自走式紅棗收獲機撿拾裝置的設計與參數優化

許德芳

（呂梁學院，山西 呂梁 033001）

紅棗經濟價值和營養價值較高，在全球范圍內具有廣泛的市場和消費群體。近年來，農業機械化和自動化技術在紅棗種植生產中的應用越來越廣泛，尤其是自走式紅棗收獲機能大幅提高收獲效率，受到了高度關注[1]。然而，現有的自走式紅棗收獲機的撿拾環節存在能耗高、撿拾不準確等問題，影響紅棗收獲質量和經濟效益。本研究致力于自走式紅棗收獲機撿拾裝置的設計與參數優化。通過工程模擬、有限元分析和實地試驗等多種手段，對撿拾風機和風箱2 個關鍵部件進行了優化設計，總結出了撿拾裝置最優工作參數。本研究有助于提高撿拾裝置的工作效率和準確性，降低能耗和維護成本，推動自走式紅棗收獲機在實際應用中的廣泛推廣。

1 自走式紅棗收獲機撿拾裝置結構及工作原理

1.1 裝置結構

自走式紅棗收獲機的撿拾裝置結構見圖1，主要由撿拾風機、風箱、液壓馬達、支架等部件組成。撿拾風機一般采用離心式設計，與風箱相連接，用以生成所需的風場。風箱負責紅棗的暫存和分流等工序，通常采用矩形結構，具體參數包括箱體長度、寬度、高度和壁厚。液壓馬達為整個撿拾裝置提供動力，與液壓系統相連，實現對風機和機械臂等組件的驅動。

圖1 撿拾裝置結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the pickup device structure

1.2 工作原理

在撿拾過程中，液壓馬達啟動，為撿拾風機提供動力。撿拾風機開始旋轉并產生風場，強風通過風箱對地上的紅棗進行吹掃。風箱內設有分流裝置，用于將紅棗按大小、成熟度等分類。風場對紅棗的作用力，通過改變風機的轉速和風箱的結構參數，可以進行精細調控，以實現對紅棗質量的最佳撿拾[2]。同時，液壓系統負責整個撿拾裝置的運動控制，通過高精度的液壓馬達和精確的控制閥，使風機轉速、機械臂運動、高度調整得更加精確，并提供壓力釋放和故障保護功能，確保撿拾裝置的安全穩定運行。

2 自走式紅棗收獲機撿拾裝置設計優化

2.1 撿拾風機的選型

在滿足自走式紅棗收獲機高度不超過1 270 mm、作業撿拾吸頭離地高度30～50 mm 及分離箱物料入口離地高度為1 100 mm的限制條件下，撿拾風機的優化選型流程如下[3]：

考慮到作業撿拾吸頭高度和物料入口的高度，首先計算風機所需流量Q：

式中：A為風口面積；V為風速。

通常撿拾吸頭的風口面積為0.08 m2，并設定風速為10 m/s，則Q=0.8 m3/s。

又由于高度和物料特性的限制，需要計算壓力損失ΔP：

式中：ρ為空氣密度；g為重力加速度，h為高度差（1 100 mm，即1.1 m）。在標準條件下，ρ=1.225 kg/m3，g=9.81 m/s2。由此計算出：ΔP=625.83 Pa。

最后根據公式（3），得出風機所需功率P：

式中：η為風機效率，一般取0.6～0.8。

本次取η=0.75作為計算基礎，由此得出：P=375.50 W[4]。

基于上述計算和自走式紅棗收獲機撿拾裝置的實際應用需求，查閱《風機手冊》，最終選用離心風機的型號為9-19-4.5A，完成撿拾風機的選型優化。該風機型號參數為：轉速2 900 r/min，全壓4 906～5 368 Pa，風量2 281～2 504 m3/h[5]。

2.2 撿拾風箱的設計

撿拾風箱是自走式紅棗收獲機撿拾裝置的核心部件，負責管理和分類被吸入的紅棗和其他雜質[6]。風箱主要由卸料室、沉降室、擋棗室和碎雜室組成。撿拾風箱結構見圖2。

圖2 撿拾風箱結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the pickup bellows structure

其中，卸料室是風箱的第一部分，主要用于接收從風機輸送來的紅棗和其他物料。因此，這一結構需要具備足夠的空間以保證紅棗和其他物料能被有效地分離。沉降室是利用重力和氣流的作用，實現紅棗與輕質雜物的分離。擋棗室是通過一系列的擋板，確保只有符合尺寸標準的紅棗能進一步被處理，提高撿拾的準確性。碎雜室則用于收集和排放那些不符合標準的紅棗和其他雜質，以確保最終收獲的紅棗質量[7]。

在實際應用中，由于紅棗的大小、自重和形狀均存在差異，所以風箱需具備較高的靈活性和可調性。本次在撿拾風箱的設計中，采用了多種工程方法和數學模型確定最優參數，具體流程如下：

考慮到紅棗的物理屬性，采用Stokes'Law 計算紅棗沉降速度v，為沉降室空間設計提供理論參考。設定紅棗密度為ρ棗=1 300 kg/m3，空氣密度ρ空=1.225 kg/m3，重 力 加速度g=9.81 m/m2，紅棗平均直徑為d=0.025 m，空氣粘度μ=1.18×10-5Pa/s。計算公式如下：

由此得出，紅棗沉降速度v=0.102 m/s。

再通過CFD 模擬，利用Navier-Stokes 方程來得到速度和壓力場。這一方程可表示為：

根據模擬結果表明，當擋棗室擋板的角度設置為30°時，能實現紅棗與輕質雜質的最佳分離效率。

然后基于結構強度計算，應用厚壁圓筒應力的基本方程，見公式（6），結合風箱內部壓力P=625.83 Pa，設定內半徑r=0.07 m，通過應力分析和實驗數據，確定材料允許應力，即風箱壁厚σ=4 mm。

確定了撿拾風箱的各參數：箱體長500 mm、寬300 mm、高345 mm，箱體入口內徑140 mm，出口內徑185 mm，箱體壁厚4 mm，箱體作業高度為1 100 mm。此設計綜合考慮了紅棗的物理屬性、氣流動力學條件以及結構強度，實現了撿拾裝置性能的全面優化。

3 自走式紅棗收獲機撿拾裝置的試驗研究

3.1 試驗材料與設備

為了驗證優化后的自走式紅棗收獲機撿拾裝置的工作效果與最優工作參數，本研究進行了實地試驗。試驗所用紅棗來自山東省臨沂市，品種為洮河紅，處于全熟期，其平均直徑為25 mm，平均質量為10 g。試驗使用的自走式紅棗收獲機配置有選定的9-19-4.5A型風機，并配備了新設計的風箱。自走式紅棗收獲機整體形狀見圖3。

圖3 自走式紅棗收獲機Fig.3 Self-propelled harvester of Ziziphus jujuba

3.2 試驗設計

首先，預設了風機轉速、前進速度、撿拾裝置距地高度、棗帶寬度的5 組組合（見表1），計劃以此組合進行試驗。為更精確地描述最佳參數組合，采用了響應面法（RSM）進行優化設計。

表1 試驗組合Tab.1 Test combination

3.3 試驗結果及分析

基于預設試驗組合進行試驗，獲得的試驗結果見表2。

表2 試驗結果Tab.2 Test results

基于試驗結果，建立參數與撿凈率的關系模型見式（7）：

式中：Y為紅棗撿凈率；X1為風機轉速；X2為前進速度；X3為距地高度；X4為棗帶寬度；β0、β1、β2、β3、β4分別為回歸系數；?為隨機誤差。

經計算得出：β0=90.5，β1=0.002 3，β2=20.3，β3=-0.035，β4=0.042。表明，在控制其他變量不變的情況下，每當風機轉速增加1 r/min，紅棗撿凈率增加0.002 3%；每當前進速度增加0.01 m/s，紅棗撿凈率增加20.3%，以此類推。當參數組合為風機轉速3 054 r/min、前進速度0.2 m/s、距地高度54.29 mm、棗帶寬度265.95 mm 時，紅棗的撿凈率可達98.43%。此結果與表2 試驗結果吻合，說明當撿拾裝置風機轉速為3 054 r/min，前進速度為0.15 m/s，距地高度為54.29 mm，棗帶寬度為265.95 mm 時，紅棗撿凈率達到最優撿拾水平。

4 結論

綜上所述，本研究深入探討了自走式紅棗收獲機撿拾裝置的關鍵結構組件，并通過系統的設計和參數優化，顯著提高了設備性能。經過精確的機械工程分析，針對風機和風箱的關鍵部件，制定了一系列優化措施。選定了9-19-4.5A 型號的風機，并對風箱箱體尺寸進行了優化，確保了其高效、穩定地工作。實地試驗進一步印證了這些設計的可行性和高效性，表明當風機轉速、前進速度、設備距地高度及棗帶寬度達到特定參數時，紅棗的撿凈率可以高達98.43%。本文的研究成果不僅在機械設計和參數優化方面為自走式紅棗收獲機提供了寶貴的理論依據，更在廣泛的農業機械領域內具有重要的應用價值。此研究能為機械工程領域內的相關研究和應用提供有力的技術支持，推動農業機械化發展，滿足現代農業生產的需求。