新型落地紅棗收獲機(jī)的設(shè)計(jì)

魯 兵，王旭峰，3，張攀峰，胡 燦

新型落地紅棗收獲機(jī)的設(shè)計(jì)

魯 兵1，2，王旭峰1，2，3，張攀峰1，2，胡 燦1，2

(1.塔里大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

為解決南疆矮化密植棗園紅棗收獲難題，針對(duì)矮化密植種植模式下的棗園特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出基于清掃方式和氣吸方式相結(jié)合的新型落地紅棗收獲機(jī)。介紹了整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了各關(guān)鍵部件的基本結(jié)構(gòu)和具體型號(hào)。同時(shí)，分析了紅棗清掃聚攏過(guò)程，得出清掃輥刷轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度與清掃輥刷清掃效果之間的關(guān)系，并通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證了清掃輥刷轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度與清掃輥刷清掃效果之間的關(guān)系。該機(jī)整體尺寸小，適應(yīng)性強(qiáng)，作業(yè)效率高，適用于南疆矮化密植種植模式的棗園進(jìn)行紅棗收獲作業(yè)。

紅棗；矮化密植；收獲機(jī)；清掃裝置

0 引言

紅棗是我國(guó)特色的林果產(chǎn)品，除了韓國(guó)種植有少數(shù)的紅棗外，我國(guó)是紅棗種植的主要生產(chǎn)基地[1-2]。新疆的南疆地區(qū)(以下簡(jiǎn)稱南疆)空氣稀薄、日照時(shí)間長(zhǎng)、晝夜溫差大等氣候條件有利于紅棗的糖分積累，為南疆紅棗的優(yōu)良品質(zhì)奠定了基礎(chǔ)[3]。南疆是我國(guó)的主要紅棗種植地區(qū)，也是我國(guó)優(yōu)質(zhì)紅棗的主要生產(chǎn)基地。目前，南疆的棗園種植模式普遍采用矮化密植種植模式[4]。隨著新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)“減棉、增糧、增果、擴(kuò)畜”的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方針的實(shí)施，紅棗種植規(guī)模仍然在不斷擴(kuò)大，紅棗種植已成為南疆特色林果支柱產(chǎn)業(yè)。但是，大面積的紅棗采收仍然依靠人工撿拾來(lái)完成，嚴(yán)重制約了紅棗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

針對(duì)新疆紅棗采收作業(yè)難題，新疆農(nóng)墾科學(xué)院湯智輝等研制出4YS-24型紅棗收獲機(jī)，主要通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)夾持裝置夾持棗樹(shù)樹(shù)干進(jìn)行振搖果樹(shù)收獲作業(yè)，但并不適用于矮化密植種植模式[5-6]。石河子大學(xué)坎雜等研制出4ZZ-4型紅棗收獲機(jī)，主要通過(guò)激振裝置對(duì)棗樹(shù)上的紅棗進(jìn)行采摘收獲[7-9]，對(duì)掉落地面紅棗收獲比較困難且對(duì)棗樹(shù)有一定的損傷，目前仍處于研制階段。塔里木大學(xué)史高昆等研制出YE3600型氣吸式紅棗收獲機(jī)，主要運(yùn)用負(fù)壓風(fēng)機(jī)形成負(fù)壓對(duì)地面紅棗進(jìn)行氣吸撿拾收獲[10]，棗園地面紅棗分布比較分散，風(fēng)機(jī)負(fù)壓口的有效作業(yè)距離小，導(dǎo)致該型紅棗收獲機(jī)械的作業(yè)效率受到限制。

為此，利用清掃方式和氣吸方式相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種適用于落地紅棗進(jìn)行撿拾收獲的新型落地紅棗收獲機(jī)械。該機(jī)具解決了棗園地面紅棗分布比較分散和風(fēng)機(jī)負(fù)壓口有效作業(yè)距離小的難題，適用于對(duì)南疆棗園種植模式下的落地紅棗進(jìn)行收獲作業(yè)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

機(jī)具由清掃裝置、仿形鏟棗裝置、紅棗輸送管、柴油機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電啟動(dòng)裝置、風(fēng)機(jī)、集棗箱、手推扶桿、調(diào)整輪、調(diào)整輪調(diào)節(jié)手輪、行走輪及機(jī)架等部分構(gòu)成，如圖1所示。

1.2 工作原理

新型落地紅棗收獲機(jī)是利用清掃聚攏和氣吸撿拾兩種方式相結(jié)合的新型落地紅棗收獲機(jī)械，與消防風(fēng)機(jī)配套使用。首先，利用消防風(fēng)機(jī)將棗樹(shù)底下的紅棗向棗樹(shù)行間吹攏集中形成寬度約為1m“紅棗帶”；然后，利用新型落地紅棗收獲機(jī)械進(jìn)行清掃與氣吸收獲作業(yè)。工作過(guò)程中，通過(guò)手推扶桿推動(dòng)機(jī)具向前行進(jìn)作業(yè)；機(jī)具最前方的清掃裝置通過(guò)一對(duì)呈“V”型布置的清掃輥刷將棗行間的“紅棗帶”清掃聚攏形成壟狀；機(jī)具向前行進(jìn)時(shí)，仿形鏟棗裝置將形成壟狀的紅棗鏟起，紅棗中的土塊、石子等雜質(zhì)從仿形鏟棗裝置的去雜縫隙中漏出，實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)與紅棗的分離；紅棗不斷向仿形鏟棗裝置的尾部移動(dòng)，利用風(fēng)機(jī)形成的負(fù)壓使仿形鏟棗裝置尾部的紅棗沿紅棗輸送管輸送到集棗箱，完成紅棗收獲。機(jī)具除行走以外的動(dòng)力全部由柴油機(jī)提供，通過(guò)調(diào)整輪調(diào)節(jié)手輪可實(shí)現(xiàn)清掃裝置最下端清掃刷絲的變形量和清掃輥刷對(duì)地壓力的控制。

1.調(diào)整輪 2.清掃裝置 3.仿形鏟棗裝置 4.紅棗輸送管 5.柴油機(jī) 6.行走輪 7.集棗箱 8.手推扶桿 9.風(fēng)機(jī) 10.電啟動(dòng)裝置 11.傳動(dòng)裝置 12.機(jī)架 13.調(diào)整輪調(diào)節(jié)手輪圖1 新型落地紅棗收獲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch diagram of new type jujube harvest machine

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)南疆棗園矮化密植種植模式的建園要求，確定新型落地紅棗收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 新型落地紅棗收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

續(xù)表1

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與選型

2.1 清掃裝置

新型落地紅棗收獲機(jī)通過(guò)清掃裝置將棗園行間的“紅棗帶”清掃聚攏形成壟狀。清掃作業(yè)是完成落地紅棗收獲的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因此清掃裝置的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。清掃裝置主要由1對(duì)呈“V”型布置的清掃輥刷組成。清掃輥刷轉(zhuǎn)速和機(jī)具的前進(jìn)速度是影響清掃輥刷清掃效果的主要因素，而清掃輥刷的最下端刷絲接地點(diǎn)的速度大小和方向直接與清掃輥刷清掃聚攏紅棗的效果相關(guān)[11-12]。清掃輥刷轉(zhuǎn)速和機(jī)具的前進(jìn)速度對(duì)清掃輥刷接地點(diǎn)速度的大小和方向的影響分析如圖2所示。

V進(jìn)為機(jī)具向前行進(jìn)的速度；V轉(zhuǎn)為清掃輥刷接地點(diǎn)的圓周切線速度；θ為兩清掃輥刷的夾角的速度；ω為清掃輥刷旋轉(zhuǎn)的角速度。

圖2 清掃輥刷接地點(diǎn)刷絲速度分析

Fig.2 Velocity analysis of ground points of cleaning roller-brush

2.1.1 清掃輥刷轉(zhuǎn)速對(duì)清掃效果的影響

清掃輥刷轉(zhuǎn)速對(duì)清掃輥刷接地點(diǎn)的絕對(duì)速度有直接影響。當(dāng)機(jī)具的行進(jìn)速度V進(jìn)保持不變，清掃輥刷分別以ω和2ω角速度旋轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)清掃輥刷接地點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)切線速度分別為V轉(zhuǎn)和2V轉(zhuǎn)。由圖3(a)可知：當(dāng)清掃輥刷旋轉(zhuǎn)切線速度為V轉(zhuǎn)時(shí)(δ=90°+θ/2)，清掃輥刷接地點(diǎn)的絕對(duì)速度V絕和接地點(diǎn)絕對(duì)速度與前進(jìn)方向的夾角β可表示為

(1)

(2)

由圖3(b)可知：當(dāng)清掃輥刷接地點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)切線速度為2V轉(zhuǎn)時(shí)，清掃輥刷接地點(diǎn)的絕對(duì)速度V絕′和接地點(diǎn)絕對(duì)速度與前進(jìn)方向的夾角β′可表示為

(3)

(4)

聯(lián)立公式(1)～公式(4)得

由上述分析可得：當(dāng)清掃輥刷的旋轉(zhuǎn)切線速度由V轉(zhuǎn)增大到2V轉(zhuǎn)時(shí)，V絕′>V絕，β′>β，說(shuō)明隨著清掃輥刷轉(zhuǎn)速的增大，清掃輥刷接地點(diǎn)的絕對(duì)清掃速度和絕對(duì)速度與前進(jìn)方向的夾角均隨之增大。清掃輥刷接地點(diǎn)絕對(duì)速度的增大有助于地面紅棗向前清掃拋射，同時(shí)接地點(diǎn)絕對(duì)速度與前進(jìn)方向間夾角的增大有助于清掃過(guò)程中地面紅棗向棗行中間聚攏集中形成壟狀。

圖3 清掃輥刷轉(zhuǎn)速對(duì)清掃輥刷接地點(diǎn)絕對(duì)速度的影響分析Fig.3 Analysis of the effect of rotating speed of roller-brush on absolute

velocityofcleaningroller-brushgroundpoints

2.1.2 機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)清掃效果的影響

機(jī)具前進(jìn)速度是影響清掃輥刷接地點(diǎn)絕對(duì)速度的另一重要因素(見(jiàn)圖4)。當(dāng)清掃輥刷保持角速度ω、旋轉(zhuǎn)切線速度V轉(zhuǎn)不變時(shí)，機(jī)具分別以V進(jìn)和2V進(jìn)速度向前行進(jìn)。由圖4(a)可知：當(dāng)機(jī)具的前進(jìn)速度為V進(jìn)時(shí)，清掃輥刷接地點(diǎn)的絕對(duì)速度V絕和接地點(diǎn)絕對(duì)速度與機(jī)具前進(jìn)方向的夾角β同式(1)、式(2)所示。

由圖4(b)可知：當(dāng)機(jī)具的前進(jìn)速度為2V進(jìn)時(shí)，清掃輥刷接地點(diǎn)的絕對(duì)速度V絕′和接地點(diǎn)絕對(duì)速度與機(jī)具前進(jìn)方向的夾角β′可表示為

(5)

(6)

聯(lián)立公式(1)、(2)、(5)、(6)可得

圖4 機(jī)具前進(jìn)速度對(duì)清掃輥刷接地點(diǎn)絕對(duì)速度的影響分析Fig.4 Analysis of the effect of forward speed of machine on absolute

velocityofcleaningroller-brushgroundpoints

2.2 風(fēng)機(jī)型號(hào)選取

新型落地紅棗收獲機(jī)采用吸送式氣力輸送方式對(duì)仿形鏟棗裝置收集的紅棗進(jìn)行輸送。氣力輸送主要利用氣流對(duì)紅棗進(jìn)行輸送，氣流速度的大小直接影響對(duì)紅棗氣力輸送的效果，風(fēng)機(jī)型號(hào)的選擇直接決定了氣流速度的大小。為保證紅棗不在輸送管中堵塞實(shí)現(xiàn)順利輸送，對(duì)紅棗氣力輸送的氣流速度進(jìn)行理論分析計(jì)算。根據(jù)氣力輸送原理和結(jié)合實(shí)際情況，紅棗氣力輸送的氣流速度為[13]

Va=φVt

(7)

(8)

式中Va—?dú)饬斔偷臍饬魉俣?m/s)；

Vt—物料的懸浮速度(m/s)；

φ—速度系數(shù)；

m—物料的質(zhì)量(kg)；

g—重力加速度，g=9.8m/s2；

ρs—輸送物料的密度(kg/m3)；

ρf—流體的密度(kg/m3)；

A—垂直于流體流動(dòng)方向的物料投影面積；

C—阻力系數(shù)。

采用液浸法測(cè)得紅棗的密度ρs為410～750kg/m3(含水率對(duì)紅棗的密度影響較大)；空氣密度ρf為1.205kg/m3；由紅棗輸送管的安裝形式、復(fù)雜程度以及紅棗的相關(guān)特性確定速度系數(shù)φ的取值范圍為2.4～5.0；單顆紅棗的質(zhì)量m為5.7～12.8g；C的取值為0.44。根據(jù)公式(7)、(8)，可計(jì)算出紅棗氣力輸送的氣流速度Va為24.5m/s。再根據(jù)紅棗氣力輸送需要的氣流速度，可計(jì)算確定風(fēng)機(jī)型號(hào)為CF-2.5A型離心風(fēng)機(jī)。

2.3 仿形鏟棗裝置

仿形鏟棗裝置主要由帆布皮帶、仿形輪、仿形鏟及仿形鏟鉸接部位組成，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.帆布平帶 2.仿形輪 3.仿形鏟 4.仿形鏟鉸接部位圖5 仿形鏟棗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of copying shovel

其中，仿形鏟鉸接部位通過(guò)鉸鏈與機(jī)架連接在一起，構(gòu)成機(jī)具的一個(gè)重要工作部件。作業(yè)時(shí)，仿形鏟棗裝置可繞仿形鏟鉸接部位進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，保證仿形輪在整個(gè)裝置的重力作用下始終沿地面向前行進(jìn)，也保證了仿形鏟的鏟口邊緣始終貼近地表。為避免仿形鏟在作業(yè)時(shí)對(duì)紅棗造成損傷，在鏟口安裝一段帆布皮帶。帆布皮帶在減少收獲紅棗損傷的同時(shí)，也進(jìn)一步保證了仿形鏟棗裝置的仿形效果。

通過(guò)對(duì)紅棗外形尺寸進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，確定仿形鏟棗裝置的長(zhǎng)條狀去雜縫隙的寬度為14mm。同時(shí)，為保證紅棗在仿形鏟棗裝置中能夠順利地向仿形鏟后部移動(dòng)，仿形鏟與地面之間的夾角γ應(yīng)滿足γ

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)主要由V帶傳動(dòng)和齒輪箱傳動(dòng)組成，如圖6所示。整個(gè)機(jī)具的作業(yè)動(dòng)力由柴油機(jī)提供，柴油機(jī)的輸出動(dòng)力通過(guò)兩條傳動(dòng)路線分別傳遞到風(fēng)機(jī)和清掃裝置。傳動(dòng)路線Ⅰ通過(guò)兩級(jí)V帶傳動(dòng)將柴油機(jī)的輸出動(dòng)力輸送到風(fēng)機(jī)，傳動(dòng)路線Ⅱ通過(guò)V帶傳動(dòng)和齒輪箱傳動(dòng)將柴油機(jī)的輸出動(dòng)力傳送至清掃裝置。為減小柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)載荷和增加機(jī)具的安全性能，在兩條傳動(dòng)路線中增加牙嵌式離合器以利于對(duì)工作裝置的控制。

3 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師六團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)化矮化密植棗園進(jìn)行。試驗(yàn)棗園棗樹(shù)種植行距和株距分別為2.5m和1.5m，棗樹(shù)高2～2.5m，樹(shù)齡5年，在棗樹(shù)行間人工鋪撒紅棗模擬機(jī)具實(shí)際的作業(yè)環(huán)境。機(jī)具的前進(jìn)速度和清掃輥刷轉(zhuǎn)速影響機(jī)具清掃聚攏紅棗的效果。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)機(jī)具分別進(jìn)行前進(jìn)速度為0.7 、1.1、1.5km/h，清掃輥刷轉(zhuǎn)速為120、140、160r/min的單因素田間模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：新型落地紅棗收獲機(jī)在矮化密植棗園進(jìn)行紅棗收獲，效果良好；隨著清掃輥刷轉(zhuǎn)速的增大，機(jī)具向前清掃紅棗形成壟狀的質(zhì)量明顯提高；隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增大，機(jī)具對(duì)落地紅棗向前拋射的力度有所增大，但形成壟狀的質(zhì)量降低。

4 結(jié)論

1)根據(jù)南疆棗園的建園模式和棗農(nóng)對(duì)紅棗收獲的要求，設(shè)計(jì)了基于清掃方式和氣吸方式相結(jié)合的新型落地紅棗收獲機(jī)，為矮化密植棗園紅棗收獲機(jī)的設(shè)計(jì)提供了新思路。

2)通過(guò)對(duì)關(guān)鍵工作部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，分析了各關(guān)鍵部件的主要參數(shù)對(duì)紅棗收獲的影響，并確定了各關(guān)鍵部件的主要結(jié)構(gòu)、參數(shù)要求和具體型號(hào)。

3)通過(guò)田間模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了新型落地紅棗收獲機(jī)可用于南疆矮化密植棗園進(jìn)行紅棗收獲作業(yè)。同時(shí)，驗(yàn)證了清掃輥刷轉(zhuǎn)速、機(jī)具前進(jìn)速度與清掃輥刷清掃效果之間的關(guān)系。

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Design of New Type Landing-jujube Harvest Machine

Lu Bing1,2, Wang Xufeng1,2,3, Zhang Panfeng1,2， Hu Can1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Tarim University, Alar 843300, China; 2.The Key Laboratory of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Alar 843300，China; 3.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

In order to solve jujubes harvesting problem of dwarf and dense planting jujube in South Xinjiang. According to the characteristics of dwarf and dense planting jujube orchard, a new type landing-jujube harvest machine that combined the pattern of cleaning and vacuum was designed and finally the structure parameters and specific type were determined. The whole structure and working mechanism of the machine were introduced, the key operation components of the machine were designed. The processes of jujubes cleaning gather were analyzed and the relationships between roller-brush rotating speed, forward speed of machines and cleaning effect of roller-brush were achieved. And the relationships were tested and verified by field experiments. The machine has advantages of small overall dimension, good adaptability, high operation efficiency and can be used to harvest landing-jujube of dwarf and dense planting jujube orchard in south Xinjiang.

jujube; dwarf and dense planting; harvest machine; cleaning device

2016-09-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11562019)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503105)；塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題項(xiàng)目(TDNG20160101)；塔里木大學(xué)校長(zhǎng)基金項(xiàng)目(TDZKQN201510)；塔里木大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(TDGRI201514)

魯 兵(1991-)，男，湖北黃岡人，碩士研究生，(E-mail) 1170027843@qq.com。

胡 燦(1983-)，男，湖南益陽(yáng)人，講師，(E-mail)hucan-boy1@qq.com。

S225.93

A

1003-188X(2017)12-0068-05