確定相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

撿拾機(jī)構(gòu)各工作部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，撿拾撥桿的運(yùn)動(dòng)幅值也有所不同。利用作圖法[11]分析各影響因素對撥桿端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅值的影響，得知當(dāng)改變偏心距L1時(shí)撥桿端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅值變化較大。如圖5所示，A為偏心距為L1時(shí)撥桿端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，B為將L1減小時(shí)撥桿端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖5可知：隨著L1的減小，撥桿端點(diǎn)的最高點(diǎn)、最低點(diǎn)和最前點(diǎn)、最后點(diǎn)的幅值明顯變小。因此，偏心距L1為撥桿端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅值的重要影響因素，在求解過程中將其設(shè)為變量。

圖5　撿拾撥桿端點(diǎn)軌跡對比圖

依據(jù)裝置的整體結(jié)構(gòu)要求(作業(yè)幅寬=1 200mm，整體高度≤400mm)，確定連接桿長度L2=150mm，吊桿長L3=95mm，吊桿與偏心輪的安裝距離L4=163mm，撿拾撥桿有效桿長L5=750mm。

依據(jù)四桿機(jī)構(gòu)桿長條件[11]L1+L4≤L2+L3，初步確定0mm

2.2輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

輸送機(jī)構(gòu)是撿拾裝置的主要工作部件，主要起輸送紅棗的作用。在作業(yè)過程中，應(yīng)確保運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性與平穩(wěn)性。依據(jù)撿拾裝置的作業(yè)需求，本文采用鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)構(gòu)。其主要由帶單邊彎板滾子鏈、輸送撥桿、撥桿橡膠固定件及撥桿碳鋼固定件組成，如圖6所示。依據(jù)輸送機(jī)構(gòu)的作業(yè)需求，選擇08A帶單邊彎板滾子鏈，通過螺栓連接將輸送撥桿安裝于單側(cè)彎板上。其中，輸送撥桿采用橡膠固定件與碳鋼固定件通過螺栓連接的方式安裝，由于橡膠具有一定的彈性，可有效防止撥桿在運(yùn)動(dòng)的過程中出現(xiàn)松動(dòng)的現(xiàn)象。

2.3撥桿分布設(shè)計(jì)

撿拾撥桿與輸送撥桿的排列方式對撿拾裝置的作業(yè)性能具有一定的影響：撥桿越密集對果實(shí)的收集能力越強(qiáng)，但易造成雜草與土塊擁堵現(xiàn)象；撥桿稀疏有助于撿拾過程中土塊與雜草的去除，但易出現(xiàn)漏果現(xiàn)象。為將紅棗撿起的同時(shí)避免雜草、土塊擁堵的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了撿拾撥桿與輸送撥桿交錯(cuò)排列且相鄰撥桿間距均相等的結(jié)構(gòu)形式，如圖7所示。撿拾撥桿將紅棗撿起時(shí)較小的土塊及雜草從撿拾撥桿的間隙中去除，同時(shí)輸送撥桿通過與撿拾撥桿交錯(cuò)的間隙對紅棗進(jìn)行輸送。駿棗果實(shí)縱向直徑為35～41mm，橫向直徑為25～29mm；灰棗果實(shí)縱向直徑為30～36mm，橫向直徑為20～27mm[12]。因此，相鄰撥桿間距l(xiāng)為20mm，撥桿直徑為15mm，整體寬度L為1 200mm。

1.帶單邊彎板滾子鏈　2.輸送撥桿

1.撿拾撥桿　2.輸送撥桿

3撿拾撥桿運(yùn)動(dòng)分析

撿拾撥桿在偏心輪的驅(qū)動(dòng)作用下將紅棗以初速度v向后斜拋。因此，對撥桿運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，探尋偏心輪轉(zhuǎn)速與紅棗斜拋初速度的關(guān)系，為撿拾裝置的試驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。

由于每一個(gè)撿拾撥桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是相同的，選取一個(gè)撥桿進(jìn)行分析。在水平面內(nèi)，以偏心輪中心為原點(diǎn)，整機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向，對撥桿運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，如圖8所示。在撿拾運(yùn)動(dòng)中，假設(shè)紅棗與撥桿之間無相對滑動(dòng)，撿拾撥桿從位置1出發(fā)利用慣性原理將紅棗從地面撿起，此時(shí)紅棗受到自身重力G、撥桿支持力F及摩擦力f的作用；在慣性的作用下，紅棗隨著撥桿經(jīng)位置2運(yùn)動(dòng)至位置3時(shí)，撥桿向下運(yùn)動(dòng)與紅棗脫離，紅棗在重力的作用下以撥桿在位置3時(shí)的切向速度v為初速度向后做斜拋運(yùn)動(dòng)；進(jìn)而撥桿在偏心輪的驅(qū)動(dòng)作用下繼續(xù)向位置4運(yùn)動(dòng)。同理，隨著整機(jī)前進(jìn)撥桿再次以位置1為開始，位置3將紅棗拋出，以此類推。

作業(yè)時(shí)，撿拾撥桿端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為

(8)

式中xc—整機(jī)靜止時(shí)撥桿端點(diǎn)C水平方向位移(m)；

yc—整機(jī)靜止時(shí)撥桿端點(diǎn)C豎直方向位移(m)；

vm—整機(jī)作業(yè)速度(m/s)。

將式(7)代入式(8)中，則

(9)

其中，θ1=ωt，ω為偏心輪轉(zhuǎn)速；θ2是關(guān)于θ1的函數(shù)。對時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)，可知撥桿的運(yùn)動(dòng)速度為

(10)

圖8　撥桿運(yùn)動(dòng)分析示意圖

由圖8可知：當(dāng)撥桿運(yùn)動(dòng)至位置3時(shí)向下，紅棗與撥桿脫離并以速度v做斜拋運(yùn)動(dòng)。由于在運(yùn)動(dòng)過程中紅棗與撥桿無相對滑動(dòng)，此時(shí)v即為撥桿運(yùn)動(dòng)至位置3的瞬時(shí)速度。當(dāng)撥桿運(yùn)動(dòng)至位置3時(shí)，偏心輪轉(zhuǎn)過的角度為90°，即ωt=90°。作業(yè)時(shí)，整機(jī)前進(jìn)速度為0.3m/s，將L1=5mm、L2=150mm、L3=95mm、L4=163mm、L5=75mm代入式(10)，解得

(11)

由式(11)可知：紅棗水平運(yùn)動(dòng)方向與機(jī)組行進(jìn)方向相反，且紅棗在撥桿的作用下的拋送初速度與偏心輪轉(zhuǎn)速ω有關(guān)，ω越大，拋送初速度越大。

4結(jié)論

1)針對紅棗人工撿拾勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、生產(chǎn)成本高等問題，提出采用偏心式撿拾機(jī)構(gòu)進(jìn)行落地紅棗的撿拾作業(yè)，用鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)構(gòu)進(jìn)行紅棗的輸送和果雜分離作業(yè)，設(shè)計(jì)了一種與收獲機(jī)聯(lián)合作業(yè)的撿拾裝置，為紅棗收獲機(jī)及紅棗撿拾技術(shù)的研究提供了參考。

2)采用復(fù)數(shù)矢量法對偏心撿拾機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，確定偏心撿拾機(jī)構(gòu)偏心距為5mm、吊桿長95mm、連接桿150mm、偏心輪與吊桿的安裝距離為163mm。

3)對偏心撿拾機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行理論分析，獲得了撥桿端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并確定了拋送速度與偏心輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，為紅棗收獲機(jī)撿拾裝置的試驗(yàn)研究提供了理論基礎(chǔ)。

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Design of Dwarf and Close Planting Jujube Harvester Pickup Device

Zhang Yaou, Kan Za, Li Chengsong, Fu Wei, Wang Lihong, Li Linlin

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000,China)

Abstract：Dwarf and close planting jujube harvester pickup device was designed for the labor intensity and low efficiency of manual picking up. The joint operation of pickup device and harvester can both achieve jujube picking and harvesting one-time. Structure and working principle of pickup device were introduced, and key working parts were designed. Kinematics of pickup mechanism were analyzed using complex-number vector method, then structural parameters of eccentric, boom, connecting rods and other key working parts were determined. Motion equations of lever endpoint in the course of working were obtained by the motion analysis, and the relationship between throwing speed and eccentric rotational speed was determined, providing a theoretical basis for experimental study of jujube harvester pickup device.

Key words：jujube; harvester; picking up; motion analysis

文章編號：1003-188X(2016)04-0071-05

中圖分類號：S225.93

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：張亞歐(1988-)，女，河南柘城人，碩士研究生， (E-mail)zyo_shz@163.com。通訊作者：坎雜(1963-), 男, 新疆精河人,教授,博士生導(dǎo)師,(E-mail)kz-shz@163.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51365049)；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)重大科技項(xiàng)目(2013AA001-3)

收稿日期：2015-05-20