自走式紅棗撿拾機(jī)的設(shè)計(jì)

王洪昌 李燕 梅硯晨 潘濤 袁昊 曾榮

摘要 由于紅棗矮化密植的特點(diǎn)，紅棗收獲大多依靠人工，效率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度大。為解決這一問(wèn)題，在已有紅棗撿拾機(jī)器的基礎(chǔ)上，基于負(fù)壓產(chǎn)生氣吸的原理設(shè)計(jì)了一種自走式紅棗撿拾機(jī)，該機(jī)器主要由收集裝置、清選裝置、行走機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)和底盤(pán)組成。利用負(fù)壓收集紅棗，該設(shè)計(jì)能有效減少紅棗撿拾過(guò)程中的沖擊損壞，具有初步清選的功能，并且實(shí)現(xiàn)了自走，提高了勞動(dòng)效率。

關(guān)鍵詞 紅棗;撿拾機(jī);自走式;氣吸式

中圖分類(lèi)號(hào) S225文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）15-0208-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.15.057

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract Due to the characteristics of dwarf dense planting of red jujube，? the harvest of red jujube mostly depends on artificial operation，which is of lowefficiency and highlabor intensity. In order to solve this problem， on the basis of the existing red jujube picking machine， a selfpropelled red jujube collector was designed based on the principle of gas suction generated by negative pressure. The collector is mainly composed of collecting component， clearing device， walking mechanism， transmission mechanism， power system and chassis. The negative pressure was used to collect red jujube， this design could effectively reduce the impact damage in the process of collecting red jujube， it had a preliminary cleaning function， which could realize selfpropelled function and improve the labor efficiency.

Key words Red jujube;Collector;Selfpropelled;Gas suction

基金項(xiàng)目 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2018233）;國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（51605182）。

作者簡(jiǎn)介 王洪昌（1984—），男，河南太康人，講師，博士，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械仿生理論與技術(shù)研究。

收稿日期 2019-04-01

紅棗是我國(guó)的特色林果，是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，含有豐富的維生素，食用價(jià)值和藥用價(jià)值很高。由于紅棗在矮化密植種植模式下產(chǎn)量高、生產(chǎn)效益好，矮化密集種植已成為紅棗種植的主要方式[1-2]。傳統(tǒng)的紅棗收獲方法為人工敲打棗樹(shù)枝，棗落地后人工撿拾，這不僅勞動(dòng)量大，而且效率低下[3]。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)工作者急劇減少，采摘?jiǎng)趧?dòng)力出現(xiàn)短缺。紅棗撿拾產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化也迫在眉睫。因此，設(shè)計(jì)一種自走式紅棗撿拾機(jī)，對(duì)雜物進(jìn)行初步清理，并且能有效保證紅棗的質(zhì)量，且可以暫時(shí)儲(chǔ)存大量紅棗。

目前市場(chǎng)投入使用的紅棗摘選機(jī)有機(jī)械式和氣吸式2種[4]。機(jī)械式撿拾機(jī)有撿拾輥式和滾筒毛刷式，但會(huì)對(duì)紅棗造成損傷，利用振動(dòng)裝置，達(dá)到棗樹(shù)分離的目的，但此種方式會(huì)對(duì)棗樹(shù)造成損傷。市場(chǎng)上現(xiàn)有的氣吸式撿拾機(jī)（如YE3600型）[5]對(duì)紅棗或者棗樹(shù)沒(méi)有造成較大的損傷，但不足之處是此機(jī)器效率低，由于機(jī)器密封，倒出紅棗比較繁瑣，且沒(méi)有自走功能。

現(xiàn)有的氣吸式紅棗撿拾機(jī)功耗較大，具有初步清選和自走功能的較少。針對(duì)現(xiàn)有的問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種自走式紅棗撿拾機(jī)，該機(jī)器基于負(fù)壓原理直接從地上撿拾紅棗，并對(duì)紅棗進(jìn)行初步清選，旨在實(shí)現(xiàn)高效撿拾紅棗的過(guò)程中對(duì)紅棗進(jìn)行清選，同時(shí)具有自走的功能，優(yōu)化紅棗收集和傾倒裝置，有效提高紅棗撿拾的工作效率。

1 自走式紅棗撿拾機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)

針對(duì)紅棗矮化密集種植模式，設(shè)計(jì)了一種氣吸式的自動(dòng)紅棗撿拾機(jī)。紅棗撿拾機(jī)整機(jī)底盤(pán)為三輪結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，且能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，主要結(jié)構(gòu)包括機(jī)架、風(fēng)機(jī)、風(fēng)箱、閉風(fēng)器、波紋管、集棗箱、清選系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)（圖1）。吸管與風(fēng)箱相連，風(fēng)箱與閉風(fēng)機(jī)相連，閉風(fēng)機(jī)與清選機(jī)相連。當(dāng)撿拾機(jī)工作時(shí)，風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓，紅棗被風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的負(fù)壓吸取，通過(guò)波紋管進(jìn)入風(fēng)箱，因重力落入閉風(fēng)器，閉風(fēng)器轉(zhuǎn)動(dòng)使得紅棗落入清選系統(tǒng)。清選系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)將雜質(zhì)吹出，清選后的紅棗落入收集箱，箱體后方有一開(kāi)口，便于集棗箱的更換。前輪為萬(wàn)向輪，動(dòng)力系統(tǒng)將動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳到行走輪上，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自主行走。

1.2 工作原理

啟動(dòng)柴油機(jī)后，通過(guò)聯(lián)軸器、皮帶輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳送給風(fēng)機(jī)、閉風(fēng)器等裝置。大風(fēng)機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，在真空室中產(chǎn)生負(fù)壓，紅棗通過(guò)氣吸管被吸取。閉風(fēng)器工作，阻止外來(lái)空氣進(jìn)入，保證撿拾的紅棗能夠連續(xù)不斷地及時(shí)排出，落入收集箱中;柴油機(jī)的動(dòng)力通過(guò)減速器減速，傳遞給小風(fēng)機(jī)，小風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較小的風(fēng)力，清除雜質(zhì);此機(jī)器的前輪為萬(wàn)向輪，可以方便地調(diào)整行走方向，后輪通過(guò)柴油機(jī)提供的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，由離合器控制，實(shí)現(xiàn)自走功能。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 閉風(fēng)器的設(shè)計(jì)

該機(jī)器的創(chuàng)新之處在于增加了閉風(fēng)器（圖2），其主要功能是將紅棗連續(xù)不斷地及時(shí)排出，同時(shí)阻止外空氣進(jìn)入，具有良好的密封性。該閉風(fēng)器是由帶有數(shù)片葉片的轉(zhuǎn)子葉輪、殼體、密封件等組成。葉輪采用敞開(kāi)式，既能起到防止堵塞的作用，又減輕了機(jī)重，縮小了外型。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自走式紅棗撿拾機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)主要由聯(lián)軸器、皮帶輪組成。動(dòng)力分別通過(guò)2個(gè)皮帶輪傳遞到風(fēng)機(jī)、行走輪、閉風(fēng)器中。皮帶傳動(dòng)具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，低成本和緩沖吸振作用;皮帶彈性較好，工作時(shí)可以緩沖、吸振。當(dāng)負(fù)載過(guò)大時(shí)，皮帶輪會(huì)打滑，可以防止損壞其他部件，起到安全保護(hù)的作用。

2.3.2 風(fēng)機(jī)2的選擇與計(jì)算。

風(fēng)機(jī)2主要的作用是產(chǎn)生風(fēng)力，將雜質(zhì)與紅棗分離，棗葉在氣流場(chǎng)中的受力與棗葉在氣流場(chǎng)中下落的姿態(tài)角（棗葉的縱軸線與氣流方向之間的夾角）有關(guān)，姿態(tài)角不同，受力面積不同。棗葉在氣流場(chǎng)中承受氣流阻力、浮力、重力3種力[6]，與棗葉重力及氣流阻力相比，浮力可以忽略不計(jì)。氣流阻力進(jìn)一步分為壓差阻力及沿程阻力。壓差阻力是棗葉表面壓力的合力在來(lái)流方向的分力，是棗葉上表面和下表面上的壓力之間的差值;沿程阻力是棗葉與氣流產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)上表面與下表面之間產(chǎn)生的摩擦力，是作用在棗葉表面上的切應(yīng)力在來(lái)流方向的總和。棗葉受力情況如圖3所示。

按以下公式計(jì)算重力：

壓差阻力F1在垂直方向上的分量：

沿程阻力F2在垂直方向上的分量：

其中，棗葉的上表面區(qū)域和下表面區(qū)域的氣流速度不同，下表面的氣流速度大于上表面的氣流速度。

氣流阻力在垂直方向的合力：

也可以寫(xiě)成：

式中，P為棗葉上表面受到的氣流壓力，單位為N/m2;

ΔP為棗葉上下表面的壓力差，單位為N/m2;

β為棗葉落下時(shí)與氣流之間的夾角;

f為摩擦系數(shù)，與棗葉的形狀、氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。

根據(jù)伯努利方程可知，在流體運(yùn)動(dòng)中忽略了黏性損失，單位質(zhì)量流體攜帶的總能量（位能、壓能、動(dòng)能）在其流經(jīng)的路程前后位置時(shí)保持恒定，由于氣流的比重非常小，因此可以忽略位能。為了計(jì)算懸浮速度，將壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，公式（10）可寫(xiě)為：

式中，c為壓差系數(shù);V為氣流速度，單位為m/s;K0為試驗(yàn)系數(shù);γ為空氣比重，單位為N/m3。

當(dāng)氣流阻力等于紅棗重力時(shí)，棗葉處于懸浮狀態(tài)，氣流速度即為懸浮速度，即：

換算成懸浮速度：

Vf是在無(wú)限氣流場(chǎng)中計(jì)算得到的棗葉懸浮速度的公式。然而，在實(shí)踐中棗葉的清選分離是在有限的管道中進(jìn)行的，因此必須考慮由棗葉占據(jù)管道有限面積引起的氣流變化。根據(jù)雷諾數(shù)的大小，氣體在管道中的流動(dòng)可分為層流和紊流。層流中，氣流的速度從管壁到軸心成拋物線分布，其平均速度僅為軸心處最大速度的50%;紊流中，速度呈指數(shù)分布，其平均速度為最大速度的0.80～0.85倍。綜上可知，棗葉在有限氣流中懸浮速度VL如下：

式中，K1為氣流的狀態(tài)系數(shù)，與氣流狀態(tài)和管道中氣流的能量損失有關(guān);j為棗葉與管道總面積之比。

VL是在有限氣流場(chǎng)中獲得的棗葉懸浮速度，是簡(jiǎn)單分析在氣流場(chǎng)中單個(gè)棗葉的受力，但棗葉都是成群出現(xiàn)，相互碰撞并相互作用。該研究不考慮棗葉和紅棗之間的相互作用。由于棗葉的姿態(tài)角為0～π/2，因此可以認(rèn)為在每個(gè)姿態(tài)角處的棗葉是等概率的。因此，可得出棗葉在有限氣流管道中的平均懸浮速度：

式中，G1=M1g=0.4×10-3×9.8=3.92×10-3（N）， S1=0.116 m2， K1=0.4，φ=0.333，K0=0.6，c=0.609。

經(jīng)計(jì)算得出，紅棗棗葉的懸浮速度為2.73 m/s。

2.3.3 風(fēng)機(jī)的選型。

該機(jī)器風(fēng)機(jī)如圖4、圖5所示。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，清選設(shè)備主要有農(nóng)用型離心風(fēng)扇和通用型離心風(fēng)機(jī)2種[7]。吹出型風(fēng)機(jī)大部分為農(nóng)用型，吸入型裝置則為通用型。吸入型清選裝置采用的通用型風(fēng)機(jī)，大多為螺旋蝸殼型殼體。單面進(jìn)風(fēng)，葉輪直徑為250～400 mm，轉(zhuǎn)速1 600～1 900 r/min。 通過(guò)選型，可確定使用風(fēng)機(jī)型號(hào)為L(zhǎng)-09系列風(fēng)機(jī)[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

該研究針對(duì)目前紅棗撿拾存在的問(wèn)題，基于負(fù)壓原理設(shè)計(jì)了一種自走式紅棗撿拾機(jī)，該機(jī)器主要由收集裝置、清選裝置、行走機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)和底盤(pán)等組成。通過(guò)對(duì)該自走式紅棗撿拾機(jī)的研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)具結(jié)構(gòu)合理，方案可行。該機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)氣吸原理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化撿拾紅棗的功能，提高了勞動(dòng)效率。機(jī)械采收效率約比人工采收提高4～5倍[9];具有一定的清選功能;采用氣吸式收集，對(duì)紅棗的損傷較小。目前該機(jī)械的不足之處在于

該機(jī)器仍需要人工手持撿拾管收集紅棗，人工控制機(jī)器前進(jìn)方向，后續(xù)將進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)研究，從結(jié)構(gòu)和功能上對(duì)該機(jī)器進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)高效率的自動(dòng)化紅棗撿拾作業(yè)。

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