氣吸式落地紅棗撿拾機(jī)的設(shè)計(jì)

張學(xué)軍，白圣賀，靳偉，袁盼盼，于蒙杰，鄢金山,2，張朝書

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052； 3.阿拉爾市天典農(nóng)機(jī)制造有限責(zé)任公司，新疆 阿拉爾 843300)

目前，新疆紅棗種植面積已突破50 萬hm2大關(guān)，年產(chǎn)量達(dá)到320萬t占到全國總產(chǎn)量的50%以上，新疆是我國優(yōu)質(zhì)紅棗種植的生產(chǎn)區(qū)，為提高產(chǎn)能紅棗種植普遍采用矮化密植模式[1-5].針對矮化密植模式的特點(diǎn)和機(jī)械化采收紅棗的迫切需求，需要研制適合于南疆棗園種植模式的紅棗收獲機(jī)械，有助于解決南疆乃至全國紅棗機(jī)械化采收作業(yè)的難題[6-8].對降低棗農(nóng)的種植成本，提高棗農(nóng)種植效益，促進(jìn)南疆紅棗產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有重要意義.

2003年，韓國忠南國立大學(xué)的Lee等通過研究紅棗的物理力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了1種全液壓自走式紅棗收獲機(jī)，采收率能達(dá)到95.8%[9-10]；2008年，湯智輝等運(yùn)用液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)方式，研制出中國第一臺4YS-24紅棗收獲機(jī)械[11-12]；石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院付威課題組采用撥桿方式，研制了1臺4ZZ-4自走式紅棗收獲機(jī)[13-14]，具有可持續(xù)性強(qiáng)、收獲效率較高等優(yōu)點(diǎn)；北京意美德通科技公司研制出1臺YE3600A型手推式紅棗收獲機(jī)[15]，采用氣吸式吸起紅棗，該機(jī)靈活輕便.針對上述機(jī)型，由于機(jī)型比較大適用于行間距比較大的果樹種植模式，還存在傷棗嚴(yán)重、撿拾效果不顯著以及含雜量較多等問題，因此現(xiàn)在迫切需求研制一種小型紅棗收獲機(jī)械，降低傷棗率和含雜率，提高機(jī)器的工作性能.

1 氣吸式落地紅棗撿拾機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

該機(jī)由閉風(fēng)器、柴油機(jī)、行走系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、分選裝置、吸氣室、傳動(dòng)系統(tǒng)、直流電機(jī)以及蓄電池等主要部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示.機(jī)器的行走動(dòng)力由蓄電池直接提供，柴油機(jī)作為風(fēng)機(jī)的動(dòng)力源，而閉風(fēng)器的動(dòng)力直接由直流電機(jī)提供.在工作過程中，紅棗撿拾機(jī)采用電動(dòng)的方式行駛在棗園行間，風(fēng)機(jī)的動(dòng)力由柴油機(jī)提供，通過風(fēng)管與吸氣室連接，轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動(dòng)使空氣在流場中形成壓力差，致使吸氣室形成負(fù)壓，故將散落在地面上的紅棗混合物吸起.在負(fù)壓的作用下，分選裝置利用纏繞作用將混合物排到集雜室里，而紅棗則被分選裝置和阻擋片阻擋在吸氣室里，靠自身重力落入到閉風(fēng)器中，通過閉風(fēng)器旋轉(zhuǎn)排出到棗箱中，實(shí)現(xiàn)紅棗撿拾工作.

1：吸氣管；2：風(fēng)機(jī)；3：吸氣室；4：分選裝置；5：直流電機(jī)；6：閉風(fēng)器；7：推動(dòng)把手；8：篩條；9：機(jī)架；10：蓄電池；11：地輪；12：電動(dòng)系統(tǒng)；13：柴油機(jī).1：suction tube；2：fan；3：suction chamber；4：separation unit；5：DC motor；6：air cooler；7：push handle；8：screen rod；9：frame；10：battery；11：ground wheel；12：electric system；13：diesel engine.圖1 氣吸式落地紅棗撿拾機(jī)整體結(jié)構(gòu)Figure 1 Air suction type jujube picking machine overall structure

1.2 各階段過程工作分析

根據(jù)吸送式氣力輸送原理，將吸氣室劃分為吸棗區(qū)、分離區(qū)、排棗區(qū)3個(gè)區(qū)域，如圖2所示.在工作過程中，風(fēng)機(jī)做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生空氣流場形成壓力梯度，而吸氣室為等勢流場，內(nèi)部的各部分壓力相等.在等勢流場中，由伯努利方程可知整個(gè)流場壓力處處相等[15-17].

1.2.1 吸起紅棗過程分析 在吸起紅棗的過程中，其根本就是受力平衡的問題，紅棗受到重力、吸引力以及空氣阻力3個(gè)力的作用，受力分析如圖3所示.

圖2 吸氣室工作區(qū)域劃分Figure 2 Suction chamber work area division

圖3 紅棗受力分析Figure 3 Jujube stress analysis chart

因此根據(jù)受力平衡關(guān)系，紅棗被吸起的條件為向上的合力要大于向下的合力，即吸引力大于重力，故臨屆條件為：

(1)

化簡式(1)紅棗懸浮速度的臨屆條件：

(2)

式中：Fx為吸引力，N；Fz為阻力，N；Cd為阻力常數(shù)；ρq為空氣密度，Kg/m3；x為紅棗的短軸直徑，m；y為紅棗的長軸直徑，m；vq為理論氣流的流速，m/s；v為實(shí)際氣流的流速，m/s；G為紅棗的重力，N；mmax為紅棗的最大質(zhì)量，g；g為重力加速度，m/s2；k為吸起紅棗可靠性系數(shù).為彌補(bǔ)紅棗大小形狀及棗間碰撞等因素造成計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的誤差，一般情況為1.8～2，取k=2.

根據(jù)公式(2)以及分析可知，在吸起紅棗的過程中，吸氣室所需要的氣流流速與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速大小、紅棗的理化性質(zhì)等因素有關(guān).

1.2.2 紅棗分選過程分析 完成吸起紅棗過程后，進(jìn)入到吸氣室里的分離區(qū)域，能從紅棗混合流中分離出來實(shí)際是一種氣固兩相流的問題，而沉降速度是兩相流中的一個(gè)重要參數(shù).因而紅棗能順利沉降到排棗區(qū)里的臨屆條件為質(zhì)量最輕的紅棗以最大的投影面積可以沉降，且風(fēng)量處處相等，其公式如下：

(3)

式中：vc為紅棗沉降速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；mmin為質(zhì)量最小的紅棗質(zhì)量，g；ρq為空氣密度，kg/m3；x為紅棗的短軸直徑，m；y為紅棗的長軸直徑，m；Dd為阻力系數(shù)；A1為截面1處的面積，m2；A2為截面2處的面積，m2；v1為截面1處的流速，m/s；v2為截面2處的流速，m/s.

與此同時(shí)紅棗混合物繼續(xù)受到吸力的作用，棗葉等雜質(zhì)質(zhì)量小于紅棗被吸入到雜物箱中，而枝條等雜質(zhì)在分選裝置旋轉(zhuǎn)纏繞的作用下落入到雜物箱中，與此同時(shí)紅棗繼續(xù)受到吸引力，即在這個(gè)均勻流場中，氣流流速小于沉降速度，為了以防萬一，同時(shí)加上分選裝置以及阻擋片的阻檔作用，使紅棗自由落入到排棗區(qū)，完成清選紅棗工作.因此在紅棗清選過程中，根據(jù)公式(3)以及分析可得紅棗的理化性質(zhì)、氣流流速大小(主要由風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速大小、吸氣室截面面積決定)以及分選裝置驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速大小等因素起著主要影響.

1.2.3 排棗過程分析 完成清選過程后，紅棗落入到排棗區(qū)，即在閉風(fēng)器中，這時(shí)只受到自身重力和空氣阻力的作用，在閉風(fēng)器不停旋轉(zhuǎn)的作用下落到篩條上，進(jìn)而滾落到棗箱中.以一定的初始速度運(yùn)動(dòng)，由于運(yùn)動(dòng)速度相對降低，空氣阻力可以忽略不計(jì).建立如圖4所示的平面直角坐標(biāo)系，對紅棗進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)定理，列出其紅棗運(yùn)動(dòng)方程(4)式.

圖4 紅棗下落運(yùn)動(dòng)分析Figure 4 Jujube shedding movement analysis chart

圖4中，O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，x、y為坐標(biāo)軸；W為閉風(fēng)器的旋轉(zhuǎn)速度，r/min；r為閉風(fēng)器的圓周半徑，m；v0為紅棗從閉風(fēng)器排出的初速度，m/s；v0x為v0在水平方向分速度，m/s；v0y為v0在豎直方向分速度，m/s；v1為紅棗落到篩條上的初速度，m/s；v1x′為v1在水平方向分速度，m/s；v1y′為v1在豎直方向分速度，m/s；v2為紅棗從篩條排出的初速度，m/s；v2x為v2在水平方向分速度，m/s；v2y為v2在豎直方向分速度，m/s；v3為紅棗落到棗箱的速度，m/s；θ0為紅棗拋出點(diǎn)與豎直方向夾角，(°)；θ1為篩條與水平方向夾角，(°)；θ2為紅棗拋出點(diǎn)與豎直方向夾角，(°)；H0為紅棗拋送點(diǎn)到篩條豎直高度，m；H1為篩條的豎直高度，m；H2為紅棗拋送點(diǎn)到地上的豎直高度，m；L0為紅棗拋送點(diǎn)到篩條的水平距離，m；L1為篩條的水平距離，m；L2為紅棗拋送點(diǎn)到地上的水平距離，m.

(4)

對公式(4)進(jìn)行一次積分求出速度得到公式(5).

(5)

通過對公式(4)～(5)分析計(jì)算得到公式(6)～(8).

(6)

(7)

(8)

根據(jù)上述公式與分析可知，紅棗在自由下落過程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與機(jī)器前進(jìn)速度、閉風(fēng)器旋轉(zhuǎn)速度(影響分選裝置驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速)、位置高度、圓周半徑以及篩條傾角、長度等因素有關(guān)，因此為了盡可能使全部紅棗低損甚至無損落入棗箱中，上述工作參數(shù)應(yīng)該慎重考慮.

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)機(jī)的選型

根據(jù)公式(2)能夠計(jì)算得出紅棗被吸起所需的臨屆流速vq=20.94 m/s，即實(shí)際流速v=41.88 m/s.根據(jù)氣體一維定常流動(dòng)的基本方程原理[18]，列出沿流動(dòng)方向任意兩個(gè)截面間的關(guān)系方程為：

(9)

式中：P1為截面1處的壓強(qiáng)，Pa；P2為截面2處的壓強(qiáng)，Pa；ρ1為截面1處的氣體密度，kg/m；ρ2為截面2處的氣體密度，kg/m3；k為氣體絕熱指數(shù).

將數(shù)據(jù)代入上式中，并令v2=v=41.88 m/s，取k=1.4可得v1為64.41 m/s，即風(fēng)量為Q=A1v1≈6 032.38 m3/h.通過風(fēng)機(jī)手冊[19]，以及結(jié)合該機(jī)所工作的田間環(huán)境等條件，故選用4-79No4A型風(fēng)機(jī)，額定工作轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，流量范圍為4 670～9 080 m3/h，功率為5.5 kw.

2.2 分選裝置設(shè)計(jì)

在工作過程中，氣吸式落地紅棗撿拾機(jī)是將散落在地面上的紅棗進(jìn)行氣吸撿拾，在此過程中必定會有部分枝條棗葉等雜物隨紅棗一并被吸起，因而需要對所吸起的紅棗混合物進(jìn)行區(qū)分.分選裝置主要是完成紅棗的篩選作業(yè)工作，主要由分離圓盤、分離凸輪盤、動(dòng)力軸以及阻擋片等組成.

根據(jù)紅棗收獲農(nóng)藝要求與經(jīng)驗(yàn)，為防止紅棗被吸入到雜物箱中，一般紅棗縱徑與橫徑均大于20 mm，因此確定分離圓盤與分離凸輪盤間隔12 mm，厚度2 mm，各12個(gè)，分選裝置結(jié)構(gòu)圖5所示.枝條棗葉等雜質(zhì)在分離凸圓盤和分離圓盤纏繞以及風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的吸力的同時(shí)作用下，落入到雜物箱中，而紅棗被分選裝置和阻檔片阻擋，靠自身重力落入到閉風(fēng)器中，完成紅棗清選工作，使所收獲的紅棗達(dá)到農(nóng)藝要求.

1：動(dòng)力軸；2：阻檔片；3：分離圓盤；4：分離凸圓盤.1：power shaft；2：blocker；3：separate convex disc；4：separate disc.圖5 分選裝置結(jié)構(gòu)Figure 5 Separation device structure

2.3 篩條設(shè)計(jì)

如圖6所示為篩條的結(jié)構(gòu)示意圖，由篩面和篩架組成.當(dāng)紅棗在閉風(fēng)器的旋轉(zhuǎn)的作用下落到篩條上，進(jìn)而滾落到棗箱中，在此期間要保證紅棗不會從篩條中掉下去，因此要選擇合適的篩面和間距.通過前期預(yù)試驗(yàn)，棒條的篩面對紅棗的損傷較小，滿足條件.根據(jù)前期對紅棗的調(diào)研，一般紅棗縱徑與橫徑均大于20 mm，因此選擇棒條的間距為15 mm，直徑為7 mm，長度400 mm.

1：篩面；2：篩架.1：screen surface；2：screen frame.圖6 篩條結(jié)構(gòu)Figure 6 Diagrid device structure

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)對氣吸式落地紅棗收獲機(jī)的分析與設(shè)計(jì)，對該機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖7所示.選取風(fēng)機(jī)的裝速為2 900 r/min，經(jīng)過試驗(yàn)證明，該機(jī)的傷棗率為0.93%，含雜率為3.56%，因此該機(jī)的工作性能較佳，符合紅棗收獲農(nóng)藝要求.

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場Figure 7 Test site

3 結(jié)論

該機(jī)通過風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得空氣流場產(chǎn)生壓力差，導(dǎo)致吸氣室產(chǎn)生負(fù)壓，于是采用氣吸的方式對紅棗、枝條棗葉等混合物進(jìn)行拾取，紅棗混合物在吸力的作用下，吸入到吸氣室里，避免了紅棗與機(jī)器的碰撞產(chǎn)生的機(jī)械損傷，因此降低了傷棗率.在吸引力作用下，分選裝置利用分離凸盤和圓盤的纏繞作用下把枝條混合物落入到雜物箱中，而紅棗由于被分選裝置與隔檔片阻擋落入到閉風(fēng)器中，從而靠自身的重力落入到棗箱里，有效解決了紅棗含雜率較高的問題.

通過對風(fēng)機(jī)、分選裝置以及篩條進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，確定了風(fēng)機(jī)選用4-79No4A型號，該機(jī)型額定工作轉(zhuǎn)速為2 900 r/min，流量范圍為4 670～9 080 m3/h，功率為5.5 kw；得到分選裝置中的分離圓盤與分離凸輪盤間隔12 mm，厚度2 mm，各12個(gè)；確定了篩條的棒條的間距為15 mm，直徑為7 mm，長度400 mm，最后對該機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證得：該機(jī)的傷棗率為0.93%，含雜率為3.56%，符合紅棗收獲農(nóng)藝要求，該結(jié)果為后續(xù)研究氣吸式紅棗撿拾機(jī)奠定基礎(chǔ).