梳齒式落地紅棗撿拾裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王成霄，丁龍朋，竇風(fēng)玲，坎雜，李楓楠，李景彬*

(1 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院/現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003; 2 石河子銳益達(dá)機(jī)械裝備有限公司，新疆 石河子 832000)

紅棗是我國(guó)的特色林果，種植面積和產(chǎn)量均居世界首位[1]。2018年我國(guó)紅棗種植面積達(dá)331萬(wàn)公頃，總產(chǎn)量為877.8萬(wàn)噸[2]。新疆是我國(guó)紅棗的主要產(chǎn)地，2019年新疆紅棗產(chǎn)量為361萬(wàn)噸，占全國(guó)總產(chǎn)量的41%[3]。目前，新疆紅棗大多采用3 m×1.5 m(行距×株距)或4 m×1.5 m(行距×株距)的種植模式，寬行密植已成必然趨勢(shì)，這種模式為棗園機(jī)械化作業(yè)提供了有力條件[4]。

紅棗收獲作為紅棗生產(chǎn)作業(yè)中的主要環(huán)節(jié)，機(jī)械化水平低[5]。收獲期大約有60%的紅棗自然掉落地面，收獲時(shí)棗農(nóng)用木棍將仍?huà)煸跅椫Φ募t棗敲落至棗行之間，使用背負(fù)式消防風(fēng)機(jī)對(duì)散落在行間地表的紅棗進(jìn)行集條攏堆，用塑料耙子將堆好的紅棗裝入袋中，再將成袋的紅棗抬到地頭用清選機(jī)進(jìn)行風(fēng)選[6]。對(duì)于砂土地落地紅棗的收獲更加困難，消防風(fēng)機(jī)等設(shè)備無(wú)法使用，只能靠人工將紅棗撿拾到集棗框內(nèi)。整個(gè)紅棗收獲過(guò)程勞動(dòng)強(qiáng)度大，收獲成本高達(dá)4 500～7 500元/hm2，收獲成本占整個(gè)紅棗生產(chǎn)過(guò)程的35%～45%。因此，研制一種砂土地落地紅棗撿拾裝置對(duì)降低勞動(dòng)強(qiáng)度和成本以及提高棗農(nóng)收入有重要意義。

國(guó)內(nèi)對(duì)落地紅棗撿拾機(jī)械的研究不斷深入，取得了一定的成果；張學(xué)軍等[7]研制的紅棗撿拾機(jī)采用負(fù)壓吸拾的原理，拾凈率高、含雜率低，但機(jī)具較小，不能滿(mǎn)足高效率的大田作業(yè)要求；魯兵等[8]研制的清掃式紅棗收獲機(jī)具有清掃集條的功能，但該機(jī)仿形存在問(wèn)題，操控也不夠靈活；潘俊兵等[9]研制的氣吹式落地紅棗撿拾裝置采用正壓氣流吹棗的撿拾方式，可降低對(duì)紅棗的損傷，但該撿拾機(jī)沒(méi)有進(jìn)行田間試驗(yàn)，機(jī)具的工作性能沒(méi)有得到驗(yàn)證。目前，應(yīng)用于落地紅棗收獲的機(jī)具大多采用氣力撿拾的方式，該方式拾凈率高、損傷率低，但普遍存在工作效率低和性能不穩(wěn)定的問(wèn)題。在砂土地落地紅棗撿拾時(shí)，氣力式撿拾機(jī)存在揚(yáng)砂嚴(yán)重、紅棗和砂土分離困難等問(wèn)題，而無(wú)法滿(mǎn)足砂土地作業(yè)要求。目前，棗農(nóng)迫切需要一種適應(yīng)南疆砂土棗園作業(yè)環(huán)境的落地紅棗撿拾機(jī)械，以解決砂土地紅棗收獲的難題[10]。

針對(duì)砂土環(huán)境下氣力式落地紅棗撿拾機(jī)揚(yáng)砂嚴(yán)重、棗土分離困難等問(wèn)題，本文采用剛性撿拾和柔性撿拾相結(jié)合的方式，利用梳齒間隙和分離升運(yùn)鏈進(jìn)行除雜，從而有效減少對(duì)紅棗的損傷，實(shí)現(xiàn)紅棗與砂土分離、降低紅棗含雜率。

1 裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

機(jī)械式落地紅棗撿拾機(jī)是一款針對(duì)砂土棗園落地紅棗撿拾作業(yè)的自走式收獲機(jī)，該撿拾機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、腰節(jié)轉(zhuǎn)向底盤(pán)、駕駛操作平臺(tái)、集條裝置、撿拾裝置、輸送裝置、清選裝置等組成，其整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械式落地紅棗撿拾機(jī)

梳齒式撿拾裝置是機(jī)械式落地紅棗撿拾機(jī)的關(guān)鍵工作部件，主要完成撿拾清選作業(yè)。撿拾裝置主要由梳齒、仿形輪、條刷輥、分離升運(yùn)鏈等關(guān)鍵部件組成。梳齒式落地紅棗撿拾裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—仿形輪；2—梳齒；3—條刷輥;4—分離升運(yùn)鏈; 5—主動(dòng)軸;6—托輪;7—抖動(dòng)輪圖2 梳齒式落地紅棗撿拾裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 工作原理

梳齒式落地紅棗撿拾裝置作為撿拾機(jī)的主要工作部件，由撿拾機(jī)的柴油機(jī)帶動(dòng)液壓泵為液壓馬達(dá)提供動(dòng)力。工作時(shí)，先調(diào)整好仿形輪的高度，保證前進(jìn)過(guò)程中梳齒入土深度恒定，撿拾裝置在撿拾機(jī)的推動(dòng)下前進(jìn)，通過(guò)入土梳齒將地面紅棗鏟起，撿拾裝置前進(jìn)過(guò)程中紅棗不斷在齒面上堆積，梳齒上的紅棗在撿拾條刷的梳刷下沿梳齒到達(dá)分離升運(yùn)鏈，與紅棗摻雜在一起的砂土在升運(yùn)鏈抖動(dòng)輪的作用下從升運(yùn)鏈間隙中落至地面。紅棗完成清選的同時(shí)輸送至下一級(jí)，實(shí)現(xiàn)紅棗的撿拾和清選作業(yè)。撿拾裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 撿拾裝置的主要參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 入土梳齒

落地紅棗撿拾裝置入土梳齒的主要作用是以最淺的入土深度將地面紅棗鏟到齒面上來(lái)，主要工作參數(shù)包括入土深度、入土角度、梳齒間距。為保證能把地表紅棗全部鏟起，需要撿拾裝置具有仿形功能，因此，該撿拾裝置設(shè)計(jì)了一種滑槽仿形結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

1—底盤(pán)；2—圓管;3—滑槽支座;4—滑槽;5—液壓缸;6—液壓缸支座圖3 滑槽仿形機(jī)構(gòu)

圖3中液壓缸固定端通過(guò)支座與底盤(pán)鉸接，伸縮端通過(guò)滑槽支座與分離升運(yùn)鏈上的圓鋼管相連。液壓缸伸縮端處于滑槽的末端，當(dāng)液壓缸伸長(zhǎng)時(shí)會(huì)先沿滑槽滑動(dòng)，滑至滑槽前端時(shí)液壓缸繼續(xù)伸長(zhǎng)，將分離升運(yùn)鏈緩慢抬升；當(dāng)液壓缸收縮時(shí)，分離升運(yùn)鏈會(huì)緩慢下降，液壓缸收縮至滑槽前端后，梳齒會(huì)插入土層，通過(guò)調(diào)整仿形輪的高度，可以調(diào)整梳齒入土的深度，并在前進(jìn)過(guò)程中保證入土深度恒定，實(shí)現(xiàn)仿形功能。

通過(guò)測(cè)定灰棗的外形尺寸得到其短軸為14.9～26.73 mm，長(zhǎng)軸為20.09～40.49 mm，因此,要保證紅棗在梳齒上不遺漏，梳齒間隙不卡棗，設(shè)計(jì)時(shí)梳齒間距必須小于14.9 mm，再考慮整機(jī)設(shè)計(jì)要求，最終確定以直徑為14 mm、長(zhǎng)度為228 mm的圓鋼作為梳齒，梳齒間距為12 mm。

撿拾裝置前進(jìn)過(guò)程中梳齒入土角度的大小直接影響紅棗能否被梳齒鏟起以及在齒面上的堆積狀態(tài)，通過(guò)理論分析可知，當(dāng)紅棗以長(zhǎng)軸與梳齒平行的方向處在梳齒間隙中時(shí)，紅棗主要受到滑動(dòng)摩擦力。紅棗在梳齒上的受力如圖4所示，梳齒的水平傾角的理論值范圍可由圖4中對(duì)紅棗受力分析所得的平衡方程(1)、(2)確定。

圖4 紅棗在梳齒上受力示意圖

Qcosα-F-Gsinα=0，

(1)

N-Qsinα-Gcosα=0，

(2)

式中Q是紅棗沿梳齒上升所需要的力；F是紅棗對(duì)梳齒的滑動(dòng)摩擦力，F(xiàn)=fN；N是紅棗受到的支持力；F是紅棗與梳齒間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)；A是梳齒入土角。

由式(1)、(2)可得

(3)

通過(guò)受力分析圖4可以得出保證紅棗能鏟到梳齒上的條件為

Q≥Gtan(α+φ)。

(4)

式(4)中φ是滑動(dòng)摩擦角。

由式(3)、(4)可知：梳齒的入土角度和紅棗沿梳齒上升所需要的力、紅棗與梳齒間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)以及紅棗重力有關(guān);紅棗沿梳齒上升所需要的力Q與入土角α和砂土對(duì)梳齒的摩擦角φ成正切關(guān)系;α增大有利于破碎砂土，使砂土從梳齒間隙中漏出，但紅棗沿梳齒上升所需要的力也會(huì)增大，同時(shí)梳齒的工作阻力增大,而α減小時(shí)砂土不易被破碎。

不同土壤的最佳入土角度不同，本文理論分析與前期試驗(yàn)表明，砂土地入土角設(shè)置為20°～30°。撿拾裝置的撿拾條刷輥可為齒面上的紅棗提供較大的驅(qū)動(dòng)力，并且要求在梳齒可承受阻力范圍內(nèi)減少梳齒的鏟土量，因此梳齒入土角度可適當(dāng)?shù)恼{(diào)高，另外，由于梳齒的入土深度可調(diào)，即梳齒根據(jù)地面平整度和土壤類(lèi)型可繞固定值旋轉(zhuǎn)，所以梳齒入土深度可調(diào)范圍選在0～40 mm之間，對(duì)應(yīng)的α角的可調(diào)節(jié)范圍在30°～33°之間。

2.2 撿拾條刷輥

落地紅棗撿拾裝置撿拾條刷輥的主要作用是將齒面上的紅棗梳刷至梳齒上并將紅棗輸送至下一級(jí)輸送裝置，主要工作參數(shù)包括條刷長(zhǎng)度、彈性模量等。條刷把紅棗梳刷到下一級(jí)輸送裝置的瞬間，紅棗的瞬時(shí)速度和下一級(jí)輸送的線(xiàn)速度相同，此時(shí)紅棗才能在輸送裝置上相對(duì)靜止而不會(huì)與輸送裝置發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，達(dá)到最佳的輸送效果。

紅棗在沿梳齒上升的過(guò)程中受到的紅棗之間相互擠壓力、砂土對(duì)紅棗的作用力，但相較于刷毛的梳刷作用力較小，可忽略不計(jì)；假設(shè)把紅棗梳刷到輸送裝置上的力完全由刷毛提供，則刷毛重力忽略不計(jì)，紅棗到達(dá)輸送裝置前端的速度為v,紅棗在條刷作用下的受力分析如圖5所示。

A為條刷的固定端；B為條刷的自由端；s為刷毛長(zhǎng)度(mm)； x為所選取條刷長(zhǎng)度(mm)；α為梳齒入土角(°)圖5 條刷受力示意圖

由能量守恒定理可得

(5)

(6)

其中EP是紅棗在梳齒末端所具有的能量，P是紅棗受條刷作用力(N)，M是紅棗重量(kg)，V是紅棗到達(dá)輸送裝置前端的速度(m/s)，L是梳齒長(zhǎng)度(mm)，H是梳齒末端高度(mm)。

刷毛任意截面上的彎矩為

M=-P(s-x)，

(7)

式(7)中E是刷毛彈性模量(GPa)，s是刷毛長(zhǎng)度(mm)，x是所選取條刷的長(zhǎng)度(mm)。

EIw″=M=-P(s-x)，

(8)

(9)

式中w是撓度值，I是條刷截面對(duì)其形心軸的慣性矩(mm4)。

刷毛固定端A的撓度值為0，即當(dāng)x=0、wA=0時(shí)，把邊界條件式(9)代入式(8)得

C=EIwA=0，

(10)

再將積分常數(shù)C代入式(8)，得撓曲線(xiàn)方程為

(11)

當(dāng)x=s時(shí)，得截面B的撓度為

(12)

由式(12)可知：刷毛的彈性模量和撓度值為反比關(guān)系，刷毛的長(zhǎng)度和撓度值為正比關(guān)系，所以刷毛的彈性模量越大，撓度值越高，彈性形變?cè)叫。珓偠葧?huì)越大[13]，而越容易對(duì)紅棗造成損傷。刷毛的彈性模量過(guò)小，彈性形變大，撓度值小，容易漏棗。刷毛的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，撓度越大，容易傷棗，刷毛長(zhǎng)度越短則反之。因此，本文選取彈性模量為3.14 GPa、直徑為1 mm、長(zhǎng)度為15 mm的PVC材質(zhì)刷毛制作成寬1 000 mm、高150 mm、厚度4 mm的條刷，條刷安裝間距為220 mm，保證條刷輥轉(zhuǎn)到任意位置時(shí)都有一個(gè)條刷處在工作狀態(tài)，即不容易傷棗，也能夠?qū)X面上的紅棗全部上梳刷到分離篩上。

2.3 分離升運(yùn)鏈

分離升運(yùn)鏈?zhǔn)菗焓把b置能夠完成輸送和清選的關(guān)鍵部件，主要作用是將砂土和紅棗分離，并把紅棗輸送到集棗箱。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1—驅(qū)動(dòng)輪；2—柵條起伏式回轉(zhuǎn)篩；3—從動(dòng)輪圖6 分離升運(yùn)鏈

落地紅棗撿拾裝置的柵條起伏式回轉(zhuǎn)篩，可使紅棗與砂土分離的同時(shí)保持紅棗輸送的穩(wěn)定。為保證柵條間隙不會(huì)漏棗，選取回轉(zhuǎn)篩的柵條直徑為8 mm，柵條水平間距20 mm，相鄰柵條之間高度差為7 mm，此時(shí)相鄰柵條的間隙為13 mm，小于灰棗短軸最短尺寸14.9 mm。取回轉(zhuǎn)篩上紅棗進(jìn)行受力分析，如圖7所示，可得紅棗受力方程(13)、(14)。

N1、N2為紅棗所受支持力(N)；N0為支持力的合力(N)； G0為紅棗所受重力(N)圖7 紅棗在回轉(zhuǎn)篩上受力示意圖

N1cosγ+N2cosδ=G0，

(13)

N1sinγ=N2sinδ。

(14)

式中N1、N2是紅棗所受支持力(GPa)，G0是紅棗所受重力(N)。

紅棗在柵條起伏式回轉(zhuǎn)篩上都有二根柵條為其提供支持力，通過(guò)受力分析可知：紅棗在水平方向和豎直方向都處于受力平衡狀態(tài)，能夠保持穩(wěn)定。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)條件

2019年11月在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師阿拉爾市13團(tuán)紅棗收獲示范基地進(jìn)行撿拾裝置性能試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象為示范基地矮化密植模式的灰棗。行距3 m，平均株距0.8 m，平均樹(shù)高2.5 m，樹(shù)齡8年，土壤類(lèi)型砂土，田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

圖8 田間試驗(yàn)與測(cè)試

3.2 試驗(yàn)方法

隨機(jī)選取棗行進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)行內(nèi)每20 m為一個(gè)測(cè)試區(qū)域，試驗(yàn)行開(kāi)頭機(jī)具調(diào)整穩(wěn)定區(qū)域?yàn)?0 m，每個(gè)測(cè)試區(qū)域后的停車(chē)區(qū)為6 m[14]。測(cè)試前先收集測(cè)試區(qū)域的地表紅棗，稱(chēng)其質(zhì)量并記錄數(shù)據(jù)，再將紅棗隨機(jī)地排布到該測(cè)試區(qū)域內(nèi)。撿拾裝置作業(yè)完成后，稱(chēng)得集棗框內(nèi)紅棗質(zhì)量，采用下面公式計(jì)算其拾凈率，

(15)

式(15)中Y1是拾凈率(%)，W是作業(yè)前地表紅棗總質(zhì)量(kg)，W1是作業(yè)后集棗框內(nèi)紅棗總重量(kg)。

通過(guò)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)撿拾裝置條刷輥轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、梳齒入土深度對(duì)紅棗撿拾裝置作業(yè)效果影響較大。條刷輥轉(zhuǎn)速過(guò)大于40 r/min時(shí)有紅棗從條刷輥上甩出，條刷輥轉(zhuǎn)速低于20 r/min時(shí)撿拾效率低；前進(jìn)速度大于0.4 m/s時(shí)梳齒上的紅棗會(huì)擁堵、撿拾效果不佳，前進(jìn)速度低于0.2 m/s時(shí)撿拾效率低；梳齒入土深度低于10 mm時(shí)有大量的紅棗無(wú)法撿拾到梳齒上，入土深度大于30 mm時(shí)梳齒壅土嚴(yán)重。因此，綜合考慮撿拾裝置作業(yè)穩(wěn)定性和撿拾效果，設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)方案[15-16]，最終確定3個(gè)試驗(yàn)因素各自的水平(表2)。

表2 試驗(yàn)因素與水平

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果及分析如表3所示。

由表3的極差分析可知：影響拾凈率的因素主次順序?yàn)闂l刷輥轉(zhuǎn)速>梳齒入土深度>前進(jìn)速度，其較優(yōu)因素水平組合為A1B3C2,即當(dāng)撿拾裝置條刷輥轉(zhuǎn)速為20 r/min、前進(jìn)速度為0.4 m/s、梳齒入土深度為20 mm時(shí)，撿拾裝置的性能較優(yōu)。

表3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4 結(jié)論

(1)本文研制了一種落地紅棗撿拾裝置，利用力學(xué)分析和動(dòng)能定理設(shè)計(jì)該裝置入土梳齒、撿拾條刷輥和分離升運(yùn)鏈的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)入土梳齒和撿拾條刷輥的聯(lián)合作用可實(shí)現(xiàn)砂土棗園落地紅棗的機(jī)械化撿拾作業(yè)。

(2)通過(guò)三因素三水平正交試驗(yàn)得出對(duì)撿拾裝置拾凈率的影響程度為條刷輥轉(zhuǎn)速>梳齒入土深度>前進(jìn)速度；當(dāng)撿拾裝置條刷輥轉(zhuǎn)速為20 r/min、前進(jìn)速度為0.4 m/s、梳齒入土深度為20 mm時(shí)，撿拾裝置的性能較優(yōu)。

(3)該撿拾裝置基本滿(mǎn)足落地紅棗收獲的作業(yè)要求，但還可繼續(xù)改進(jìn)，如撿拾條刷輥?zhàn)鳂I(yè)過(guò)程中有傷棗現(xiàn)象，分離升運(yùn)鏈能夠分離砂土，有部分棗葉無(wú)法清除。針對(duì)這些問(wèn)題可深入研究條刷傷棗機(jī)理和氣吹清選原理，指導(dǎo)條刷選型，優(yōu)化條刷輥的結(jié)構(gòu)，增加氣吹清選裝置。