棗園殘枝粉碎裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

張洪洲，劉媛杰，王憲磊，李　勇，周　丹,蘇海飛，鄭　浩，肖豪杰

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

0　引言

我國(guó)新疆南部地區(qū)是紅棗的主產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)是以紅棗和棉花為主要種植作物的地區(qū)[1-3]，且紅棗主要是以傳統(tǒng)的種植、采收和修剪體系為主，為實(shí)現(xiàn)紅棗的高產(chǎn)和棗農(nóng)的增產(chǎn)增收做出了重要的貢獻(xiàn)。同時(shí)，也帶來(lái)了一些急需解決的問(wèn)題，如忽視資源與環(huán)境保護(hù)、殘枝焚燒造成資源浪費(fèi)環(huán)境污染、棗園土壤清理環(huán)節(jié)多及生產(chǎn)成本高等嚴(yán)重問(wèn)題[4-18]。

隨著大農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)南疆墾區(qū)內(nèi)矮化密植紅棗被大面積種植，紅棗的產(chǎn)量直線上升，紅棗的采收多采用機(jī)械化作業(yè)，這種采收方式節(jié)省了大量的勞動(dòng)力，且生產(chǎn)效率大大提高，但伴隨著紅棗的機(jī)械化采收，紅棗樹的殘枝量也大量增加[10-25]；另外，在春季棗農(nóng)要對(duì)棗樹進(jìn)行修枝，將不健康的樹枝剪掉，這樣就出現(xiàn)大量的殘枝；紅棗成熟后，棗樹葉自然脫落，這些枯葉和殘枝覆蓋于地表，不易降解，現(xiàn)今采用的就地焚燒方法效果不佳，不利于環(huán)境的保護(hù)，并且造成資源的浪費(fèi)[22-30]。因此，將棗園內(nèi)的殘枝和枯葉等殘留物粉碎還田是解決這一問(wèn)題的一條可持續(xù)發(fā)展的途徑。棗園殘枝粉碎機(jī)具的研究時(shí)間還很短，主要問(wèn)題是在棗園粉碎殘枝覆蓋地殘枝和枯葉數(shù)量比較大，容易出現(xiàn)機(jī)具的堵塞問(wèn)題，造成粉碎機(jī)的性能下降，致使粉碎性能不佳。

針對(duì)棗園殘枝粉碎機(jī)具易堵塞且我國(guó)現(xiàn)有的棗園殘枝枯葉粉碎機(jī)具無(wú)法用于矮化密植棗園的現(xiàn)狀，基于農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款棗園粉碎裝置，提出了殘枝收集與粉碎一體機(jī)構(gòu)的理論，解決了原有棗園殘枝粉碎裝置的問(wèn)題，降低了生產(chǎn)成本。經(jīng)過(guò)一系列的試驗(yàn)，該粉碎機(jī)具有較強(qiáng)的實(shí)用性，能夠?qū)崿F(xiàn)棗園殘枝和枯葉的粉碎還田，為矮化密植棗園的殘枝粉碎還田提供了一種新的機(jī)具。

1　棗園殘枝粉碎裝置的設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

1.1設(shè)計(jì)原理

針對(duì)棗園殘枝覆蓋量大、機(jī)具易堵塞等問(wèn)題，設(shè)計(jì)開發(fā)了棗園殘枝粉碎裝置。棗園殘枝粉碎裝置主要由殘枝收集部分、殘枝粉碎部分和調(diào)速部分組成，如圖1所示。具體結(jié)構(gòu)：裝有柴油機(jī)及轉(zhuǎn)向輪和動(dòng)力輪的機(jī)架，在機(jī)架的上端后部分裝有扶手，在機(jī)架前端底部分豎向并排間隔設(shè)置5塊楔形板，楔形板上方的機(jī)架前端橫向設(shè)置防護(hù)罩和殘枝收集輥，殘枝收集輥的中心軸上均勻分布輪片，殘枝收集輥的后方機(jī)架上裝有履帶輸送裝置，在履帶下方依次為料斗、粉碎機(jī)和出料口等，粉碎機(jī)、殘枝收集輥及動(dòng)力輪均由柴油機(jī)通過(guò)皮帶帶動(dòng)。

工作時(shí)，通過(guò)調(diào)速部分設(shè)定粉碎裝置的行走速度和粉碎轉(zhuǎn)速等參數(shù)；柴油機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)皮帶帶動(dòng)后輪行走，設(shè)備前行；楔形板將地表的殘枝鏟起，殘枝收集輥在柴油機(jī)的帶動(dòng)下逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，殘枝收集輪片將楔形板上的殘枝刮起，送至履帶，履帶將其送至料斗內(nèi)；粉碎機(jī)工作，將殘枝粉碎成細(xì)小碎片，碎片通過(guò)篩網(wǎng)和出料口還田；工人通過(guò)扶手實(shí)現(xiàn)粉碎裝置轉(zhuǎn)向。

1.防護(hù)罩　2.殘枝收集輥　3.楔形板　4.轉(zhuǎn)向輪　5.底殼　6.出料口　7.篩網(wǎng)　8.動(dòng)力輪 9.皮帶　10.柴油機(jī)　11.機(jī)架　12.扶手　13.調(diào)速控制器　14.料斗　15.中心軸及錘片　16.履帶輸送裝置

該裝置需要配備12kW及以上的柴油機(jī)使用。該裝置的主要技術(shù)參數(shù)如下:

外形尺寸/mm：2 100×1 000×900

收集幅寬/mm：1 000

收集深度/mm：0～50

作業(yè)速度/km·h-1：1.08～3.6

輥輪轉(zhuǎn)速/r·min-1：54～108

粉碎中心軸轉(zhuǎn)速/r·min-1：270～1 620

1.2殘枝收集部分

殘枝收集部分包含楔形板、防護(hù)罩和殘枝收集輥。在收集輥上等間隔安裝刮片，共4片。這樣避免了在旋轉(zhuǎn)時(shí)殘枝的阻塞，使輥軸受力較為均勻，動(dòng)力消耗小。殘枝收集輥結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　殘枝收集輥示意圖

1.3殘枝粉碎部分

殘肢粉碎部分包含料斗、中心軸及錘片、篩網(wǎng)和出料口。在粉碎機(jī)的中心軸上等間隔地安置刀片和錘片。粉碎中心軸結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3　粉碎中心軸示意圖

1.4調(diào)速部分

調(diào)速部分是以單片機(jī)為核心的調(diào)速控制器，主要由單片機(jī)、電瓶、電啟動(dòng)、發(fā)電機(jī)、電源變換電路、鍵盤、顯示屏、步進(jìn)電機(jī)及角速度傳感器等組成。調(diào)速部分系統(tǒng)框圖如圖4所示,系統(tǒng)軟件采用匯編語(yǔ)言編程流程圖如圖5所示。

圖4　調(diào)速部分系統(tǒng)框圖

圖5　調(diào)速部分系統(tǒng)軟件流程圖

2　田間試驗(yàn)與結(jié)果

2.1試驗(yàn)條件及依據(jù)

田間試驗(yàn)地點(diǎn)為新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)一師九團(tuán)13連。該地區(qū)大面積種植矮化密植紅棗。棗園春季修枝之后開始進(jìn)行殘枝粉碎還田試驗(yàn)。殘枝覆蓋量180kg/100m2。試驗(yàn)時(shí)，每次對(duì)100m2的試驗(yàn)田，以粉碎率為考核指標(biāo)，進(jìn)行粉碎試驗(yàn)，試驗(yàn)因素為作業(yè)速度U、輥輪轉(zhuǎn)速V和中心軸轉(zhuǎn)速W。3個(gè)參數(shù)的詳細(xì)指標(biāo)如表1所示。

2.2正交試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

進(jìn)行組合試驗(yàn)，每次試驗(yàn)以100m2的試驗(yàn)田為單位，將其地表上的殘枝粉碎還田，測(cè)定其粉碎率。將試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)依次填入正交表中，如表2所示。

表1　主要參數(shù)指標(biāo)

表2　正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

續(xù)表2

由表2可以看出：當(dāng)作業(yè)速度為1.5km/h、輥輪速度為108r/min、中心軸速度為1 450r/min時(shí)，粉碎效果最佳。

3　結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的棗園殘枝粉碎裝置的有效性，為棗園的清田整地及殘肢枯葉粉碎還田工作提供了參考。

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