氣吹式落地紅棗撿拾裝置的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

潘俊兵，劉玉冬，丁 凱，張志元，付 威

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003)

0 引言

紅棗在我國的栽培歷史達(dá)7 700年之久[1]，其最早生長在黃河中下游地區(qū)[2]，是一種營養(yǎng)價(jià)值豐富[3-4]，藥用價(jià)值極高的林果[5-6]。棗樹對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，可在貧瘠土壤中生長[7-8]，對(duì)于改善生態(tài)具有積極意義。目前，我國紅棗種植面積和產(chǎn)量均居全球第一[9-10]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2015年底，我國紅棗種植面積已超過298萬hm2[11]。其中，新疆紅棗種植面積已超過51萬hm2，產(chǎn)量超過300萬t[12]，已成為我國紅棗主產(chǎn)區(qū)之一，其紅棗主要種植模式為矮化密植模式[13]。

目前，新疆紅棗主要人工敲打棗樹枝，樹上紅棗振落，再由人工進(jìn)行撿拾。另外，紅棗在收獲期經(jīng)霜打可提高其品質(zhì)和口感。因此，新疆棗農(nóng)經(jīng)常在降霜之后開始采收紅棗，進(jìn)入采收期的紅棗含水率逐漸降低，當(dāng)紅棗含水率降低至40%～60%將自然掉落。經(jīng)調(diào)研，采收期落地紅棗占紅棗總產(chǎn)量的30%～60%，目前落地紅棗的收獲以人工撿拾方式為主，人工撿拾效率低、成本高，難以滿足新疆落地紅棗撿拾需求，落地紅棗的機(jī)械化采收成為必然趨勢。目前，研發(fā)的落地紅棗撿拾機(jī)械主要有氣吸式和機(jī)械式兩種，氣吸式落地紅棗撿拾裝置容易堵塞吸棗管[14]，機(jī)械式落地紅棗撿拾裝置在高低不平地面上撿拾效果差[15-17]。

本文針對(duì)落地紅棗撿拾難題，設(shè)計(jì)出一種氣吹式落地紅棗撿拾裝置，為落地紅棗撿拾機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

本氣吹式落地紅棗撿拾裝置主要由進(jìn)風(fēng)管、旋轉(zhuǎn)風(fēng)管、裝有毛刷的輸送裝置及集棗箱等組成，如圖1所示。

1.進(jìn)風(fēng)管 2.旋轉(zhuǎn)風(fēng)管 3. 輸送裝置 4.毛刷 5.集棗箱 6.地面

本裝置采用氣流吹棗的方式對(duì)紅棗撿拾，可適應(yīng)高低不平地面，解決了機(jī)械式撿拾裝置無法撿拾高低不平地面上紅棗的缺點(diǎn)。由于采用氣流撿拾，本撿拾裝置的傷棗率遠(yuǎn)低于機(jī)械式撿拾裝置傷棗率；氣吸式紅棗撿拾裝置效率較低且進(jìn)入風(fēng)管的雜質(zhì)容易堵塞吸棗管、損壞風(fēng)機(jī)，對(duì)風(fēng)機(jī)性能要求高；氣吹式撿拾裝置解決了該問題，提高了撿拾效率。

1.2 撿拾裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本撿拾裝置主要由裝有避風(fēng)裝置的進(jìn)風(fēng)管和旋轉(zhuǎn)風(fēng)管組成，旋轉(zhuǎn)風(fēng)管周圍有4列氣流噴嘴，相鄰兩列氣流噴嘴間的夾角為90°(見圖2)，工作時(shí)與風(fēng)機(jī)、輸送裝置等配合使用。其尺寸主要參照紅棗矮化密植種植模式確定，結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

1.進(jìn)風(fēng)管 2.旋轉(zhuǎn)風(fēng)管

項(xiàng)目尺寸/mm旋轉(zhuǎn)風(fēng)管外輪廓直徑D1443.5旋轉(zhuǎn)風(fēng)管內(nèi)徑D210進(jìn)風(fēng)管直徑d90旋轉(zhuǎn)風(fēng)管長l1520

1.3 工作原理

工作時(shí)，從風(fēng)機(jī)吹出的高速空氣流進(jìn)入進(jìn)風(fēng)管，氣流在進(jìn)風(fēng)管內(nèi)部90°區(qū)域聚集(稱為氣流區(qū))；同時(shí)，旋轉(zhuǎn)風(fēng)管開始轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)風(fēng)管上的氣流噴嘴管旋轉(zhuǎn)至進(jìn)風(fēng)管氣流區(qū)時(shí)，氣流沿著氣流噴嘴吹出，吹動(dòng)地面的紅棗滾向后方的撿拾輸送裝置，在氣流和輸送裝置上毛刷的共同作用下(在旋轉(zhuǎn)風(fēng)管的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，氣流噴嘴吹出的氣流可將紅棗吹起)，將地面紅棗送至輸送裝置上，經(jīng)輸送裝置輸送至集棗箱，完成落地紅棗撿拾。

在前一列氣流噴嘴轉(zhuǎn)出進(jìn)風(fēng)管氣流區(qū)的過程中，后一列氣流噴嘴轉(zhuǎn)入氣流區(qū)，且前一列氣流噴嘴進(jìn)口端轉(zhuǎn)出氣流區(qū)的面積與后一列氣流噴嘴進(jìn)口端轉(zhuǎn)入氣流區(qū)的面積相等，可保證進(jìn)風(fēng)管內(nèi)部氣流壓力穩(wěn)定。

2 撿拾裝置運(yùn)動(dòng)分析

2.1 撿拾裝置運(yùn)動(dòng)分析

工作過程中，旋轉(zhuǎn)風(fēng)管的運(yùn)動(dòng)過程可看作是旋轉(zhuǎn)風(fēng)管繞其中心軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿著工作方向水平運(yùn)動(dòng)的合成。對(duì)旋轉(zhuǎn)風(fēng)管建立直角坐標(biāo)系，且其中一個(gè)氣流噴嘴出口轉(zhuǎn)動(dòng)到坐標(biāo)原點(diǎn)，作為初始位置，如圖3所示。

(a ) 速度v=0時(shí)運(yùn)動(dòng)簡圖 (b ) 速度v=v0時(shí)運(yùn)動(dòng)簡圖

研究表明[18]：以氣流噴嘴出口位置為研究對(duì)象，在時(shí)間t內(nèi)旋轉(zhuǎn)風(fēng)管轉(zhuǎn)過α角；當(dāng)旋轉(zhuǎn)風(fēng)管沿著工作方向水平速度(后文簡稱為“水平速度”)為0時(shí)，氣流噴嘴從坐標(biāo)原點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)到C點(diǎn)，如圖3(a)所示；當(dāng)旋轉(zhuǎn)風(fēng)管水平速度為任一速度v時(shí)，氣流噴嘴從原點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)到D點(diǎn)，此過程可看作圖3(a)過程沿著工作方向水平移動(dòng)vt距離，如圖3(b)所示。此過程的位移方程為

(1)

則氣流噴嘴以任一水平速度v的運(yùn)動(dòng)位移可用式(2)表示，即

(2)

(3)

式中v—沿工作方向水平移動(dòng)速度(m/s)；

ω—旋轉(zhuǎn)風(fēng)管轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(rad/s)；

t—任一時(shí)間段(s)；

α—旋轉(zhuǎn)風(fēng)管在時(shí)間t內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度(rad)；

R—旋轉(zhuǎn)風(fēng)管外輪廓圓弧半徑(mm)；

D1—旋轉(zhuǎn)風(fēng)管外輪廓圓弧直徑(mm)。

方程(2)表示的曲線為旋輪線，即工作過程中氣流噴嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡為旋輪線，有利于氣流將紅棗吹起。

2.2 氣流噴嘴連續(xù)工作條件分析

漏撿率是評(píng)價(jià)落地紅棗撿拾機(jī)械性能的重要指標(biāo)，漏檢率越低，則該裝置的撿拾性能越好。為了降低本裝置漏撿率，氣流噴嘴在撿拾區(qū)域內(nèi)必須連續(xù)工作，不存在漏吹區(qū)域。

工作過程中，氣流噴嘴隨旋轉(zhuǎn)風(fēng)管轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，沿著工作方向水平移動(dòng)，因此氣流噴嘴的水平運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合理匹配，是氣流噴嘴在撿拾區(qū)域連續(xù)工作的主要因素。為了保證氣流噴嘴在撿拾區(qū)域連續(xù)工作，在同一段時(shí)間內(nèi)，氣流噴嘴沿周向轉(zhuǎn)過的距離大于其水平方向前進(jìn)的距離，此過程可用式(4)表示，即

(4)

(5)

式中ω—旋轉(zhuǎn)風(fēng)管轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(rad/s)；

n—旋轉(zhuǎn)風(fēng)管轉(zhuǎn)速(r/min)，n=ω/2π；

v—沿工作方向水平移動(dòng)速度(m/s)；

D1—旋轉(zhuǎn)風(fēng)管外輪廓圓弧直徑(mm)。

則氣流噴嘴在撿拾區(qū)域連續(xù)工作時(shí)必須滿足式(5)。

3 撿拾裝置運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證氣流噴嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡形式，以及在不同水平速度下，氣流噴嘴在撿拾區(qū)域連續(xù)工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)風(fēng)管的合理角速度范圍，采用Adams軟件對(duì)氣流噴嘴的有效工作路徑進(jìn)行模擬。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本文取水平速度分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0m/s，分別以計(jì)算連續(xù)工作條件為初始角速度值進(jìn)行仿真，仿真過程中，未取得合理角速度值時(shí)，將角速度依次增加π/18 rad/s，臨近合理值時(shí)角速度值以π/180 rad/s增減，分析各水平速度對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)風(fēng)管合理角速度，仿真過程忽略各結(jié)構(gòu)之間以及地輪與地面間的摩擦。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本文運(yùn)用SolidWorks軟件繪制了本撿拾裝置的仿真模型，并將其保存為*.x_t，導(dǎo)入Adams軟件。本文主要分析旋轉(zhuǎn)風(fēng)管轉(zhuǎn)速與水平速度的匹配問題，將輸送裝置、集棗箱等不相關(guān)部件與機(jī)架固定，旋轉(zhuǎn)風(fēng)管與機(jī)架添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，并添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，以控制旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速；整個(gè)裝置與地面之間添加移動(dòng)副，并添加移動(dòng)驅(qū)動(dòng)，以控制移動(dòng)速度，如圖4所示。

表2 實(shí)驗(yàn)條件

1.機(jī)架 2.旋轉(zhuǎn)風(fēng)管 3.氣流噴嘴 4.輸送裝置 5.集棗箱

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

仿真結(jié)果如圖5所示。實(shí)線為氣流噴嘴在撿拾區(qū)域進(jìn)入連續(xù)工作的軌跡[圖5(a)]和完全連續(xù)工作的軌跡[圖5(c)]，對(duì)應(yīng)角速度如表3所示。虛線為計(jì)算連續(xù)工作條件角速度值仿真的運(yùn)動(dòng)軌跡，圖中運(yùn)動(dòng)軌跡是旋轉(zhuǎn)風(fēng)管上4個(gè)氣流噴嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡的疊加，當(dāng)氣流噴嘴轉(zhuǎn)入進(jìn)風(fēng)管氣流區(qū)時(shí)，進(jìn)入工作狀態(tài)，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5(b)所示。

仿真結(jié)果表明:氣流噴嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡為旋輪線，與計(jì)算結(jié)果一致；旋轉(zhuǎn)風(fēng)管以其初始角速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，滿足在相同時(shí)間內(nèi)，旋轉(zhuǎn)風(fēng)管轉(zhuǎn)過的周向位移與其對(duì)應(yīng)水平方向位移相等，在撿拾區(qū)域無法實(shí)現(xiàn)4個(gè)氣流噴嘴連續(xù)作業(yè)，該角速度僅可作為不漏撿的初始判斷條件；在仿真過程中，當(dāng)角速度增加到氣流噴嘴在撿拾區(qū)域連續(xù)工作時(shí)，其對(duì)應(yīng)角速度范圍如表3所示。

(b) 旋轉(zhuǎn)風(fēng)管工作區(qū)域軌跡仿真圖

(c) 氣流噴嘴完全連續(xù)工作仿真圖

水平速度/m·s-1旋轉(zhuǎn)風(fēng)管連續(xù)工作角速度ω/rad·s-1初始值仿真下限值仿真上限值0.31.352.795.860.41.813.727.820.52.264.649.340.62.715.589.910.73.216.5410.910.83.617.4312.950.94.088.3214.631.04.529.2316.79

4 結(jié)論

1) 氣吹式落地紅棗撿拾裝置，其旋轉(zhuǎn)風(fēng)管周向均布的4列氣流噴嘴，相鄰兩列呈90°分布，與同樣90°的進(jìn)風(fēng)管氣流區(qū)配合，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)管氣流區(qū)風(fēng)壓穩(wěn)定。

2) 本氣吹式落地紅棗撿拾裝置，結(jié)構(gòu)簡單，可實(shí)現(xiàn)低洼地面落地紅棗的撿拾，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)工作地面連續(xù)作業(yè)。

3) 本氣吹式落地紅棗撿拾裝置，在水平速度分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0m/s，氣流噴嘴連續(xù)工作時(shí)，其對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度范圍分別為2.79～5.86、3.72～7.82、4.64～9.34、5.58～9.91、6.54～10.91、7.43～12.95、8.32～14.63、9.23～16.79rad/s。