矮化密植紅棗收獲機撿拾裝置的設計

張亞歐，坎　雜，李成松，付　威，王麗紅，李琳琳

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子　832000)

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矮化密植紅棗收獲機撿拾裝置的設計

張亞歐，坎雜，李成松，付威，王麗紅，李琳琳

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子832000)

摘要：針對紅棗人工撿拾勞動強度大、作業效率低、生產成本高等問題，設計了一種矮化密植紅棗收獲機撿拾裝置。該裝置與紅棗收獲機聯合作業，能夠實現紅棗一次性撿拾收獲。為此，介紹了撿拾裝置的結構與工作原理，并對關鍵工作部件進行了設計。采用復數矢量法對撿拾機構進行運動學分析，確定了偏心輪、吊桿、連接桿等關鍵工作部件的結構參數。通過對撿拾撥桿進行運動分析，獲得了工作過程中撥桿端點的運動方程，并確定了紅棗拋送初速度與偏心輪轉速之間的關系，為紅棗收獲機撿拾裝置的試驗研究提供了理論基礎。

關鍵詞：紅棗；收獲機；撿拾；運動分析

0引言

新疆氣候干燥、光照時間長、晝夜溫差大等諸多天然優勢，為紅棗生長提供了得天獨厚的條件[1]。截至2013年，新疆紅棗種植面積已達48.6萬hm2[2]。矮化密植紅棗由于產量高、經濟效益好，已經成為紅棗種植的主要模式[3]。當紅棗處于完熟期時，因其生物學特性會自然降落，尤其是受到風、雨等自然條件影響，落棗率達到70%～80%。所以，在紅棗機械化采收作業時，先要對落地紅棗進行撿拾作業。目前，新疆紅棗撿拾作業主要依賴人工，具有季節性強和勞動密集的特點，勞動強度大、效率低、作業成本高，且撿拾過程中易受到棗刺扎傷。因此，機械化撿拾是紅棗機械化采收作業的重要環節之一。

近年來，國內外對林果撿拾技術進行了探索性研究，主要分為氣力式(氣吸、氣吹)撿拾[4-5]和機械式撿拾[6-10]。氣力式撿拾存在功耗大、作業成本高等問題；機械式撿拾主要采用撿拾輥式和滾筒毛刷式，容易造成紅棗機械損傷，不能滿足紅棗機械化撿拾作業要求。為此，本文提出采用偏心式撿拾機構進行落地紅棗的撿拾作業，用鏈式輸送機構進行紅棗的輸送和果雜分離作業，并對關鍵工作部件進行了設計與運動分析，設計了一種與收獲機聯合作業的撿拾裝置，旨在為紅棗收獲機及紅棗撿拾技術的研究提供參考。

1設計方案與工作原理

1.1設計方案

為節省紅棗撿拾勞動力、降低生產成本，采用撿拾裝置與收獲機聯合作業的方式完成紅棗一次性撿拾收獲。由于棗園地勢凹凸不平，紅棗掉落具有一定的隨機性，因而提出采用將紅棗從地面“鏟”起向后拋送的方式實現落地紅棗的撿拾收獲。

本文設計的紅棗撿拾裝置主要由機架、撿拾機構、輸送機構、行走輪、側面擋板和液壓馬達組成，如圖1所示。其中，輸送機構安裝于撿拾機構的上方且撿拾撥桿與輸送撥桿交錯排列，撿拾裝置通過機架安裝于收獲機前端。

1.2工作原理

工作時，撿拾撥桿在撿拾機構偏心輪的驅動作用下，將落地紅棗“鏟”起，由于慣性作用紅棗隨著撥桿一起運動；當運動至最高點時，撥桿向下運動與紅棗脫離，紅棗以撥桿最高點時的切向速度為初速度向后做斜拋運動，進而在輸送機構的輔助作用下將紅棗輸送至收獲機輸送裝置，完成紅棗撿拾。

2主要結構部件的設計

2.1撿拾機構的設計

撿拾機構是撿拾裝置的核心部件，其結構形式直接影響機組的撿拾性能。根據紅棗的物理特性和撿拾作業要求，采用曲柄連桿機構實現將紅棗“鏟”起拋送的動作。為確保裝置整體結構的緊湊性和作業穩定性，本文將曲柄設計成偏心輪的形式，曲柄的長度即為偏心輪的偏心距，通過偏心輪驅動連接桿同時在吊桿的作用下帶動撿拾撥桿將紅棗從地面鏟起后拋送。該撿拾機構主要由驅動軸、機架、偏心輪、連接桿、吊桿、撥桿固定件、撿拾撥桿及液壓馬達組成，如圖2所示。

1.機架　2.撿拾機構　3.輸送機構　4.側面擋板

1.驅動軸　2.機架　3.偏心輪　4.連接桿

2.1.1偏心輪的設計

偏心輪是撿拾機構的核心部件，通過開有鍵槽的偏心孔與驅動軸連接達到偏心轉動的功能。作業時，應確保其工作穩定性與連續性。結合撿拾裝置的結構要求，偏心輪的安裝方式如圖3所示。偏心輪通過鍵槽與驅動軸連接，外部與圓柱滾子軸承過盈配合裝配，同時軸承兩端使用軸用擋圈鎖緊，防止偏心輪與軸承發生軸向竄動；軸承外端通過偏心固定件與連接桿進行螺栓連接。

1.驅動軸　2.軸用擋圈　3.偏心輪

2.1.2撿拾撥桿的設計

撿拾撥桿是紅棗撿拾的主要執行部件，其結構特點和強度直接影響紅棗撿拾的質量。在將紅棗“鏟”起的過程中，撥桿除了受到土壤阻力，還受到偏心輪轉動時產生的沖擊力。因此，撿拾撥桿的強度應滿足下述條件，即

σ=M總/W<[σ]

(1)

式中σ—撿拾撥桿工作時的應力；

M總—撿拾撥桿工作時所承受的總彎矩(主要由土壤阻力和偏心輪運動的沖擊力確定)；

W—抗彎截面模量；

[σ]—材料的許用應力。

經計算，撿拾撥桿的直徑為15mm，有效長度為750mm，材料為45鋼。通過焊接的方式固定在撿拾撥桿固定件上，并通過螺栓與連接桿連接。

2.1.3撿拾機構結構參數的確定

依據田間調研，棗園(壟溝除外)中低洼和凸起之間的距離為45～60mm。為確保撿拾撥桿均能將低洼和凸起處的紅棗撿拾，應使撿拾撥桿在豎直方向的運動幅值大于等于60mm。對偏心撿拾機構進行簡化，如圖4所示。由于撿拾撥桿與連接桿通過螺栓連接，故將其簡化為一根桿CE，偏心距簡化為曲柄AE，吊桿簡化為BD。以單個撿拾撥桿為研究對象，利用復數矢量法對關鍵結構參數進行求解。以偏心輪中心為原點，水平方向為x軸，豎直方向為y軸建立如圖4所示的坐標系。其中，L1為偏心距，L2為連接桿長，L3為吊桿長，L4為吊桿與偏心輪的安裝距離，L5為撿拾撥桿有效桿長，θ1、θ2、θ3分別為L1、L2、L3與x軸的運動夾角。

圖4　偏心機構運動學分析示意圖

依據圖4，建立機構封閉矢量方程為

(2)

將式(2)改寫并表示為復數矢量形式，即

L1eiθ1+L2eiθ2=L4+L3eiθ3

(3)

應用歐拉公式eiθ=cosθ+isinθ，將式(3)中的實部與虛部分離，則

(4)

消去θ3，進而對式(4)進行化簡得

Asinθ2+Bcosθ2+C=0

(5)

其中，A=2L1L2sinθ1，B=2L2(L1cosθ1-L4)，C=L12+L22+L42-L32-2L1L4cosθ1。

解式(5)可得

(6)

由圖4可知，撿拾撥桿端點C的位移為

(7)

由式(6)和式(7)可知：yc是關于L1、L2、L3、L4、和L5的函數。依次對各影響因素進行分析，確定相關結構參數。

撿拾機構各工作部件的結構參數不同，撿拾撥桿的運動幅值也有所不同。利用作圖法[11]分析各影響因素對撥桿端點運動幅值的影響，得知當改變偏心距L1時撥桿端點運動幅值變化較大。如圖5所示，A為偏心距為L1時撥桿端點的運動軌跡，B為將L1減小時撥桿端點的運動軌跡。由圖5可知：隨著L1的減小，撥桿端點的最高點、最低點和最前點、最后點的幅值明顯變小。因此，偏心距L1為撥桿端點運動幅值的重要影響因素，在求解過程中將其設為變量。

圖5　撿拾撥桿端點軌跡對比圖

依據裝置的整體結構要求(作業幅寬=1 200mm，整體高度≤400mm)，確定連接桿長度L2=150mm，吊桿長L3=95mm，吊桿與偏心輪的安裝距離L4=163mm，撿拾撥桿有效桿長L5=750mm。

依據四桿機構桿長條件[11]L1+L4≤L2+L3，初步確定0mm

2.2輸送機構的設計

輸送機構是撿拾裝置的主要工作部件，主要起輸送紅棗的作用。在作業過程中，應確保運輸的連續性與平穩性。依據撿拾裝置的作業需求，本文采用鏈式輸送機構。其主要由帶單邊彎板滾子鏈、輸送撥桿、撥桿橡膠固定件及撥桿碳鋼固定件組成，如圖6所示。依據輸送機構的作業需求，選擇08A帶單邊彎板滾子鏈，通過螺栓連接將輸送撥桿安裝于單側彎板上。其中，輸送撥桿采用橡膠固定件與碳鋼固定件通過螺栓連接的方式安裝，由于橡膠具有一定的彈性，可有效防止撥桿在運動的過程中出現松動的現象。

2.3撥桿分布設計

撿拾撥桿與輸送撥桿的排列方式對撿拾裝置的作業性能具有一定的影響：撥桿越密集對果實的收集能力越強，但易造成雜草與土塊擁堵現象；撥桿稀疏有助于撿拾過程中土塊與雜草的去除，但易出現漏果現象。為將紅棗撿起的同時避免雜草、土塊擁堵的現象，設計了撿拾撥桿與輸送撥桿交錯排列且相鄰撥桿間距均相等的結構形式，如圖7所示。撿拾撥桿將紅棗撿起時較小的土塊及雜草從撿拾撥桿的間隙中去除，同時輸送撥桿通過與撿拾撥桿交錯的間隙對紅棗進行輸送。駿棗果實縱向直徑為35～41mm，橫向直徑為25～29mm；灰棗果實縱向直徑為30～36mm，橫向直徑為20～27mm[12]。因此，相鄰撥桿間距l為20mm，撥桿直徑為15mm，整體寬度L為1 200mm。

1.帶單邊彎板滾子鏈　2.輸送撥桿

1.撿拾撥桿　2.輸送撥桿

3撿拾撥桿運動分析

撿拾撥桿在偏心輪的驅動作用下將紅棗以初速度v向后斜拋。因此，對撥桿運動進行分析，探尋偏心輪轉速與紅棗斜拋初速度的關系，為撿拾裝置的試驗研究提供理論基礎。

由于每一個撿拾撥桿的運動規律是相同的，選取一個撥桿進行分析。在水平面內，以偏心輪中心為原點，整機前進方向為x軸正方向，對撥桿運動進行分析，如圖8所示。在撿拾運動中，假設紅棗與撥桿之間無相對滑動，撿拾撥桿從位置1出發利用慣性原理將紅棗從地面撿起，此時紅棗受到自身重力G、撥桿支持力F及摩擦力f的作用；在慣性的作用下，紅棗隨著撥桿經位置2運動至位置3時，撥桿向下運動與紅棗脫離，紅棗在重力的作用下以撥桿在位置3時的切向速度v為初速度向后做斜拋運動；進而撥桿在偏心輪的驅動作用下繼續向位置4運動。同理，隨著整機前進撥桿再次以位置1為開始，位置3將紅棗拋出，以此類推。

作業時，撿拾撥桿端點運動方程為

(8)

式中xc—整機靜止時撥桿端點C水平方向位移(m)；

yc—整機靜止時撥桿端點C豎直方向位移(m)；

vm—整機作業速度(m/s)。

將式(7)代入式(8)中，則

(9)

其中，θ1=ωt，ω為偏心輪轉速；θ2是關于θ1的函數。對時間t進行求導，可知撥桿的運動速度為

(10)

圖8　撥桿運動分析示意圖

由圖8可知：當撥桿運動至位置3時向下，紅棗與撥桿脫離并以速度v做斜拋運動。由于在運動過程中紅棗與撥桿無相對滑動，此時v即為撥桿運動至位置3的瞬時速度。當撥桿運動至位置3時，偏心輪轉過的角度為90°，即ωt=90°。作業時，整機前進速度為0.3m/s，將L1=5mm、L2=150mm、L3=95mm、L4=163mm、L5=75mm代入式(10)，解得

(11)

由式(11)可知：紅棗水平運動方向與機組行進方向相反，且紅棗在撥桿的作用下的拋送初速度與偏心輪轉速ω有關，ω越大，拋送初速度越大。

4結論

1)針對紅棗人工撿拾勞動強度大、作業效率低、生產成本高等問題，提出采用偏心式撿拾機構進行落地紅棗的撿拾作業，用鏈式輸送機構進行紅棗的輸送和果雜分離作業，設計了一種與收獲機聯合作業的撿拾裝置，為紅棗收獲機及紅棗撿拾技術的研究提供了參考。

2)采用復數矢量法對偏心撿拾機構結構參數進行計算，確定偏心撿拾機構偏心距為5mm、吊桿長95mm、連接桿150mm、偏心輪與吊桿的安裝距離為163mm。

3)對偏心撿拾機構的運動過程進行理論分析，獲得了撥桿端點運動學方程，并確定了拋送速度與偏心輪轉速之間的關系，為紅棗收獲機撿拾裝置的試驗研究提供了理論基礎。

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Design of Dwarf and Close Planting Jujube Harvester Pickup Device

Zhang Yaou, Kan Za, Li Chengsong, Fu Wei, Wang Lihong, Li Linlin

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000,China)

Abstract：Dwarf and close planting jujube harvester pickup device was designed for the labor intensity and low efficiency of manual picking up. The joint operation of pickup device and harvester can both achieve jujube picking and harvesting one-time. Structure and working principle of pickup device were introduced, and key working parts were designed. Kinematics of pickup mechanism were analyzed using complex-number vector method, then structural parameters of eccentric, boom, connecting rods and other key working parts were determined. Motion equations of lever endpoint in the course of working were obtained by the motion analysis, and the relationship between throwing speed and eccentric rotational speed was determined, providing a theoretical basis for experimental study of jujube harvester pickup device.

Key words：jujube; harvester; picking up; motion analysis

文章編號：1003-188X(2016)04-0071-05

中圖分類號：S225.93

文獻標識碼：A

作者簡介：張亞歐(1988-)，女，河南柘城人，碩士研究生， (E-mail)zyo_shz@163.com。通訊作者：坎雜(1963-), 男, 新疆精河人,教授,博士生導師,(E-mail)kz-shz@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51365049)；新疆生產建設兵團重大科技項目(2013AA001-3)

收稿日期：2015-05-20