仿形傘狀集果式紅棗收獲裝置的設(shè)計(jì)

鄭永安 甄健民 王春霞 陳 超 胡 燦*

(1 塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院/新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 阿拉爾 843300) (2 阿拉爾質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測檢驗(yàn)所，新疆 阿拉爾 843300)

紅棗是我國特色林果產(chǎn)業(yè)，據(jù)相關(guān)資料顯示，全球90%的紅棗產(chǎn)自中國[1]。新疆因其晝夜溫差大、氣候干燥等特點(diǎn)，形成了新疆紅棗獨(dú)有的品質(zhì)[2]，特別適合于高品質(zhì)紅棗的產(chǎn)出。2005年以來，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)開始規(guī)模化發(fā)展紅棗，截至2013年，新疆紅棗種植面積已突破40萬公頃，占新疆林果業(yè)面積的48% 以上[3]。新疆紅棗大部分地區(qū)采用矮化密植種植模式，其種植規(guī)模不斷擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)紅棗的機(jī)械化采收具有重要意義。

國外林果收獲機(jī)械研究較早[4]，主要以柑橘、杏子、櫻桃、核桃等林果相關(guān)收獲機(jī)械研究為主[5]。近年來國外韓國忠南國立大學(xué)S. W. Lee et al.對紅棗的物理力學(xué)特性進(jìn)行研究，研制了一種基于樹冠振動(dòng)的全液壓自走式紅棗收獲機(jī)，成熟紅棗采收率達(dá)到95. 8%[6]。2013年，塔里木大學(xué)史高昆等人設(shè)計(jì)了YE3600型氣吸式紅棗收獲機(jī)[7]，主要由風(fēng)機(jī)、吸管、三通管道、分選管道、集棗框組成，通過田間試驗(yàn)得出其收獲效率是人工收獲效率的5. 2倍[8]。2015年，塔里木大學(xué)魯兵等人設(shè)計(jì)了一種牽引清掃式落地紅棗撿拾收獲裝置[9]，針對矮化密植型紅棗進(jìn)行了田間試驗(yàn)，對裝置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[10]。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)

針對新疆南疆地區(qū)紅棗采用矮化密植種植模式，對落地紅棗的收集與收獲，設(shè)計(jì)了一種仿形傘狀集果式紅棗收獲裝置，本裝置主要有落果收集筒、波紋軟管、固定喉箍、搭扣、傘形集果筒、固定孔、合頁、緊固喉箍、閥門、支撐座、柔性橡膠套，喉箍限位槽、落果端口等主要部件組成。收獲裝置總體如圖1所示。

1.傘形集果筒 2.落果收集筒 3.波紋軟管 4.固定喉箍 5.搭扣

其中，傘形集果筒由合頁與搭扣固定，傘形集果筒的合頁與搭扣對應(yīng)安裝位置開通孔，合頁與搭扣通過螺釘，螺栓固定在傘形集果筒上。傘形集果筒如圖2所示。

1.搭扣安裝孔 2.傘形集果筒固定榫頭 3.落果口 4.合頁安裝孔

集果收獲裝置的下半部分支撐座內(nèi)壁膠接對開柔性橡膠套，用以貼合不同直徑的樹干。支撐座采用榫接結(jié)構(gòu)，對開式支撐座一半加工有榫頭，另一半加工有榫眼，確保支撐座整體平整。支撐座采用一個(gè)固定喉箍和兩個(gè)緊固喉箍進(jìn)行固定和緊固，防止支撐座發(fā)生位移。支撐座上開有4個(gè)相隔90°的落果口。落果端口外壁加工有螺紋，與波紋軟管連接，波紋軟管另一端與落果收集筒端口通過螺紋連接。其中傘形集果筒與支撐座貼合的端面加工有榫頭，支撐座與傘形集果筒貼合的端面加工有榫眼，傘形集果筒與支撐座通過榫接的方式連接在一起，防止傘形集果筒轉(zhuǎn)動(dòng)，確保落果口對接正確。支撐座如圖3和圖4所示。

1.柔性橡膠套筒 2.緊固喉箍限位槽 3.落果端口 4.支撐座固定榫眼 5.固定喉箍限位槽

1.落果收集筒 2.波紋軟管

2 工作原理

2.1 作業(yè)對象選取

以新疆落地型紅棗收獲為例，介紹具體實(shí)施方式。在我國新疆地區(qū)，紅棗種植因地域集中、日光充足，普遍采用矮化密植種植模式[11]，棗樹行間距較密集，這種密植模式對提高棗園的紅棗產(chǎn)量作用十分明顯。新疆的紅棗生產(chǎn)主要以干制紅棗為主，為了提高紅棗的內(nèi)部品質(zhì)，按照農(nóng)藝要求，將干燥分為兩個(gè)階段，即收獲前紅棗在棗樹上的自然干燥階段和收獲后機(jī)械干燥加工階段。自然干燥階段是指在收獲前，為了更好地提高紅棗品質(zhì)，降低紅棗含水率，人為地推遲紅棗的收獲時(shí)間，使棗園中大部分紅棗在棗樹枝上繼續(xù)掛果，完成自然干燥的過程。然而，這種方式也導(dǎo)致了在收獲前，大約有三分之一以上的紅棗離枝掉落在棗田地面，形成了落地紅棗，使紅棗的收獲難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，矮化密植棗園以人工撿拾收獲為主要的收獲方式；另外，矮化密植模式行間距較小，大型收獲機(jī)械也無法進(jìn)入棗園作業(yè)，由于增大行距，會降低產(chǎn)量，因此，棗農(nóng)對增大行間距種植的模式意愿不強(qiáng)，致使新疆紅棗的機(jī)械化收獲作業(yè)成了較大的難題。

在紅棗成熟前，將仿形傘狀集果式紅棗收獲裝置提前固定在紅棗棗干上，使紅棗自然成熟時(shí)能掉入至傘形集果筒內(nèi)即可，收獲時(shí)，由于落地紅棗成熟度很高，大部份棗果自然掉入至傘形集果筒內(nèi)，完成集果收獲，通過人工打開落果收集筒底部的片狀式插板閥門，棗果進(jìn)入到收集框中完成收獲作業(yè)。

2.2 工作過程

首先將兩半柔性橡膠套分別膠接在兩半支撐座內(nèi)壁上，然后將4段波紋軟管旋入兩半支撐座上的落果端口，再將兩半支撐座套在果樹樹冠以下距地面一定高度的主干上，再把兩個(gè)緊固喉箍安裝在支撐座的限位槽中，同時(shí)擰緊緊固喉箍，保證支撐座的位置，再安裝固定喉箍保證支撐座上的落果端口位置正確。

其次將傘形集果筒套在果樹上，將搭扣扣緊之后安裝在支撐座上，再利用4個(gè)繩鉤其中一端勾住傘形集果筒的4個(gè)固定孔，另一端勾住果樹枝干，防止傘形集果筒產(chǎn)生傾斜。

最后將四段波紋軟管另一端旋入落果收集筒對應(yīng)的端口，安裝閥門，在落果收集筒下方放置收集框，當(dāng)落果收集完成時(shí)，打開落果收集筒底部的片狀式插板閥門，落果進(jìn)入到收集框中完成收獲作業(yè)。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 傘形集果筒容積

集果裝置由傘形集果筒、搭扣、合頁等組成，傘形集果筒共有4個(gè)落果端口，位于集果筒底部，通過對紅棗樹枝幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析[12]，確定集果筒高度為850 mm，頂面直徑1 200 mm，底面直徑240 mm。設(shè)計(jì)傘形集果筒如圖5所示。

圖5 傘形集果筒三維建模

傘形集果筒容積按下式計(jì)算

(1)

式中：V—傘形集果筒容積容積(m3)；

h—傘形集果筒高度(m)；

R—傘形集果筒頂面直徑(m)；

r—傘形集果筒底面直徑(m)。

3.2 集果筒形狀設(shè)計(jì)

落果聚攏區(qū)的集果過程因紅棗形狀的不規(guī)則而復(fù)雜多變，因此集果筒的三維結(jié)構(gòu)約束著落果端口的排果性能。完熟期紅棗的形狀可近似認(rèn)為在長、寬、厚 3 個(gè)方向上均為對稱的橢圓體，其質(zhì)量中心位于其對稱中心，故紅棗在落果聚攏區(qū)以“平躺”、“側(cè)臥”和“豎立”等姿態(tài)充入落果口。理論分析表明[13]，紅棗在重力場中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)概率與其本身 3 種姿態(tài)的截面積成正比，即：

(2)

式中：PL—為紅棗平躺姿態(tài)概率；

PS—為紅棗側(cè)臥姿態(tài)概率；

PE—為紅棗豎立姿態(tài)概率；

SL—為平躺姿態(tài)折合面積；

SS—為側(cè)臥姿態(tài)折合面積；

SE—為豎立姿態(tài)折合面積。

3種姿態(tài)的概率和為：

PL+PS+PE=1

(3)

由式(2)和式(3)得：

(4)

其中3種姿態(tài)的投影近似橢圓形，其面積分別為：

(5)

式中：l—為紅棗長度參數(shù)；

w—為紅棗寬度參數(shù)；

t—為紅棗厚度參數(shù)。

3.2.1 紅棗聚攏姿態(tài)試驗(yàn)

(1) 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)對象以生長期為六年生(各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定)的和田棗，取樣時(shí)，避開地頭，選擇長勢均勻的部分進(jìn)行取樣。由于果實(shí)的掉落位置、掉落時(shí)間等不同，導(dǎo)致物理特性略有差異，加之紅棗撿拾為一次性作業(yè)，試驗(yàn)采樣時(shí)充分考慮其方位、高度、層次等因素，確保樣品具有代表性。本次試驗(yàn)采樣采用部分區(qū)組完全隨機(jī)取樣法，即綜合考慮各個(gè)影響因素進(jìn)行均勻采樣。具體采樣方法如下：在標(biāo)準(zhǔn)矮化密植棗園中隨機(jī)選取10個(gè)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，每個(gè)區(qū)域 5 株紅棗。試驗(yàn)時(shí)在選定的 10 個(gè)區(qū)域中隨機(jī)選定 5 個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域中隨機(jī)選定 1株進(jìn)行采樣，在采樣對象選定后對其進(jìn)行標(biāo)記，為連續(xù)采樣做好準(zhǔn)備，同時(shí)采樣時(shí)應(yīng)盡量不要將棗樹上的果實(shí)碰落，造成誤撿。

(2)試驗(yàn)儀器

JM-B5003 電子天平(測量精度0. 001 g、量程500 g)，500-196電子游標(biāo)卡尺(測量精度0. 01 mm、量程200 mm)，MA 45水分測定儀(測量精度 0. 001 g、量程45 g)，密封袋。

(3)試驗(yàn)方法

使用電子游標(biāo)卡尺對落地棗三維幾何尺寸進(jìn)行測量，每組重復(fù) 3 次，以平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

使用水分測定儀對落地棗的果實(shí)含水率進(jìn)行測量，每粒紅棗重復(fù) 3 次，以平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(4)試驗(yàn)結(jié)果分析

最終選擇完熟期3個(gè)品級，含水率平均為22%的和田棗各100粒，測量其長、寬、厚方向上的三維尺寸參數(shù)，取平均值計(jì)算紅棗3種形態(tài)的概率值。如表1所示。

表1 不同品級的和田棗姿態(tài)概率

根據(jù)表1中紅棗的姿態(tài)概率可知，紅棗在落果聚攏區(qū)主要受到重力作用充入落果口，因此紅棗主要以“平躺”和“側(cè)臥”的姿態(tài)充入落果口，兩者的概率之和在0. 85以上。故本文設(shè)計(jì)了一種易于紅棗以“平躺”和“側(cè)臥” 的姿態(tài)充入落果端口的仿形傘狀集果筒。

4 機(jī)具特點(diǎn)

(1)采用了仿形設(shè)計(jì)，可以根據(jù)紅棗樹冠調(diào)整傘形集果筒外形，設(shè)置有傘形集果筒固定榫頭、傘形集果筒落果口等設(shè)計(jì)發(fā)明點(diǎn)，適用性好。

(2)傘形集果筒設(shè)計(jì)成半扇形，可以由合頁與搭扣固定，形成集果，因此，安裝方便，各部件采用模塊式拼裝設(shè)計(jì)，便于替換。

(3)與其它林果收獲機(jī)械比如擊打式、氣吸式結(jié)構(gòu)相比，本裝置通過傘形集果筒很好的對林果起到聚攏作用，對林果進(jìn)行收集與收獲，效率較高而且不需要消耗能源來提供動(dòng)力，大大降低了使用成本。且能對落地后的林果一次性采收，不需要進(jìn)行反復(fù)采收。

(4)采用了片狀式插板閥門與波紋軟管，通過抽開片狀式插板閥門，就可以使集果器內(nèi)部紅棗通過波紋軟管快速回收。裝置在使用過程中對于環(huán)境適應(yīng)性較高，受天氣影響較小，對于果樹沒有苛刻的農(nóng)藝要求，因此通用性較強(qiáng)。

(5)采用了對半式柔性橡膠套，使集果裝置能緊固在各類果樹樹干上，增加了適用性。本裝置不依靠動(dòng)力實(shí)現(xiàn)采收，因此不消耗能源不對環(huán)境造成污染。

5 結(jié)語

(1)結(jié)合矮化密植紅棗種植模式，設(shè)計(jì)了一種仿形傘狀集果式紅棗收獲裝置。

(2)設(shè)計(jì)了基于紅棗的傘狀集果裝置，確定了其結(jié)構(gòu)和參數(shù)，采用波紋軟管作為傾斜輸送器，向下輸送紅棗。

(3)通過對紅棗樹枝幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析，確定集果筒高度為850 mm，頂面直徑1 200 mm，底面直徑240 mm。

(4)通過紅棗聚攏姿態(tài)試驗(yàn)表明：紅棗在聚攏區(qū)以“平躺”和“側(cè)臥”姿態(tài)為主，最終確定集果裝置部分設(shè)計(jì)為仿形傘狀。