紅棗撿拾機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

杜許懷，韓長(zhǎng)杰，沈俊杰，刁宏偉，宋東良，張書祥

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊市，830052；2. 瑪納斯祥和農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司，新疆昌吉，832200)

0 引言

紅棗在新疆種植歷史悠久，特別是南疆有得天獨(dú)厚的紅棗種植條件，其作為新疆特色經(jīng)濟(jì)林果，經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高[1-3]。目前，紅棗收獲過(guò)程中，大多數(shù)農(nóng)民依舊采用人工撿拾方式，機(jī)械化作業(yè)程度偏低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，隨著雇傭人工成本增加，紅棗收獲成本也在增加，且人工收獲工序繁瑣，效率低下。因此，紅棗收獲機(jī)械的研究對(duì)我國(guó)新疆紅棗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大[4-5]。

現(xiàn)階段，紅棗收獲機(jī)械從原理上大體分為騎跨式、搖振式、氣吸式、清掃撿拾式等。騎跨式以石河子大學(xué)付威課題組研制的4ZZ-4自走式紅棗收獲機(jī)為主，收獲紅棗時(shí)，依次完成搖果、集果、輸送及清雜作業(yè)[6-9]，機(jī)具高大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作成本高，主要針對(duì)矮化密植標(biāo)準(zhǔn)化棗園；搖振式以新疆農(nóng)墾科學(xué)院湯智輝等研制的一款4YS-24型紅棗收獲機(jī)為例，采用拖拉機(jī)提供動(dòng)力，一般多適應(yīng)于粗壯、高大、行間距寬的果園[10-12]；氣吸式有新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)張學(xué)軍教授設(shè)計(jì)的氣吸式落地紅棗撿拾機(jī)，采用發(fā)動(dòng)機(jī)為風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，為蓄電池提供電力，蓄電池為行走、閉風(fēng)器、分選裝置提供工作動(dòng)力[7， 13]，但蓄電池?cái)?shù)量有限，行走動(dòng)力不足，翻越田埂較為困難；清掃撿拾式多以氣吸撿拾或機(jī)械撿拾配合使用，如新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)韓長(zhǎng)杰教授與新疆新研牧神科技有限公司合作發(fā)明的紅棗收獲機(jī)為清掃與氣吸方式結(jié)合的機(jī)具[5， 14]，機(jī)具整體結(jié)構(gòu)較大，適合應(yīng)用在行間距較寬，棗樹較為高大的老式果園。

本機(jī)具主要針對(duì)新疆矮化密植果園設(shè)計(jì)，在保證機(jī)具動(dòng)力充足情況下，也要保證其在矮化密植果園的通過(guò)性，機(jī)具整體尺寸不能太大；收獲作業(yè)中，本機(jī)具針對(duì)收獲期落地紅棗撿拾、除雜、清選環(huán)節(jié)進(jìn)行替代，本著節(jié)省人工投入、降低勞作強(qiáng)度、提高作業(yè)效率、縮短收獲周期的目的，從而節(jié)省收獲成本；本機(jī)具采用氣吸撿拾方式，通過(guò)對(duì)紅棗在氣流中的受力情況和運(yùn)動(dòng)分析，結(jié)合沉降理論分析，對(duì)主要工作部件氣吸室提供設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 機(jī)具整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 機(jī)具整體結(jié)構(gòu)

本機(jī)具如圖1所示，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、氣吸室、翻草器、卸料閉風(fēng)器、氣吸管道、機(jī)具底盤、抖動(dòng)篩網(wǎng)、收集箱、排雜閉風(fēng)器等部分組成。機(jī)具動(dòng)力主要由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力分配至各工作機(jī)構(gòu)。首先經(jīng)帶傳動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提速以帶動(dòng)風(fēng)機(jī)工作，再經(jīng)過(guò)多級(jí)傳動(dòng)減速，根據(jù)機(jī)構(gòu)需求將動(dòng)力傳入各執(zhí)行部件。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 機(jī)具工作原理

本機(jī)具采用間接性工作模式，利用氣吸管道的收縮性，保證作業(yè)半徑，氣吸管道采用可伸縮彎曲的螺紋管，管道伸長(zhǎng)至極限作業(yè)半徑時(shí)，再開動(dòng)機(jī)具向前行進(jìn)，停止到一個(gè)合適位置，進(jìn)行作業(yè)。作業(yè)時(shí)，先通過(guò)對(duì)收獲期落地紅棗進(jìn)行吹聚集條，再利用本機(jī)具進(jìn)行撿拾；通過(guò)風(fēng)機(jī)形成負(fù)壓條件，提供吸力，進(jìn)行吸拾，紅棗及相關(guān)雜物一起進(jìn)入管道，在氣流帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)至氣吸室，氣吸室型腔的形狀變化使氣流產(chǎn)生渦旋，加快物料沉降；結(jié)合翻草器轉(zhuǎn)動(dòng)，將隨氣流吸附在其型體面上的輕質(zhì)雜物翻轉(zhuǎn)至后方，在氣流與自身重力作用下沉降至排雜閉風(fēng)器內(nèi)，通過(guò)閉風(fēng)器的旋轉(zhuǎn)，排出機(jī)具；重一些的雜物會(huì)隨紅棗一起沉降至卸料閉風(fēng)器，隨閉風(fēng)器的旋轉(zhuǎn)，掉落到抖動(dòng)篩網(wǎng)上進(jìn)行二次除雜；抖動(dòng)篩網(wǎng)采用活動(dòng)安裝方式，隨著機(jī)具的自身振動(dòng)產(chǎn)生抖動(dòng)，使小于紅棗小徑的雜物從空隙間漏掉，紅棗隨抖動(dòng)篩網(wǎng)滾落至收集箱中。

2 紅棗在氣流中的運(yùn)動(dòng)分析

2.1 紅棗懸浮速度計(jì)算

氣固兩相流中，氣力輸送顆粒形狀對(duì)懸浮速度有較大的影響，球形顆粒的懸浮速度最大，將不規(guī)則的紅棗換算為當(dāng)量球體，以當(dāng)量球體直徑作為不規(guī)則形狀物料的粒徑進(jìn)行修正計(jì)算[15-17]，由此可得

(1)

式中：de——紅棗當(dāng)量直徑，m；

V——紅棗體積，m3；

M——單粒紅棗質(zhì)量，kg；

ρs——紅棗密度，kg/m3。

在相同管道及同一介質(zhì)中，由浮重與流體動(dòng)力相平衡，對(duì)于不規(guī)則橢圓體的紅棗可得

(2)

式中：ρ——?dú)饬髅芏?，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

R1——紅棗實(shí)際所受流體阻力，N；

C1——紅棗阻力系數(shù)；

a1——紅棗加速度，m/s2；

v″20——紅棗懸浮速度，kg/m3。

對(duì)于當(dāng)量球體

(3)

式中：R——紅棗當(dāng)量球體所受流體阻力，N；

C——紅棗當(dāng)量球體阻力系數(shù)；

as——紅棗當(dāng)量球體加速度，m/s2；

v′20——紅棗當(dāng)量球體懸浮速度，kg/m3。

因?yàn)榧t棗與當(dāng)量球體浮重相等，所以當(dāng)二者處于懸浮狀態(tài)時(shí)，其流體動(dòng)力大小相等，可得

C1a1v″20=Casv′20

(4)

通常情況下，將a1、as做近似相等處理，故不規(guī)則的紅棗懸浮速度

(5)

式中：Ks——形狀系數(shù)；

D——吸送管道直徑，m。

由于紅棗形狀類似于一個(gè)橢球體，參考實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，近似取形狀系數(shù)Ks為1.06，根據(jù)氣力輸送原理，紅棗當(dāng)量直徑較大，先假設(shè)其當(dāng)量直徑處于壓差阻力區(qū)，即牛頓區(qū)，其雷諾數(shù)Re在500～2×105之間，阻力系數(shù)C取0.44[17-18]，所以紅棗懸浮速度的計(jì)算公式簡(jiǎn)化為

(6)

通過(guò)隨機(jī)取樣方法，測(cè)定樣本紅棗的質(zhì)量和體積，取二者最大值12.16 g、14.33 cm3為計(jì)算參數(shù)，再通過(guò)計(jì)算得出紅棗密度為848.57 kg/m3，利用式(1)計(jì)算其當(dāng)量直徑為29.15 mm，利用式(6)計(jì)算得紅棗最大平均懸浮速度為23.25 m/s。

根據(jù)壓差阻力區(qū)雷諾數(shù)Re區(qū)間及適用粒徑范圍，對(duì)紅棗懸浮速度計(jì)算的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，雷諾數(shù)

(7)

式中：μ——為空氣動(dòng)力黏度，N·s/m2。

適用粒徑范圍判斷條件

(8)

式中：ds——粒徑大小，mm；

ρm——紅棗密實(shí)密度，kg/m3。

驗(yàn)證計(jì)算過(guò)程中，氣流密度ρ取溫度20 ℃時(shí)空氣密度1.2 kg/m3，空氣動(dòng)力黏度μ為18.2×10-6N·s/m2，紅棗密實(shí)密度測(cè)量結(jié)果為488.43 kg/m3。通過(guò)計(jì)算，得Re值為4.47×104，在壓差阻力區(qū)雷諾數(shù)區(qū)間之內(nèi)，適用粒徑范圍為1.79～96.64 mm，紅棗當(dāng)量直徑在該范圍之內(nèi)，所以懸浮速度計(jì)算較為可靠。

2.2 紅棗在輸送過(guò)程中的受力

為探究物料在吸送過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，首先對(duì)其在氣流中的受力進(jìn)行分析，分析時(shí)將物料形狀換算為球體顆粒，以顆粒當(dāng)量直徑dp進(jìn)行計(jì)算。顆粒在氣流中運(yùn)動(dòng)時(shí)主要會(huì)受到以下幾種力，如運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力、重力、浮力、離心力、壓力梯度力，顆粒在輸送管道中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是這些力共同作用的結(jié)果[4， 18]，所以了解顆粒在氣流力場(chǎng)中受力情況非常有必要。

2.2.1 阻力

顆粒在氣流中運(yùn)動(dòng)，首先受到氣流阻力Fd的作用，由牛頓阻力定律得

(9)

式中：C——阻力系數(shù)，取0.44；

ρa(bǔ)——空氣密度，kg/m3；

dp——顆粒當(dāng)量直徑，m；

u——顆粒與氣流相對(duì)速度，m/s。

2.2.2 重力和浮力

設(shè)顆粒在靜止氣流中自由下落，其重力Fg與浮力Fb計(jì)算公式如式(10)。

(10)

2.2.3 離心力

當(dāng)顆粒在彎曲管道中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其還受到離心力作用，離心力

(11)

式中：ut——紅棗圓周速度，m/s；

r——紅棗圓周運(yùn)動(dòng)中瞬時(shí)半徑，m。

2.2.4 壓力梯度力

壓力梯度力Fp的計(jì)算步驟較為復(fù)雜，其計(jì)算的偏微分方程如式(12)所示，計(jì)算時(shí)可簡(jiǎn)化偏微分，計(jì)算兩間壓力差值與位移之比即可。

(12)

式中：Vp——顆粒體積，m3；

rp——顆粒當(dāng)量半徑，m；

p——壓力分布，Pa；

x——壓力分布位移，m。

2.2.5 吸送管道中紅棗受力及運(yùn)動(dòng)分析

本機(jī)具氣吸管道可彎曲、伸縮，在工作中呈傾斜、垂直、水平、彎曲四個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)中紅棗受力各不相同，如圖2所示，為紅棗在不同氣吸管道狀態(tài)下受力示意圖。

紅棗在管道內(nèi)輸送時(shí)，在不考慮其自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想環(huán)境下，將單顆紅棗視為一個(gè)球體，對(duì)其在不同管道狀態(tài)下進(jìn)行主要受力分析。如圖2(a)所示，紅棗在傾斜管道中主要受到浮重Ws和氣流阻力Fd作用。浮重Ws為重力Fg與浮力Fb差值，氣流阻力Fd是提供紅棗向氣流方向運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)推力；由于氣流在管道中流動(dòng)時(shí)，中心速度比邊緣速度高，故管道中心壓強(qiáng)小于邊緣壓強(qiáng)，形成壓力差，紅棗在偏離管道中心位置時(shí)，會(huì)受到指向中心的壓力梯度力Fp作用，風(fēng)力足夠大時(shí)，紅棗會(huì)集中在管道中部風(fēng)力小時(shí)，紅棗會(huì)在管道中心偏下方區(qū)域運(yùn)動(dòng)。紅棗在水平管道中，如圖2(b)所示，其在氣流阻力Fd作用下，向氣流方向運(yùn)動(dòng)，風(fēng)力足夠大時(shí)，在重力Fg與壓力梯度力Fp的作用下有上下波動(dòng)趨勢(shì)，但在風(fēng)力較小時(shí)，紅棗會(huì)在管道底部向風(fēng)速方向運(yùn)動(dòng)。在豎直管道中，如圖2(c)所示，當(dāng)氣流阻力Fd大于浮重Ws時(shí)，紅棗向上運(yùn)動(dòng)，壓力梯度力Fp會(huì)使紅棗左右擺動(dòng)，如果管道無(wú)限長(zhǎng)，風(fēng)力足夠大時(shí)，紅棗會(huì)從靜止做加速運(yùn)動(dòng)，直至氣流阻力Fd與其浮重Ws相等，加速度為零，做勻速運(yùn)動(dòng)。在管道彎折處，如圖2(d)所示，紅棗主要受到浮重Ws、氣流阻力Fd、離心力Fc作用，氣流阻力Fd越大，紅棗速度越大，離心力也越大，紅棗被甩向管壁外側(cè)，但管道內(nèi)側(cè)氣流速度較外側(cè)大，所以紅棗時(shí)刻受到向里的壓力梯度力Fp，風(fēng)力大時(shí)，紅棗靠管道外側(cè)做曲線運(yùn)動(dòng)，風(fēng)力小時(shí)，則靠管道內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)。

(a) 傾斜狀態(tài) (b) 水平狀態(tài) (c) 垂直狀態(tài) (d) 彎曲狀態(tài)

由于紅棗在氣流運(yùn)動(dòng)中也服從牛頓第二定律，所以建立其運(yùn)動(dòng)方程，即

Mpap=∑F

(13)

式中：Mp——紅棗質(zhì)量，kg；

ap——紅棗加速度，m/s2；

∑F——紅棗所受各力在運(yùn)動(dòng)方向上的代數(shù)和，N。

機(jī)具工作時(shí)，紅棗在整個(gè)吸送過(guò)程中，由速度為零被氣流吸入氣吸室，其有一個(gè)加速過(guò)程，將工作過(guò)程簡(jiǎn)化為紅棗在氣流作用下，從地面被提高至1.2 m高的地方，以圖2(c)受力分析為基礎(chǔ)，不考慮壓力梯度力Fp的影響進(jìn)行計(jì)算。利用式(9)、式(10)、式(13)，結(jié)合勻加速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算得出一顆質(zhì)量為10 g、當(dāng)量直徑為29.15 mm的紅棗，在風(fēng)速為35 m/s的管道內(nèi)被吸至1.2 m高的位置，其大約需要時(shí)間0.33 s，最終速度約為7.27 m/s。紅棗實(shí)際向上運(yùn)動(dòng)屬于變加速運(yùn)動(dòng)，未達(dá)到勻速階段，在計(jì)算時(shí)，以其最大加速度計(jì)算，作勻加速運(yùn)動(dòng)處理，所以紅棗最終進(jìn)入氣吸室的速度小于7.27 m/s。

2.3 紅棗沉降分析

雜物分離階段可分為一次雜物分離和二次雜物分離，一次雜物分離針對(duì)輕質(zhì)細(xì)長(zhǎng)雜物，如樹葉、棗吊、雜草、枯枝等，以及一些細(xì)小顆粒雜物，如灰塵、小土塊等；二次雜物分離主要針對(duì)質(zhì)量較大雜物，如大土塊、石子等；兩次雜物分離目的均是將物料中的雜物與紅棗分離，達(dá)到除雜效果。

一次雜物分離主要利用物料質(zhì)量、形狀、懸浮特性等差異，通過(guò)氣吸室型腔變化引起壓力損失，增加湍流現(xiàn)象，以及分離裝置輔助作用，來(lái)實(shí)現(xiàn)將主要雜物與紅棗分離開的效果。整個(gè)過(guò)程中，物料的運(yùn)動(dòng)處于混沌狀態(tài)，但大部分物料運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)符合重力沉降理論，以下公式是對(duì)顆粒理想重力沉降過(guò)程進(jìn)行陳述，如圖3所示，為顆粒理想重力沉降過(guò)程示意圖。

圖3 顆粒理想重力沉降過(guò)程及受力示意圖

物料顆粒在沉降時(shí)，主要受自身重力、浮力、沉降阻力作用[19]，重力方向豎直向下，浮力與沉降阻力方向豎直向上，重力與浮力計(jì)算可參考式(10)，沉降阻力

(14)

式中：v0——顆粒進(jìn)入氣吸室的水平速度，m/s。

由紅棗運(yùn)動(dòng)方程(13)結(jié)合受力分析，將式(10)、式(14)代入，可得

(15)

式中：mp——顆粒質(zhì)量，kg。

顆粒沉降速度ut可由式(16)求得，其為顆粒在風(fēng)場(chǎng)中最終處于勻速段的速度，機(jī)具設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，將紅棗視為勻速沉降，以此沉降速度公式計(jì)算，增大設(shè)計(jì)參數(shù)余量，保證機(jī)具工作性能。

(16)

粒徑大小決定顆粒在沉降中是否受到黏度的影響，紅棗粒徑較大，黏度影響可以忽略不計(jì)，認(rèn)為其處于牛頓區(qū)確定阻力系數(shù)，阻力系數(shù)C取0.44，最終可得沉降速度

(17)

紅棗的沉降，發(fā)生在氣吸室，對(duì)紅棗沉降速度的計(jì)算，盡量取較小體積、質(zhì)量的紅棗計(jì)算當(dāng)量直徑作為粒子直徑，此處取整為18 mm，空氣密度ρa(bǔ)取25 ℃時(shí)的空氣密度為1.293 kg/m3，顆粒密度ρs取紅棗平均密度為326.27 kg/m3，計(jì)算結(jié)果為3.7 m/s。

當(dāng)顆粒隨氣流從吸送管道進(jìn)入沉降室(本機(jī)具氣吸室一次雜物分離區(qū))時(shí)，由氣流所流過(guò)長(zhǎng)度L可計(jì)算出顆粒沉降時(shí)間，再由沉降時(shí)間及沉降速度可得出沉降高度，以此來(lái)確定氣吸室相關(guān)尺寸，計(jì)算公式如式(18)所示。

(18)

式中：Vep——沉降室體積，m3；

Vg——混合氣體的體積流量，m3/s；

v——顆粒水平運(yùn)動(dòng)速度，m/s；

H——沉降的高度，m；

B——沉降室的寬度，m；

t——?dú)饬髁鬟^(guò)沉降室長(zhǎng)度時(shí)間，s；

ts——顆粒在沉降高度沉落所用時(shí)間，s。

顆粒沉降時(shí)，應(yīng)滿足t>ts，所以沉降室尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，沉降室長(zhǎng)度L與高度H應(yīng)滿足式(19)。

(19)

參考紅棗在氣吸室入口處理論計(jì)算速度7.27 m/s和紅棗沉降速度計(jì)算值3.7 m/s，將顆粒水平運(yùn)動(dòng)速度v取整為8 m/s，將顆粒沉降速度ut取整為4 m/s，根據(jù)實(shí)際情況，將氣吸室入口高度定位0.3 m時(shí)，即沉降室高度H為0.3 m，可得沉降室長(zhǎng)度L應(yīng)大于0.6 m，即本機(jī)具氣吸室長(zhǎng)度應(yīng)大于0.6 m。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在新疆喀什地區(qū)巴楚縣四十八團(tuán)六連果園進(jìn)行。果園采用矮化密植模式種植，紅棗品種為灰棗，果園地面相對(duì)平整，行距在5.2 m左右，株距在1.5 m左右，棗樹高約2.5 m左右，樹冠間距多處于1.2 m左右，大部分棗吊、樹葉干枯，田間土塊較少，石塊極少。

試驗(yàn)儀器及條件：風(fēng)速儀、轉(zhuǎn)速儀、卷尺(0～5 m)、電子秤(0～50 kg)、秒表、配套鏈輪組、鏈條、拆裝工具套裝。需兩名熟悉機(jī)具并能熟練操作人員，試驗(yàn)中人員固定，不再換人。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法

該落地紅棗收獲機(jī)主要針對(duì)成熟期落地紅棗的除雜、撿拾任務(wù)進(jìn)行作業(yè)，所以將含雜率、拾凈率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)衡量機(jī)具作業(yè)效果。

試驗(yàn)前需人工以擊打、搖晃等方式將樹上未落的紅棗打落至地面，再利用小型背負(fù)式吹風(fēng)機(jī)或?qū)Ｓ们鍜邫C(jī)具將落地紅棗吹聚堆疊成一定厚度的長(zhǎng)條[20]。試驗(yàn)時(shí)選取土地平整情況接近，行間距相同的棗地，取6 m為一組試驗(yàn)，每2 m取一次試驗(yàn)結(jié)果，以3次試驗(yàn)結(jié)果平均值作為指標(biāo)值。各指標(biāo)計(jì)算方式如式(20)所示。

(20)

式中：Q1——含雜率，%；

Q2——拾凈率，%；

M0——每次試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)機(jī)具所撿拾的含雜紅棗質(zhì)量，kg；

M1——每次試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)機(jī)具所撿拾的雜物質(zhì)量，kg；

M2——每次試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)機(jī)具未撿拾干凈的紅棗質(zhì)量，kg。

3.3 試驗(yàn)因素水平

為驗(yàn)證機(jī)具作業(yè)效果，根據(jù)氣力輸送原理，通常輸送氣流速度為物料懸浮速度的1.5倍[17]，吸口風(fēng)速對(duì)機(jī)具性能的影響是必然的，將吸口風(fēng)速調(diào)節(jié)為32 m/s、35 m/s、38 m/s三個(gè)水平，即紅棗最大計(jì)算懸浮速度的1.5倍，再上下浮動(dòng)10%，取整后的結(jié)果；翻草器的主要作用是清理輕質(zhì)雜物使氣道保持常通，同時(shí)阻絕紅棗使其沉降，其轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)增加風(fēng)阻、損傷紅棗，過(guò)低又起不到清理氣道的作用，通過(guò)前期試驗(yàn)驗(yàn)證，其轉(zhuǎn)速達(dá)到200 r/min以上時(shí)對(duì)機(jī)具性能影響明顯，由于機(jī)具傳動(dòng)空間限制，最高可提速至430 r/min左右，考慮到傳動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性，故通過(guò)更換鏈輪的方式將碎草器轉(zhuǎn)速控制在200 r/min、300 r/min、400 r/min左右進(jìn)行試驗(yàn)；根據(jù)氣力輸送原理，固氣混合比對(duì)物料輸送性能有較強(qiáng)的影響，固氣混合比越高，越有利于提高輸送能力，當(dāng)其值大時(shí)，表示輸送空氣量較小，功率消耗也小，所以試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)規(guī)范紅棗堆疊厚度，使吸送過(guò)程中能保持相對(duì)穩(wěn)定的固氣混合比，在其他影響因素相對(duì)恒定時(shí)，機(jī)具性能才能有相對(duì)穩(wěn)定的工作效果，結(jié)合農(nóng)戶收獲習(xí)慣，將棗堆厚度規(guī)范化為5 cm、10 cm、15 cm左右，因素水平表如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素和水平Tab. 1 Factors and levels of test

3.4 試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

為驗(yàn)證機(jī)具性能，根據(jù)影響因素，采用三因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與極差分析如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析Tab. 2 Orthogonal experiment results and range analysis

由極差分析結(jié)果可知，兩評(píng)價(jià)指標(biāo)的誤差列極差均小于其他影響因素，表明試驗(yàn)結(jié)果不是由誤差引起。由表2可得，含雜率在1.98%～3.56%，拾凈率在94.72%～98.82%；各因素對(duì)含雜率的影響主次順序?yàn)椋篈>B>C，較優(yōu)組合為：A2B2C3；各因素對(duì)拾凈率的影響主次順序?yàn)椋篈>B>C較優(yōu)組合為：A2B2C2。由正交多指標(biāo)試驗(yàn)綜合平衡法，考慮到紅棗在農(nóng)戶售賣后，還需二次加工才能出售到市場(chǎng)，一般要經(jīng)過(guò)清洗、分級(jí)等工序，所以相對(duì)于指標(biāo)拾凈率，指標(biāo)含雜率重要性較低，且影響主次順序相同，所以選A2B2C2作為最優(yōu)組合，即吸口風(fēng)速為35 m/s；翻草器轉(zhuǎn)速為300 r/min；棗堆厚度為10 cm。

借助SPSS20.0數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)本試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的顯著性進(jìn)一步探究，結(jié)果如表3所示。

表3 方差分析Tab. 3 Variance analysis

由以上分析結(jié)果可得，就指標(biāo)含雜率而言，因素吸口風(fēng)速對(duì)其影響極顯著，翻草器轉(zhuǎn)速、棗堆厚度對(duì)其影響只是顯著，對(duì)于拾凈率吸口風(fēng)速、翻草器轉(zhuǎn)速對(duì)其影響均極顯著，棗堆厚度對(duì)其影響較顯著。

結(jié)合機(jī)具工作特點(diǎn)和極差分析結(jié)果，分析可見，吸口風(fēng)速較小時(shí)，雜物在管道中運(yùn)動(dòng)速度較低，易形成堆積，負(fù)壓條件產(chǎn)生躍遷變化，導(dǎo)致除雜效果降低，紅棗也會(huì)摻雜其中，被翻草器翻轉(zhuǎn)至后方，從排雜口排出，因此，拾凈率降低；反之，吸口風(fēng)速過(guò)大，質(zhì)量較重，且體積較紅棗相當(dāng)?shù)耐翂K、石塊又被帶入到管道中，這些雜質(zhì)無(wú)法被氣流帶入排雜閉風(fēng)器，也無(wú)法被篩網(wǎng)除去，造成含雜率上升，部分相對(duì)較輕的紅棗會(huì)在氣流與翻草器作用下從排雜口排出，拾凈率也會(huì)降低。

翻草器轉(zhuǎn)速較小時(shí)，對(duì)氣道內(nèi)輕質(zhì)雜物不能及時(shí)翻轉(zhuǎn)至后方，導(dǎo)致氣道內(nèi)雜物堆積，部分長(zhǎng)細(xì)雜物會(huì)掉落到排棗閉風(fēng)器內(nèi)，在抖動(dòng)篩網(wǎng)無(wú)法篩選的情況下，含雜率會(huì)增高，雜物堆積過(guò)程中負(fù)壓條件隨之變化，產(chǎn)生足夠吸力時(shí)紅棗也會(huì)被夾雜其中，和雜物一起被排出，拾凈率降低；反之，其旋轉(zhuǎn)速度過(guò)快，其雜物與表面摩擦系數(shù)減小，部分雜物會(huì)受到自身重力作用也會(huì)掉落至排棗閉風(fēng)器內(nèi)，也會(huì)增加含雜率，部分雜物隨著形狀、密度的差異，也可能緩慢向下移動(dòng)或達(dá)到受力平衡懸停在翻草器前，形成堆積。同理，雜物積累到一定程度，形成堵塞，負(fù)壓條件變化，紅棗被裹挾至雜物中，隨雜物一起從排雜口排出，降低拾凈率。

對(duì)棗堆厚度的規(guī)范，主要是為了保證機(jī)具在其他因素相同的條件下能有相對(duì)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，本機(jī)具吸送管道為160 cm，固氣混合比隨棗堆厚度變化，棗堆厚度越大，固氣混合比越高。本試驗(yàn)中隨棗堆厚度增大，含雜率明顯降低趨勢(shì)。拾凈率隨棗堆厚度增大而明顯增加，但當(dāng)棗堆厚度接近15 cm時(shí)，拾凈率有較小的下降趨勢(shì)，說(shuō)明固氣混合比過(guò)高時(shí)，機(jī)具分離雜物能力有降低趨勢(shì)，紅棗會(huì)被雜物裹挾，一起從排雜口排出，拾凈率因此提高。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)紅棗質(zhì)量、體積的測(cè)定，以測(cè)定結(jié)果為基礎(chǔ)，計(jì)算得出紅棗最大懸浮速度為23.25 m/s，確定設(shè)計(jì)輸送速度為35 m/s，并驗(yàn)證紅棗處于壓差阻力區(qū)的適用粒徑范圍內(nèi)，適用粒徑范圍計(jì)算結(jié)果為1.79～96.64 mm；紅棗運(yùn)動(dòng)理論分析結(jié)果顯示，紅棗吸拾過(guò)程中一直處于變加速運(yùn)動(dòng)，紅棗從地面被吸至氣吸室入口處高度時(shí)速度小于7.27 m/s；沉降理論分析結(jié)果得出氣吸室入口高度定位0.3 m時(shí)， 氣吸室長(zhǎng)度應(yīng)大于0.6 m。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，3個(gè)因素對(duì)衡量機(jī)具性能的2個(gè)指標(biāo)均顯著或極顯著，影響因素及水平最優(yōu)組合為A2B2C2，即吸口風(fēng)速為35 m/s；翻草器轉(zhuǎn)速為300 r/min；棗堆厚度為10 cm。試驗(yàn)結(jié)果的顯著也說(shuō)明了理論分析具有可靠性，其分析過(guò)程中的參數(shù)及系數(shù)的選擇有一定的價(jià)值。

就本機(jī)具試驗(yàn)結(jié)果而言，機(jī)具工作性能可以滿足農(nóng)戶需求，對(duì)含雜率、撿拾率影響最大的因素是吸口風(fēng)速，說(shuō)明風(fēng)機(jī)所形成的負(fù)壓環(huán)境對(duì)機(jī)具工作性能作用較大，氣吸室與吸送管道的密封條件是負(fù)壓環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的保障，在機(jī)具制造過(guò)程中要極大程度上保證其密閉效果。

試驗(yàn)分析所得出的最優(yōu)組合A2B2C2是相對(duì)于本機(jī)具在正交試驗(yàn)結(jié)果下的較優(yōu)工作狀態(tài)，根據(jù)機(jī)具所選的單缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作特點(diǎn)，輸出轉(zhuǎn)速有小范圍波動(dòng)性變化，所以機(jī)具工作時(shí)所選影響因素的水平是一個(gè)波動(dòng)變化的平均值，并非定值，試驗(yàn)分析結(jié)果并非實(shí)際最優(yōu)結(jié)果，但試驗(yàn)結(jié)果足以說(shuō)明機(jī)具性能，對(duì)實(shí)際工作還是有一定的參考價(jià)值。