新型落地紅棗收獲機的設計

魯 兵，王旭峰，3，張攀峰，胡 燦

新型落地紅棗收獲機的設計

魯 兵1，2，王旭峰1，2，3，張攀峰1，2，胡 燦1，2

(1.塔里大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300；3.中國農業大學 工學院，北京 100083)

為解決南疆矮化密植棗園紅棗收獲難題，針對矮化密植種植模式下的棗園特點，設計出基于清掃方式和氣吸方式相結合的新型落地紅棗收獲機。介紹了整機結構和工作原理，并對關鍵部件進行了設計，確定了各關鍵部件的基本結構和具體型號。同時，分析了紅棗清掃聚攏過程，得出清掃輥刷轉速、機具前進速度與清掃輥刷清掃效果之間的關系，并通過田間試驗驗證了清掃輥刷轉速、機具前進速度與清掃輥刷清掃效果之間的關系。該機整體尺寸小，適應性強，作業效率高，適用于南疆矮化密植種植模式的棗園進行紅棗收獲作業。

紅棗；矮化密植；收獲機；清掃裝置

0 引言

紅棗是我國特色的林果產品，除了韓國種植有少數的紅棗外，我國是紅棗種植的主要生產基地[1-2]。新疆的南疆地區(以下簡稱南疆)空氣稀薄、日照時間長、晝夜溫差大等氣候條件有利于紅棗的糖分積累，為南疆紅棗的優良品質奠定了基礎[3]。南疆是我國的主要紅棗種植地區，也是我國優質紅棗的主要生產基地。目前，南疆的棗園種植模式普遍采用矮化密植種植模式[4]。隨著新疆生產建設兵團“減棉、增糧、增果、擴畜”的農業結構調整方針的實施，紅棗種植規模仍然在不斷擴大，紅棗種植已成為南疆特色林果支柱產業。但是，大面積的紅棗采收仍然依靠人工撿拾來完成，嚴重制約了紅棗產業的發展。

針對新疆紅棗采收作業難題，新疆農墾科學院湯智輝等研制出4YS-24型紅棗收獲機，主要通過液壓驅動夾持裝置夾持棗樹樹干進行振搖果樹收獲作業，但并不適用于矮化密植種植模式[5-6]。石河子大學坎雜等研制出4ZZ-4型紅棗收獲機，主要通過激振裝置對棗樹上的紅棗進行采摘收獲[7-9]，對掉落地面紅棗收獲比較困難且對棗樹有一定的損傷，目前仍處于研制階段。塔里木大學史高昆等研制出YE3600型氣吸式紅棗收獲機，主要運用負壓風機形成負壓對地面紅棗進行氣吸撿拾收獲[10]，棗園地面紅棗分布比較分散，風機負壓口的有效作業距離小，導致該型紅棗收獲機械的作業效率受到限制。

為此，利用清掃方式和氣吸方式相結合，設計了一種適用于落地紅棗進行撿拾收獲的新型落地紅棗收獲機械。該機具解決了棗園地面紅棗分布比較分散和風機負壓口有效作業距離小的難題，適用于對南疆棗園種植模式下的落地紅棗進行收獲作業。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

機具由清掃裝置、仿形鏟棗裝置、紅棗輸送管、柴油機、傳動系統、電啟動裝置、風機、集棗箱、手推扶桿、調整輪、調整輪調節手輪、行走輪及機架等部分構成，如圖1所示。

1.2 工作原理

新型落地紅棗收獲機是利用清掃聚攏和氣吸撿拾兩種方式相結合的新型落地紅棗收獲機械，與消防風機配套使用。首先，利用消防風機將棗樹底下的紅棗向棗樹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械進行清掃與氣吸收獲作業。工作過程中，通過手推扶桿推動機具向前行進作業；機具最前方的清掃裝置通過一對呈“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；機具向前行進時，仿形鏟棗裝置將形成壟狀的紅棗鏟起，紅棗中的土塊、石子等雜質從仿形鏟棗裝置的去雜縫隙中漏出，實現雜質與紅棗的分離；紅棗不斷向仿形鏟棗裝置的尾部移動，利用風機形成的負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。機具除行走以外的動力全部由柴油機提供，通過調整輪調節手輪可實現清掃裝置最下端清掃刷絲的變形量和清掃輥刷對地壓力的控制。

1.調整輪 2.清掃裝置 3.仿形鏟棗裝置 4.紅棗輸送管 5.柴油機 6.行走輪 7.集棗箱 8.手推扶桿 9.風機 10.電啟動裝置 11.傳動裝置 12.機架 13.調整輪調節手輪圖1 新型落地紅棗收獲機結構示意圖Fig.1 Sketch diagram of new type jujube harvest machine

1.3 主要技術參數

根據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的主要技術參數如表1所示。

表1 新型落地紅棗收獲機主要技術參數

續表1

2 關鍵部件設計與選型

2.1 清掃裝置

新型落地紅棗收獲機通過清掃裝置將棗園行間的“紅棗帶”清掃聚攏形成壟狀。清掃作業是完成落地紅棗收獲的一個重要環節，因此清掃裝置的設計非常關鍵。清掃裝置主要由1對呈“V”型布置的清掃輥刷組成。清掃輥刷轉速和機具的前進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[11-12]。清掃輥刷轉速和機具的前進速度對清掃輥刷接地點速度的大小和方向的影響分析如圖2所示。

V進為機具向前行進的速度；V轉為清掃輥刷接地點的圓周切線速度；θ為兩清掃輥刷的夾角的速度；ω為清掃輥刷旋轉的角速度。

圖2 清掃輥刷接地點刷絲速度分析

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

2.1.1 清掃輥刷轉速對清掃效果的影響

清掃輥刷轉速對清掃輥刷接地點的絕對速度有直接影響。當機具的行進速度V進保持不變，清掃輥刷分別以ω和2ω角速度旋轉，對應清掃輥刷接地點的旋轉切線速度分別為V轉和2V轉。由圖3(a)可知：當清掃輥刷旋轉切線速度為V轉時(δ=90°+θ/2)，清掃輥刷接地點的絕對速度V絕和接地點絕對速度與前進方向的夾角β可表示為

(1)

(2)

由圖3(b)可知：當清掃輥刷接地點的旋轉切線速度為2V轉時，清掃輥刷接地點的絕對速度V絕′和接地點絕對速度與前進方向的夾角β′可表示為

(3)

(4)

聯立公式(1)～公式(4)得

由上述分析可得：當清掃輥刷的旋轉切線速度由V轉增大到2V轉時，V絕′>V絕，β′>β，說明隨著清掃輥刷轉速的增大，清掃輥刷接地點的絕對清掃速度和絕對速度與前進方向的夾角均隨之增大。清掃輥刷接地點絕對速度的增大有助于地面紅棗向前清掃拋射，同時接地點絕對速度與前進方向間夾角的增大有助于清掃過程中地面紅棗向棗行中間聚攏集中形成壟狀。

圖3 清掃輥刷轉速對清掃輥刷接地點絕對速度的影響分析Fig.3 Analysis of the effect of rotating speed of roller-brush on absolute

velocityofcleaningroller-brushgroundpoints

2.1.2 機具前進速度對清掃效果的影響

機具前進速度是影響清掃輥刷接地點絕對速度的另一重要因素(見圖4)。當清掃輥刷保持角速度ω、旋轉切線速度V轉不變時，機具分別以V進和2V進速度向前行進。由圖4(a)可知：當機具的前進速度為V進時，清掃輥刷接地點的絕對速度V絕和接地點絕對速度與機具前進方向的夾角β同式(1)、式(2)所示。

由圖4(b)可知：當機具的前進速度為2V進時，清掃輥刷接地點的絕對速度V絕′和接地點絕對速度與機具前進方向的夾角β′可表示為

(5)

(6)

聯立公式(1)、(2)、(5)、(6)可得

圖4 機具前進速度對清掃輥刷接地點絕對速度的影響分析Fig.4 Analysis of the effect of forward speed of machine on absolute

velocityofcleaningroller-brushgroundpoints

2.2 風機型號選取

新型落地紅棗收獲機采用吸送式氣力輸送方式對仿形鏟棗裝置收集的紅棗進行輸送。氣力輸送主要利用氣流對紅棗進行輸送，氣流速度的大小直接影響對紅棗氣力輸送的效果，風機型號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現順利輸送，對紅棗氣力輸送的氣流速度進行理論分析計算。根據氣力輸送原理和結合實際情況，紅棗氣力輸送的氣流速度為[13]

Va=φVt

(7)

(8)

式中Va—氣力輸送的氣流速度(m/s)；

Vt—物料的懸浮速度(m/s)；

φ—速度系數；

m—物料的質量(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—垂直于流體流動方向的物料投影面積；

C—阻力系數。

采用液浸法測得紅棗的密度ρs為410～750kg/m3(含水率對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、復雜程度以及紅棗的相關特性確定速度系數φ的取值范圍為2.4～5.0；單顆紅棗的質量m為5.7～12.8g；C的取值為0.44。根據公式(7)、(8)，可計算出紅棗氣力輸送的氣流速度Va為24.5m/s。再根據紅棗氣力輸送需要的氣流速度，可計算確定風機型號為CF-2.5A型離心風機。

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，具體結構如圖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 仿形鏟棗裝置結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of copying shovel

其中，仿形鏟鉸接部位通過鉸鏈與機架連接在一起，構成機具的一個重要工作部件。作業時，仿形鏟棗裝置可繞仿形鏟鉸接部位進行轉動，保證仿形輪在整個裝置的重力作用下始終沿地面向前行進，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時對紅棗造成損傷，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，也進一步保證了仿形鏟棗裝置的仿形效果。

通過對紅棗外形尺寸進行測量統計，確定仿形鏟棗裝置的長條狀去雜縫隙的寬度為14mm。同時，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，仿形鏟與地面之間的夾角γ應滿足γ

2.4 傳動系統

傳動系統主要由V帶傳動和齒輪箱傳動組成，如圖6所示。整個機具的作業動力由柴油機提供，柴油機的輸出動力通過兩條傳動路線分別傳遞到風機和清掃裝置。傳動路線Ⅰ通過兩級V帶傳動將柴油機的輸出動力輸送到風機，傳動路線Ⅱ通過V帶傳動和齒輪箱傳動將柴油機的輸出動力傳送至清掃裝置。為減小柴油機啟動時的啟動載荷和增加機具的安全性能，在兩條傳動路線中增加牙嵌式離合器以利于對工作裝置的控制。

3 田間試驗

田間試驗在新疆生產建設兵團第一師六團標準化矮化密植棗園進行。試驗棗園棗樹種植行距和株距分別為2.5m和1.5m，棗樹高2～2.5m，樹齡5年，在棗樹行間人工鋪撒紅棗模擬機具實際的作業環境。機具的前進速度和清掃輥刷轉速影響機具清掃聚攏紅棗的效果。根據實際情況，對機具分別進行前進速度為0.7 、1.1、1.5km/h，清掃輥刷轉速為120、140、160r/min的單因素田間模擬試驗。試驗結果表明：新型落地紅棗收獲機在矮化密植棗園進行紅棗收獲，效果良好；隨著清掃輥刷轉速的增大，機具向前清掃紅棗形成壟狀的質量明顯提高；隨著機具前進速度的增大，機具對落地紅棗向前拋射的力度有所增大，但形成壟狀的質量降低。

4 結論

1)根據南疆棗園的建園模式和棗農對紅棗收獲的要求，設計了基于清掃方式和氣吸方式相結合的新型落地紅棗收獲機，為矮化密植棗園紅棗收獲機的設計提供了新思路。

2)通過對關鍵工作部件進行設計和選型，分析了各關鍵部件的主要參數對紅棗收獲的影響，并確定了各關鍵部件的主要結構、參數要求和具體型號。

3)通過田間模擬試驗，驗證了新型落地紅棗收獲機可用于南疆矮化密植棗園進行紅棗收獲作業。同時，驗證了清掃輥刷轉速、機具前進速度與清掃輥刷清掃效果之間的關系。

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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

國家自然科學基金項目(11562019)；公益性行業(農業)科研專項(201503105)；塔里木大學現代農業工程重點實驗室開放課題項目(TDNG20160101)；塔里木大學校長基金項目(TDZKQN201510)；塔里木大學研究生科研創新項目(TDGRI201514)

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

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

S225.93

A

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