落地紅棗氣吹集條裝置參數試驗研究

申玉珂,張鳳奎,石必堅,李錦錦,邵文晰,李 平

(1.塔里木大學 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)

0 引言

我國紅棗的主要產區為新疆、陜西、山東等地[1-3],且新疆是紅棗的重要產區,種植面積與產量均居全國首位[1]。新疆紅棗種植面積大、產量大,但采收機具發展緩慢,所需勞動力占整個紅棗生產過程的比重大[4-5];且當前紅棗收獲方式效率低、成本高,嚴重阻礙了紅棗產業的發展。

紅棗收獲作業主要分為3個流程:一是敲打樹干形成落棗;二是將落棗集聚成條或堆便于收獲[6-7];三是人工撿拾并借助半機械化設備進行篩分和除雜[8-10]。其中,落地紅棗的集條方式主要是人工使用消防風機將落地紅棗吹到撿拾位置并聚集成堆或條,工作強度大、噪音大、塵土過多,不利于身體健康。落地林果撿拾機的集條裝置按照工作原理可分為機械式和氣吹式兩種:機械式集條裝置通常采用毛輥和毛刷,其通用性好,適用于大多數落地林果的集條,但機器相對于棗樹體積大、高度過高,難以對路間和樹下的紅棗進行有效集條[11-12];氣吹式集條裝置的優勢是不受棗園地形和種植模式限制,但目前針對落地紅棗在氣流作用下的研究較少,特別是紅棗在地表上受到氣流作用影響的試驗研究[7]。因此,為獲得紅棗集條相關參數需通過試驗進行研究。

為研究紅棗在氣吹集條作業過程中氣流對落地紅棗集條效果的影響,本文利用自制試驗裝置對落地紅棗進行氣吹試驗研究。通過單因素試驗研究前進速度、出口風速、吹嘴距地高度和吹嘴旋轉角度對集條效果的影響規律和因素水平,最終通過正交試驗確定集條部件作業時集條效果最佳的參數組合,旨在為紅棗集條、收獲機械的設計優化提供參考。

1 氣吹集條試驗裝置的設計

1.1 試驗裝置結構及主要技術參數

氣吹集條試驗裝置主要由機架、風力調節機構、吹嘴調整機構和腳輪等組成,如圖1所示。風力調節機構用于控制氣流速度;吹嘴調整機構用于調整吹嘴的距地高度和旋轉角度;試驗裝置前方裝有支撐架,作業時將其抬高固定,作業結束后放下用于支撐;地輪可以通過調整角度來改變整體的高度。試驗相關測量儀器包括高度尺、量角器和高速風速儀,用于對吹嘴位置調整和風速大小記錄。氣吹集條試驗裝置為牽引式,由拖拉機等動力機械帶動前進。氣吹集條試驗裝置主要技術參數如表1所示。

1.地輪 2.機架 3.風力調節機構 4.支撐架 5.吹嘴調整機構圖1 氣吹集條試驗裝置Fig.1 Air-blowing ground jujube strip test device

表1 氣吹集條試驗裝置主要技術參數Table 1 Main technical parameters of air-blowing landing jujube strip test device

1.2 風力調節機構

風力調節機構主要由風機、風速儀和油門控制器組成,如圖2所示。風機由汽油機帶動工作,機架裝有油門控制器,可以通過控制油門大小來調節汽油機轉速和風機轉速;風機出口裝有波紋管和吹嘴,高速風速儀的測速頭放置于吹嘴出口處。

1.油門控制器 2.風機 3.風速儀圖2 風力調節機構Fig.2 Wind regulating mechanism

1.3 吹嘴調整機構

經前期試驗得出,吹嘴距地高度和旋轉角度都會影響氣流狀態(見圖3),不同氣流狀態下落地紅棗受到的作用力不同,紅棗沿垂直于前進方向的位移不同。

圖3 吹嘴的旋轉角度和距地高度示意圖Fig.3 Diagram of rotation angle and height from the ground of the nozzle

當集條時吹嘴距地高度大于15cm時,漏吹率過大,因此選擇高度調節范圍為20cm;當吹嘴轉動角度大于60°時,集條率過小,因此將角度調整范圍選擇在0°～60°;吹嘴高度可以通過伸縮桿或地輪進行調節(見圖4)。當風機風壓過大時,使用卡箍將吹嘴固定,防止吹嘴竄動影響試驗的結果。

圖4 地輪調整Fig.4 Land wheel adjustment

該機構主要作用是調整吹嘴的狀態,主要由吹嘴、卡箍、角鐵、伸縮桿和鉸鏈等部件組成,如圖5所示。

2 試驗材料與方法

2.1 工作原理

工作開始前,根據試驗要求使用吹嘴調整機構調整吹嘴的旋轉角度和距地位置,通過風速儀測量吹嘴出口處的風速,使用油門控制器調節風機至所需風速,所有參數調整完畢后由動力機械帶動前進開始作業;在氣吹集條裝置前進過程中,落地紅棗會在氣流的作用下開始向集條位置移動,最后聚集成條。

1.吹嘴 2.卡箍 3.角鐵 4.伸縮桿 5.鉸鏈圖5 吹嘴調整機構Fig.5 Blowout adjustment mechanism

2.2 試驗材料與測量設備

試驗所用的紅棗品種為灰棗,于2021年10月5日在新疆阿拉爾市十團棗園采收,選取表面無損傷、無蟲蛀、形狀規則且未經清洗加工的灰棗為試驗材料。

試驗所用的儀器設備主要有電子數顯游標卡尺(精度0.01mm)、卷尺(精度1mm)、量角器(精度1°)、高度尺(精度1mm)、風速儀(精度0.1m/s)、土槽試驗機、工具箱和自制氣吹集條試驗裝置,如圖6所示。

圖6 氣吹集條試驗裝置Fig.6 Air-blowing ground jujube strip test device

2.3 試驗地點和預處理

1)試驗地點:塔里木大學機械電氣化工程學院土槽實驗室,試驗前需要進行地面處理和紅棗布置。

2)土槽地面的處理方法:土槽內的泥土松散,紅棗在土槽地面的滾動摩擦因數大于棗園地面的紅棗滾動摩擦因數,需要將泥土澆水壓實至紅棗滾動摩擦因數接近棗園地面的紅棗滾動摩擦因數。

3)紅棗布置方法:根據落地紅棗分布密度,將紅棗沿試驗臺架作業方向上布置在1m×5m的區域內。

2.4 試驗方法

2.4.1 土槽地面滾動摩擦系數測定

使用100顆帶土灰棗作為試驗材料,使用自制滾動摩擦因數測量平臺進行測量。測定前,將在滾動摩擦因數測量平臺放置在平整的地方,調節鋼板與地面的夾角為30°,在平臺上鋪滿土壤并壓平。測量過程中,讓紅棗在高度10cm處由靜止釋放,等紅棗靜止后測量移動的距離。對每個紅棗的質量和位移代入公式進行計算,如圖7所示。

圖7 滾動摩擦系數計算示意圖Fig.7 Diagram of rolling friction coefficient calculation

根據受力分析得到紅棗滾落至地面的速度,即

(1)

在地面上滾動時,有

(2)

紅棗與土地的滾動摩擦因數為

(3)

式中g—重力加速度常數(m/s2);

L—紅棗釋放處至與地面接觸端的斜面長度(mm);

S—紅棗在地面運動的位移(mm);

θ—斜面與水平面之間的夾角(30°);

μ—紅棗與土地的滾動摩擦因數。

2.4.2 集條率測定方法

本次試驗使用土槽試驗機牽引落氣吹集條試驗裝置,土槽試驗機控制前進速度。試驗前,在土槽中選定集條作業的工作區,在集條工作區對棗園地面情況進行還原。落氣吹集條試驗裝置作業方式為單邊集條、每行作業兩次。通過紅棗種植模式調研發現棗樹行距在2～4m,結合作業方式集條距離選擇為2m。每次集條作業完成后,在集條線處放置卷尺,對集條結果進行拍照(見圖8),并在實驗室對圖片進行處理,統計被集條的紅棗,計算集條率。

圖8 集條試驗Fig.8 Set strip test of ground jujube

2.5 試驗指標

結合落地紅棗氣吹試驗臺架的工作原理、結構特點及作業方式,安排集條試驗臺架的試驗方法,選擇集條率作為試驗指標。

紅棗集條率為被集條紅棗個數與紅棗總數的比值。通過紅棗計數來計算集條率,完成集條作業后對到達集條區域的紅棗進行計數,則集條率為

(4)

式中Sj—集條率;

nj—達到集條距離的紅棗個數(個);

nz—紅棗總個數(個)。

3 單因素試驗與結果分析

集條效果會受作業前進速度、吹嘴距地高度、吹嘴旋轉角度及吹嘴出口風速4個因素的影響。以集條率為指標,探尋各因素對集條效果的影響規律,以期從氣吹集條試驗裝置單因素試驗結果中選擇合適的因素水平,為正交試驗的設計與進行提供基礎。

3.1 吹嘴出口風速與集條率之間的關系

探究不同吹嘴出口風速下對紅棗集條率的影響趨勢,試驗結果如表2所示。本組試驗使用的作業前進速度為1km/h、吹嘴距地高度高度為10cm、吹嘴旋轉角度為0°,紅棗分為等質量的5組,將5組紅棗分別在不同吹嘴出口風速下進行氣吹集條試驗,每組測量5次,其平均值作為該組的最終集條率,得出5組紅棗集條率分別為36.31%、82.65%、90.70%、92.74%、93.74%。

由表2可知:當其他因素保持不變時,每組試驗的紅棗集條率變化程度不大,滿足數據均勻性;各組標準差為0.0059、0.0218、0.0239、0.0142、0.0180,各組變異系數為0.0161、0.0264、0.0263、0.0153、0.0192,各組標準差和變異系數小、數據集中,各組平均值可作為集條率[13-15]。

表2 不同吹嘴出口風速下集條率試驗結果Table 2 Test results of strip rate under different blowing nozzle outlet wind speeds

吹嘴出口風速與集條率的關系曲線如圖9所示。由圖9可知:集條率隨著出口風速的增加呈線性增加,50～60m/s時,集條效果提升顯著但集條率低;在80～90m/s時,集條率隨出口風速增加的不明顯;從集條率和節約能源的角度來看,在60～80m/s吹嘴出口風速時研究集條作業是最合適的。其關系曲線擬合函數為y=-1.1254x4+16.584x3-90.365x2+217.93x-106.41(R2=1)。

圖9 吹嘴出口風速與集條率的關系曲線

吹嘴出口風速單因素方差分析如表3所示。其結果顯示誤差值為0.006,顯著性小于0.01,表明在α=0.01時顯著,擬合程度好。

表3 吹嘴出口風速單因素方差分析結果Table 3 Results of single factor analysis of variance for outlet wind speed of nozzle

3.2 作業前進速度與集條率之間的關系

從單因素試驗結果中探究作業前進速度對集條率的影響特點,在不同前進速度下對紅棗進行集條試驗,結果如表4所示。本試驗條件為吹嘴距地高度10cm、吹嘴旋轉角度為0°、吹嘴出口風速為70m/s,分別在0.5、1、1.5、2、2.5km/h的情況下進行試驗;每個速度下進行5次試驗,其平均值作為試驗結果。

表4 不同作業前進速度下集條率試驗結果Table 4 Test results of strip rate under different forward speed of prototype

由表4可知:每組紅棗集條率的數據滿足均勻性,標準差分別為0.0124、0.0100、0.0091、0.0191、0.0230,變異系數分別為0.0150、0.0120、0.0127、0.0360、0.0730;各組數據離散程度小,平均值可以作為不同作業前進速度下的集條率。

作業前進速度和集條率的關系曲線如圖10所示。由圖10可知:集條率隨著作業前進速度的增加而減少,在0.5～1km/h時集條率較高,但隨前進速度提升變化不大;當前進速度在2～2.5km/h時集條率低于50%;從集條率和作業效率來看,集條作業的前進速度在1～2km/h時最合適。

使用二次多項式擬合,其變化趨勢為y=-0.0349x2+0.0766x+0.7968(R2= 0.9968)。

圖10 作業前進速度與集條率的關系曲線Fig.10 The relation curve between forward speed and strip rate of prototype

作業前進速度單因素方差分析表如表5所示。由表5可知:誤差值為0.0049,顯著性小于0.01,表明在α=0.01水平下顯著,擬合程度好。

表5 作業前進速度單因素方差分析結果Table 5 Results of single factor analysis of variance for forward speed of prototype

3.3 吹嘴旋轉角度與集條率之間的關系

研究不同吹嘴旋轉角度對集條率的影響規律,進行不同吹嘴旋轉角度的單因素試驗,試驗結果如表6所示。在其他影響因素不變的情況下,分別在吹嘴旋轉角度為0°、15°、30°、45°、60°時進行試驗,每個角度下進行5次試驗,將每組試驗結果的平均值作為試驗結果。

表6 不同吹嘴旋轉角度下集條率試驗結果Table 6 Test results of strip rate under different nozzle rotation angles

由表6試驗結果可知:5組的紅棗集條率分別為96.96%、95.57%、74.05%、54.43%、30.45%,標準差依次是0.0189、0.0157、0.0119、0.0233、0.0177,變異系數依次是0.0195、0.0165、0.0161、0.0428、0.0580。標準差表明數據波動不大,變異系數表明數據集中,每組集條率為該組平均值。

吹嘴旋轉角度變化對集條率的影響如圖11所示。由圖11可知:隨著吹嘴旋轉角度變大集條率減小,造成這種現象的主要原因是當角度增至某一值時,紅棗容易堆積在中部呈倒三角形;在45°～60°時集條率低于50%,從集條率和集條效果來看,吹嘴旋轉角度選在0°～30°合適;隨著角度從0°升至60°,集條率從96.96%降至30.45%。對該曲線進行擬合,結果為y=-0.0309x2+0.0113x+1.009(R2= 0.9887)。

圖11 吹嘴旋轉角度與集條率的關系曲線Fig.11 Relationship curve between nozzle rotation angle and strip rate

吹嘴旋轉角度單因素方差分析結果如表7所示,其誤差為0.006,顯著性小于0.01,表明在α=0.01水平下顯著,擬合程度較好。

表7 吹嘴旋轉角度單因素方差分析結果Table 7 Results of single factor analysis of variance for rotation angle of nozzle

3.4 吹嘴距地高度與集條率之間的關系

本試驗探究吹嘴距地高度對紅棗集條率的影響趨勢,結果如表8所示。本次試驗的條件為作業前進速度1km/h、吹嘴旋轉角度0°、吹嘴出口風速70km/h,對吹嘴距地高度0、5、10、15、20cm的情況進行試驗,每種情況進行5次試驗,集條率取每組的平均值。從表8的試驗數據可知5組紅棗集條率依次為23.42%、58.10%、94.94%、89.02%、45.55%。

表8 不同吹嘴距地高度下集條率試驗結果Table 8 Test results of strip rate under different blowing nozzle heights

續表8

當其他因素一定時,5組紅棗的集條率變化較小,數據均滿足均勻性。吹嘴距地高度從低到高各組的標準差為0.0220、0.0269、0.0337、0.0191、0.0198,變異系數為0.0940、0.0464、0.0355、0.0214、0.0435。兩項數據表明:每組試驗數據集中,其平均值可用于集條率。

吹嘴距地高度與紅棗集條率的關系如圖12所示。由圖12可知:集條率隨著吹嘴距地高度的增加呈現波動變化,其峰值在10cm;集條率在吹嘴距地高度5cm時最低,主要原因是地面坑洼不平,氣流容易被小土丘阻擋;集條率在吹嘴距地高度15～20cm時下降明顯,主要原因是吹嘴過高使吹嘴下方的紅棗無法受到氣流影響;根據集條率和集條效果來看,吹嘴距地高度選在5～15cm合適。對關系曲線進行二項式擬合y= -0.1422x2+0.9283x-0.5988(R2=0.9461)。吹嘴距地高度單因素方差分析結果如表9所示,其誤差為0.006,顯著性小于0.01,表明在α=0.01水平下顯著,擬合程度較好。

圖12 吹嘴距地高度與集條率的關系曲線Fig.12 The curve of the relationship between the height of the blowing nozzle and the strip rate

表9 吹嘴距地高度單因素方差分析結果Table 9 Results of single factor analysis of variance for height of blowing mouth

3.5 因素水平選取

從單因素試驗可知吹嘴出口風速與集條率成正相關關系,較優的吹嘴出口風速為60、70、80m/s;作業前進速度和集條率成負相關關系,選擇1、1.5、2km/h進行正交試驗;隨著吹嘴旋轉角度變大集條率減小,較優的吹嘴旋轉角度為0°、15°、30°;在吹嘴距地高度0、5、10、15、20cm的情況下,在10cm時集條率最高,選擇吹嘴距地高度5、10、15cm進行正交試驗。

4 正交試驗與結果分析

通過單因素試驗得出各試驗因素水平并設計正交試驗。通過正交試驗對所得數據進行極差分析、方差分析,反映各因素對試驗指標的影響程度,以獲取理論最優參數組合,并進行試驗驗證。

不考慮單因素試驗結果交互作用,開展L9(34)正交試驗,研究吹嘴出口風速(A)、吹嘴旋轉角度(B)、吹嘴距地高度(C)、作業前進速度(D)對撿拾性能指標的影響。正交試驗因素水平如表10所示,正交試驗結果如表11所示,方差分析如表12所示。

表11 正交試驗結果Table 11 Orthogonal test results

表12 正交試驗方差分析Table 12 Variance analysis of orthogonal test

最優方案:吹嘴出口風速80m/s、作業前進速度1.5km/h、吹嘴旋轉角度15°,吹嘴距地高度為15cm的試驗不在所進行的試驗中,對該組合進行試驗驗證,在該試驗條件下進行3次試驗取平均值,結果為集條率98.84%。該組合試驗結果超過了之前9種組合的集條率,為最優參數組合。

由表11可知:4個因素對集條率影響排名依次為A吹嘴出口風速>B吹嘴旋轉角度>D作業前進速度>C吹嘴距地高度。從方差分析表12結果可以看出:因素A(吹嘴出口風速)對集條率的影響最大,后面依次是因素B(吹嘴旋轉角度)、因素D(作業前進速度)和因素C(吹嘴距地高度),與極差分析結果一致。

分析試驗數據得出:最優參數組合為A3B2D2C3,即吹嘴出口風速為80m/s,作業前進速度為1.5km/h,吹嘴旋轉角度為15°,吹嘴距地高度為15cm,該組合集條率為98.84%。

5 結論

1)根據落地紅棗機械化集條需求,設計了一種落地紅棗氣吹集條試驗裝置,可以根據試驗要求對吹嘴出口風速、吹嘴旋轉角度和吹嘴距地高度進行調整。

2)通過單因素試驗研究了吹嘴出口風速、作業前進速度、吹嘴距地高度、吹嘴旋轉角度對集條率的影響規律。結果表明:吹嘴出口風速與集條率成正相關,吹嘴旋轉角度、作業前進速度與集條率成負相關,吹嘴距地高度與集條率呈現波動關系,在10cm時集條率最高;最終確定吹嘴出口風速范圍為60～80m/s,作業前進速度范圍為1～2km/h,吹嘴旋轉角度范圍為0°～30°,吹嘴距地高度范圍為5～15cm。

3)通過設計并進行L9(34)正交試驗,使用極差分析和方差分析了吹嘴出口風速、作業前進速度、吹嘴距地高度、吹嘴旋轉角度對集條率的影響,結果表明:4個影響因素都為顯著因素,各個因素影響集條率的主次順序為吹嘴出口風速、吹嘴旋轉角度、作業前進速度、吹嘴距地高度。通過試驗驗證得出:最佳參數組合吹嘴出口風速為80m/s、作業前進速度為1.5km/h、吹嘴旋轉角度為15°、吹嘴距地高度為15cm時,集條率為98.84%。