氣吸式紅棗收獲機(jī)的設(shè)計(jì)

氣吸式紅棗收獲機(jī)的設(shè)計(jì),氣吸式,紅棗,收獲,收成,設(shè)計(jì) 第 4 卷 第 3 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 Vol4 No3 2014 年 5 月 Agricultural Engineering May 2014 收 稿 日 期 : 2014-03-27 修回日期 : 2014-04-24 作者簡(jiǎn)介 : 史高昆 ， 碩士生 ， 研究方向 : 農(nóng)業(yè)機(jī)械化 。E-mail: 1014951940 qq. com 馬少輝 ， 通信作者 ， 副教授 ， 碩士生導(dǎo)師 ， 研究方向 : 農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程 。E-mail: ngynj sina. com 氣吸式紅棗撿拾機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 史 高 昆 ， 馬 少輝 ( 塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院 ， 阿拉 爾 843300) 摘 要 : 南部地區(qū)紅棗種植模式以矮化密植為主 ， 紅棗收獲仍采用人工撿拾 ， 效率較低 。基于伯努利原理 ， 設(shè)計(jì) 研制了一種氣吸式紅棗撿拾機(jī)械 。以南疆棗園為試驗(yàn)點(diǎn) ， 對(duì)樣機(jī)的性能和撿拾效率進(jìn)行了試驗(yàn) 。結(jié)果表明 ， 吸管口的 最佳風(fēng)速為 23 ms; 平均撿拾效率 182. 8 kgh， 是人工撿拾的 5. 2 倍 。 關(guān)鍵詞 : 紅棗 ; 撿拾機(jī) ; 氣吸式 ; 設(shè)計(jì) ; 試驗(yàn) 中圖分類號(hào) : S225. 93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A 文章編號(hào) : 2095-1795( 2014) 03-0109-04 Design and Experiment of Air-suction ed Dates Picking Machinery Shi Gaokun， Ma Shaohui ( Academy of Mechanical Electrification Engineering， Tarim University， Alar 843300， China) Abstract: Planting red dates regards the dwarf culture as main planting patterns in south region of Xinjiang Low efficiency manual picking is still used in the process of harvesting red dates A air-suction red dates harvesting machinery was designed based on the Bernoulli principle Functions and picking efficiency of prototype were tested with the jujube orchards in the south region of Xinjiang as the test points Experimental results showed that the best wind velocity of straw mouth was 23 ms， average picking efficiency was 182. 8 kgh， production efficiency with that machinery was 5. 2 times than that with manual picking Key words: ed dates， Picking machinery， Air-suction， Design， Experiment 0 引言 矮化密植是現(xiàn)代園藝栽培的方向 ， 其主 要 利用人 工和化學(xué)控制的方法使樹(shù)體矮化 ， 以大幅度提高單 產(chǎn) 。其優(yōu)點(diǎn)是提早結(jié)果 、早期豐產(chǎn) 、節(jié)約土地 、降低 投資 、樹(shù)體矮小 、管理方便 、收回成本早和品種更新 快 ， 被廣泛應(yīng)用推廣 1 。 南 部 ( 以下簡(jiǎn)稱 “南 疆 ”) 地區(qū)是我國(guó)重要的特色優(yōu)勢(shì)瓜果生產(chǎn)基地 。 2011 年 ， 全區(qū)紅棗面積已達(dá) 30 萬(wàn) hm 2 ， 位居 全 國(guó)第 2 位 ， 占全國(guó)紅棗總面積的 14 2 。矮化密植模式不 利于機(jī)械作業(yè)的發(fā)展 ， 尤其在紅棗收獲環(huán)節(jié)機(jī)械難在 棗 樹(shù) 行 間作業(yè) 3 。目前我國(guó)在紅棗 收獲機(jī)械的研制 方面取得一定進(jìn)展 ， 但是針對(duì)矮化密植棗園的收獲機(jī) 械 研 究較少 。農(nóng)墾科學(xué)院研制的 4YS-24 型紅棗 收獲機(jī) ， 通過(guò)機(jī)械手臂鉗住紅棗樹(shù)干并進(jìn)行低頻振 動(dòng) ， 紅棗落入地面的傘形裝置內(nèi) ， 采凈率達(dá) 91. 5%， 效率是人工的 10 倍 ， 但不適用于矮化密植模式 4 。 針對(duì)南疆紅棗種植模式 ， 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué) 院研 制 的 4ZZ-4 型自走式紅棗收獲機(jī) ， 具有對(duì)棗樹(shù) 損傷小 、可連續(xù)作業(yè)和采凈率高等優(yōu)點(diǎn) ， 缺點(diǎn)是無(wú)法 收獲落地紅棗 5 。針對(duì) 以 上情況 ， 設(shè)計(jì)了一種可用 于矮化密植棗園收獲的紅棗撿拾機(jī) 。該機(jī)械具有結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單 、體積小 、可靠性高 、成本低和效率高等優(yōu)點(diǎn) ， 并能一次性完成紅棗的撿拾收集和除雜分選 。 1 設(shè)計(jì) 思 路 設(shè)計(jì) 一 種 3 通管道 ， 利用風(fēng)機(jī)吹出的正壓經(jīng)過(guò) 3 通管道轉(zhuǎn)變風(fēng)向形成負(fù)壓 ， 使管道口產(chǎn)生足夠的吸 力 ， 從而達(dá)到撿拾紅棗的目的 6 。當(dāng)紅棗被吸起經(jīng) 過(guò) 3 通管 道 時(shí) ， 管道截面積逐漸變大 ， 氣流速度降 低 ， 質(zhì)量大的紅棗落入下方的收集框 ， 質(zhì)量小的雜質(zhì) 被吸送到集雜袋 。根據(jù)伯努利原理風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān) 系 ， 可計(jì)算出具體的風(fēng)速大小 。 P + v 2 2 + gh = C ( 1) 式中 P管道內(nèi)風(fēng)流體的壓強(qiáng) 風(fēng)流體 的密度 v管道內(nèi)風(fēng)流體的線性速度 g重 力加 速度 h鉛 垂高 度 C常 量比 值 農(nóng)業(yè) 工 程 設(shè)計(jì)制造及理論研究 由公 式 ( 1) 可 知 ， 在單位體積風(fēng)流體的各參數(shù) 在沿流線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 ， 總和保持常量不變 。在 h 值保 持一致的情況下 ， 風(fēng)壓與風(fēng)速成反比 ， 風(fēng)速越大時(shí) ， 風(fēng)壓越小 ， 3 通管道吸口處產(chǎn)生的負(fù)壓越大 ， 對(duì)棗的 吸力越強(qiáng) 。因此 ， 合理選用風(fēng)機(jī)和設(shè)計(jì)管道結(jié)構(gòu) ， 是 實(shí)現(xiàn)氣吸式紅棗撿拾的關(guān)鍵 。 2 整 機(jī) 設(shè) 計(jì) 2. 1 結(jié)構(gòu)及工作原理 該機(jī)主 要由吸管 、風(fēng)機(jī) 、3 通管道 、分選管道 、 收集框 、機(jī)架和集雜袋等部件組成 ( 圖 1) 。工作時(shí) ， 風(fēng)機(jī) 1 轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生足夠的風(fēng)速 ， 使吸管 2 產(chǎn)生足夠負(fù) 壓 ， 撿拾棗與雜物 ， 當(dāng)紅棗與雜物經(jīng)吸管 2 進(jìn)入 3 通 管道 3 時(shí) ， 因氣流方向改變 ， 3 通管道出口處為正壓 值 ， 紅棗和雜物被氣流吹送到分選管道 5 后 ， 因氣流 管道變大 ， 流速減慢 ， 質(zhì)量大的紅棗落入收集框 6 中 ， 棗葉等雜物因質(zhì)量較小被吹入集塵袋 7 中 ， 完成 紅棗撿拾和雜物分離過(guò)程 。 1. 風(fēng)機(jī) 2. 吸 管 3. 3 通管道 4. 機(jī)架 5. 分選管道 6. 收 集框 7. 集雜袋 圖 1 氣吸式紅棗撿拾機(jī)整體結(jié)構(gòu) Fig. 1 Whole structure of air-suction red dates picking ma- chinery 2. 1. 1 3 通管道的設(shè)計(jì)與原理 3 通管道是將風(fēng)機(jī)產(chǎn)生 的 正 風(fēng)壓在吸管內(nèi)轉(zhuǎn)變成 負(fù)風(fēng)壓的部件 ， 由直徑 12 cm 和 8 cm 的 PVC 管拼接 而成 ， 2 根管夾角 10。直徑 8 cm 的管與吸管連接 ， 直徑 12 cm 的管一端為風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口 ， 另一端為出風(fēng) 口 。圖 2a 中 ， 4 處為風(fēng)機(jī)出口的風(fēng)速 ， 氣流從 1 至 4 的過(guò)程中管道截面積逐漸變小 ， 氣流速度增大 ， 在 2 處氣流速度最大 。此時(shí) ， 氣流會(huì)從吸管 2 進(jìn)入 ， 在吸 管 2 內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓與風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流一同從管道 3 排 出 。 3 通管道內(nèi)風(fēng)速及在截面發(fā)生變化后 ， 在管道 2 內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓吸附力是關(guān)鍵數(shù)據(jù) 。紅棗能被吸起的臨 界條件即紅棗懸浮速度 ， 懸浮速度是負(fù)壓吸附力對(duì)紅 棗產(chǎn)生的作用力等于紅棗重力 。該處應(yīng)滿足的條件為 質(zhì)量最大的紅棗在最小投影面積時(shí)依然能被吸起 。根 據(jù)懸浮速度公式可列平衡方程 : 圖 2 3 通管道設(shè)計(jì)原理 Fig. 2 Design principle of 3 way pipe m max g 0. 5C d S j V 2 t = 0 ( 2) 式中 m max 南疆地區(qū)單個(gè)紅棗的最大質(zhì)量 g重 力加 速度 空 氣密 度 ， 取 1. 205 kgm 3 C d 阻 力系 數(shù) S j 紅棗在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積 V t 懸 浮速 度 根據(jù)南疆地區(qū)紅棗標(biāo)準(zhǔn) ， m max 取值 0. 036 1 kg， 阻力系數(shù) C d 取值 0. 6， 紅 棗在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面 積 S j 取值 0. 003 m 2 ， 可得 V t = 18. 2 ms。同時(shí)為 保 證可靠輸送的氣流速度 ， 將懸浮速度乘以一個(gè)氣流速 度系數(shù) K ， 為了保證紅棗能可靠地進(jìn)行氣吸收獲 ， K 的取值設(shè)為 1. 2 7 。 v = Kv t ( 3) 式 中 v安 全風(fēng) 速 K安 全系 數(shù) v t 懸 浮速 度 由公式 ( 3) 計(jì)算可得安全風(fēng)速 v = 21.8ms。該速 度是紅棗能被順利吸起的可靠氣流速度 ， 也是選擇風(fēng) 機(jī)的依據(jù) 。 2. 1. 2 分選管道的設(shè)計(jì) 分選管道由截面積逐漸變大的箱體和篩網(wǎng)組成 ， 作用是將紅棗與雜質(zhì)分離 。雜質(zhì)主要是棗樹(shù)葉及棗吊 和土粒構(gòu)成 。紅棗與雜質(zhì)一起進(jìn)入分選管道中 ， 隨著 管道截面積的增大 ， 風(fēng)速降低 ， 質(zhì)量較大的紅棗沉降 落入收集框中 ， 質(zhì)量較小的棗樹(shù)葉 、棗吊 、土粒 ， 穿 過(guò)篩網(wǎng)而被排出分選管道 。少數(shù)質(zhì)量較小 、沒(méi)有沉降 的紅棗被篩網(wǎng)攔下 ， 落入收集框 。 2. 1. 3 風(fēng)機(jī)的選取 風(fēng)機(jī)的選取需滿足風(fēng)壓要求 ， 即系統(tǒng)整體的風(fēng)壓 011 史高昆 等 : 氣吸式紅棗撿拾機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 損失 。風(fēng)壓損失主要為動(dòng)壓損失 、摩擦壓力損失和吸 口局部壓力損失 7 。 P = 0. 5v 2 + 4 s v 2 2 L + ( + ) v 2 3 2 ( 4) 式中 s 管道的水力半徑 ， 直 徑為 D 的 圓形管 道 s = D 4 摩 擦系 數(shù) ， 橡膠 = 0.028 5D 0.285 V 0.01 ， D = 圓 形 管 道直徑 v 3 橡膠管內(nèi)氣流速度 塵氣速 度比 ， 通常 = 0. 5 0. 8， 取 =0 6 n 吸口局部壓損系數(shù) ， 取 n =5 混 合比 ， 對(duì) 于收獲機(jī) =0. 01 0. 03， 取 =0. 02 代入 數(shù) 據(jù)計(jì)算風(fēng)壓為 1 861. 7 Pa， 據(jù)此選用 F- 4S2200 型離心風(fēng)機(jī) 。風(fēng)機(jī)的動(dòng)力選用汽油機(jī) ， 便于 田間移動(dòng)作業(yè) 。 2. 2 氣吸管道結(jié)構(gòu)仿真與優(yōu)化 氣吸管道的關(guān)鍵部件是 3 通管道 ， 其設(shè)計(jì)關(guān)系到 撿拾效率 、拾凈率和燃油消耗 。同時(shí) ， 合理的設(shè)計(jì)能 避免管道內(nèi)產(chǎn)生渦流 ， 減少紅棗之間或與管道碰撞造 成的破損 8 。對(duì) 3 通管道仿真能直觀了解內(nèi)部氣 流運(yùn) 動(dòng)情況 。為了便于仿真 ， 將風(fēng)機(jī)出口簡(jiǎn)化成直徑 6 cm 的管道 ， 吸管簡(jiǎn)化成直徑 8 cm 的管道 。3 通管道 Flu- ent 仿真簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖 3， 壓強(qiáng)云圖和速度矢量圖見(jiàn)圖 4。 a. 風(fēng)機(jī)出 口 b. 連接吸管 c. 連接分選箱 圖 3 3 通管 道 Fluent 仿真簡(jiǎn)圖 Fig. 3 Diagram of Fluent simulation for 3 way pipe 通過(guò)壓強(qiáng)云圖發(fā)現(xiàn)在過(guò)渡處出現(xiàn)了壓強(qiáng)集中區(qū)域 ， 在 速 度矢量圖中的過(guò)渡處也出現(xiàn)了紊流區(qū)域 。該處不 僅降低機(jī)械效率 ， 而且會(huì)導(dǎo)致紅棗之間發(fā)生碰撞損傷 紅棗 。將此過(guò)渡區(qū)設(shè)計(jì)成漸變過(guò)渡 ， 使氣流運(yùn)動(dòng)情況 逐漸改變 ， 通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免了紊流的出現(xiàn) 。 圖 4 3 通管道的壓強(qiáng)云圖和速度矢量圖 Fig. 4 Diagram of pressure contour and velocity vector for 3 way pipe 3 田間 試 驗(yàn) 根據(jù)氣吸式紅棗撿拾機(jī)的 各設(shè)計(jì)參數(shù) ， 研制了 1 臺(tái)樣機(jī) ( 圖 5) 。樣機(jī)采用汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)離心式風(fēng)機(jī) 。 圖 5 氣吸式紅棗撿拾機(jī)械試驗(yàn)樣機(jī) Fig. 5 Experimental prototype of air-suction red dates picking machinery 3. 1 試驗(yàn)材料與設(shè)備 試驗(yàn)材料選用南疆地區(qū)種植的一級(jí)駿棗 ; 試驗(yàn) 設(shè) 備采用自行設(shè)計(jì)研制的氣吸式紅棗撿拾機(jī)械 ， 電 子稱 1 臺(tái) ， 紅棗收集框若干 。 3. 2 試驗(yàn)內(nèi)容 試驗(yàn)地選取生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng) 1 師 10 團(tuán) 7 連 紅棗園 。該棗園是 10 團(tuán)精品示范園 ， 采用矮化密植 栽培模式 ， 行距 1. 5 m。 ( 1) 試驗(yàn)前 ， 人工將紅棗與雜質(zhì)在棗園中的地面 上呈自然分布 ， 使棗園中的紅棗與收獲時(shí)模式一致 。 試驗(yàn)時(shí) ， 單人操作紅棗撿拾樣機(jī) ， 控制吸管移動(dòng)撿拾 紅棗 ， 同時(shí)移動(dòng)整個(gè)機(jī)械前進(jìn) 。 ( 2) 試驗(yàn)分 6 組進(jìn)行 ， 每組重復(fù) 3 次 ， 取平均 值 。1 3 組進(jìn)行氣吸式紅棗撿拾機(jī)械的性能測(cè)試 ， 測(cè) 得機(jī)械最優(yōu)的風(fēng)速參數(shù)下最好的收獲效果 。4 6 組用 來(lái)統(tǒng)計(jì)撿拾機(jī)械的生產(chǎn)效率 。每組試驗(yàn)收獲 100 kg 紅 111 農(nóng)業(yè) 工 程 設(shè)計(jì)制造及理論研究 棗 ， 同時(shí)統(tǒng)計(jì)機(jī)械的使用效果與收獲效率 。 ( 3) 衡量紅棗撿拾機(jī)收 獲性能的指標(biāo)有拾凈率 、 損失率和含雜率 。拾凈率是紅棗撿拾機(jī)械能撿拾的紅 棗與未撿拾紅棗的比值 ; 損失率指紅棗被撿拾起 ， 但 在分選管道中未能落入收集框而隨著雜質(zhì)一同被排出 的紅棗質(zhì)量與所有撿拾的紅棗質(zhì)量的比值 ; 含 雜率指 進(jìn)入收集框的雜物質(zhì)量與紅棗質(zhì)量的比值 。 4 試驗(yàn)結(jié)果與分析 4. 1 性能 指 標(biāo) 試驗(yàn)時(shí) ， 通過(guò)改變汽油機(jī)油門(mén)大小實(shí)現(xiàn)控制風(fēng) 機(jī)轉(zhuǎn)速 ， 從而調(diào)整吸管口的吸附風(fēng)力大小 ; 通過(guò)風(fēng) 速計(jì)測(cè)得吸管吸附風(fēng)力最小值為 17 ms， 最大值為 27 ms， 以 2 ms 為步進(jìn)量 ， 稱質(zhì)量計(jì)算出每組的 拾凈率 、損失率及含雜率 3 個(gè)性能指標(biāo)的數(shù)據(jù) ， 如 表 1 所示 。 表 1 氣吸式紅棗撿拾機(jī)性能測(cè)試結(jié)果 Tab. 1 Performance test results of air-suction red dates picking machinery 風(fēng)速 ms 1 17 19 21 23 25 27 拾凈率 % 77. 00 86. 50 93. 51 98. 63 99. 10 99. 65 損失率 % 0. 20 0. 34 0. 42 0. 53 1. 87 2. 52 含雜率 % 2. 23 2. 10 1. 45 0. 87 0. 59 0. 46 由表 1 可 知 ， 風(fēng) 速越大 ， 拾凈率越高 、損失率增 加 、含雜率降低 。通過(guò)正交試驗(yàn)分析 ， 吸管口的吸附 風(fēng)速為 23 ms 時(shí) ， 各項(xiàng)指標(biāo)較優(yōu) 。 4. 2 撿拾效率 根據(jù)氣吸式紅棗撿拾機(jī)的性能測(cè)試結(jié)果 ， 選擇吸 管口吸附風(fēng)速為 23 ms 作為氣吸式紅棗撿拾的風(fēng)速 指標(biāo) ， 進(jìn)行 5 組收獲生產(chǎn)效率試驗(yàn) ， 試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示 。 由表 2 可知 ， 氣吸式紅棗撿拾機(jī)的平均撿拾效率 是 182. 8 kgh， 而南疆地區(qū)農(nóng) 1 師團(tuán)場(chǎng)棗園人工撿拾 生產(chǎn)率只有 35 kgh。與人工撿拾相比 ， 氣吸式紅棗 撿拾機(jī)械的生產(chǎn)效率是人工撿拾的 5. 2 倍 。 表 2 氣吸式紅棗撿拾機(jī)撿拾效率 Tab. 2 Picking efficiency of air-suction red dates picking machin- ery 序 號(hào) 純 撿 拾紅棗生 產(chǎn)率 kgh 1 包含輔 助操作實(shí)際 生產(chǎn)率 kgh 1 輔助操作減少的生產(chǎn)率與 純加工生產(chǎn)率的比值 % 第 1 組 187. 0 169. 0 9. 63 第 2 組 194. 0 173. 0 10. 83 第 3 組 173. 0 158. 0 8. 67 第 4 組 179. 0 161. 0 10. 06 第 5 組 181. 0 170. 0 7. 73 平 均 182. 8 166. 2 9. 38 5 結(jié)束 語(yǔ) 針對(duì)南疆地區(qū)紅棗人工撿拾收獲的現(xiàn)狀 ， 根據(jù) 伯 努 利原理 ， 設(shè)計(jì)研制了氣吸式紅棗撿拾機(jī)械 ， 通過(guò)收 獲試驗(yàn) ， 驗(yàn)證了氣吸式撿拾紅棗的可行性 。通過(guò)試驗(yàn) 測(cè)試 ， 氣吸式紅棗撿拾機(jī)吸管口的最優(yōu)吸附風(fēng)速為 23 ms。實(shí)地紅棗撿拾試驗(yàn)表明 ， 氣吸式紅棗撿拾機(jī) 的生產(chǎn)率為 182. 8 kgh， 是人工撿拾的 5. 2 倍 。 參考 文 獻(xiàn) 1 楊紅 英 ， 坎 雜 ， 王麗紅 ， 等 矮化密植紅棗采收裝置的設(shè)計(jì) J 農(nóng)機(jī)化研究 ， 2012， 34( 6): 77-80 Yang Hongying， Kan Za， Wang Lihong， et al Designing equip- ment of dwarf and close planting jujube harvest J Journal of Agri- cultural Mechanization 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