氣吸式紅棗收獲機(jī)的設(shè)計(jì)含CAD圖紙

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843300，China)Abstract:Planting red dates regards the dwarf culture as main planting patterns in south region of XinjiangLow efficiencymanual picking is still used in the process of harvesting red dates A air-suction red dates harvesting machinery was designedbased on the Bernoulli principle Functions and picking efficiency of prototype were tested with the jujube orchards in the southregion of Xinjiang as the test points Experimental results showed that the best wind velocity of straw mouth was 23 ms，averagepicking efficiency was 182.8 kgh，production efficiency with that machinery was 5.2 times than that with manual pickingKey words:ed dates，Picking machinery，Air-suction，Design，Experiment0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。新疆南部(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“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) hm2，位居全國(guó)第2 位，占全國(guó)紅棗總面積的 142。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。新疆農(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+v22+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.1Whole structure of air-suction red dates picking ma-chinery2.1.1 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(mǎn)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 23 通管道設(shè)計(jì)原理Fig.2Design principle of 3 way pipemmaxg 0.5CdSjV2t=0(2)式中mmax 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 kgm3Cd 阻力系數(shù)Sj 紅棗在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積Vt 懸浮速度根據(jù)南疆地區(qū)紅棗標(biāo)準(zhǔn)，mmax取值 0.036 1 kg，阻力系數(shù) Cd取值 0.6，紅棗在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積 Sj取值 0.003 m2，可得 Vt=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 1.27。v=Kvt(3)式中v 安全風(fēng)速K 安全系數(shù)vt 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(mǎn)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=0.5v2+4sv22L+(+)v232(4)式中s 管道的水力半徑，直徑為 D 的圓形管道 s=D4 摩擦系數(shù)，橡膠 =0.028 5D0.285V0.01，D=圓形管道直徑v3 橡膠管內(nèi)氣流速度 塵氣速度比，通常 =0.5 0.8，取=0 6n 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 33 通管道 Fluent 仿真簡(jiǎn)圖Fig.3Diagram 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 43 通管道的壓強(qiáng)云圖和速度矢量圖Fig.4Diagram of pressure contour and velocity vector for 3way pipe3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.5Experimental prototype of air-suction red datespicking machinery3.1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(chēng)1 臺(tái)，紅棗收集框若干。3.2試驗(yàn)內(nèi)容試驗(yàn)地選取新疆生產(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(chēng)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.1Performance test results of air-suction red dates pickingmachinery風(fēng)速ms1171921232527拾凈率%77.0086.5093.5198.6399.1099.65損失率%0.200.340.420.531.872.52含雜率%2.232.101.450.870.590.46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.2Picking efficiency of air-suction red dates picking machin-ery序號(hào)純撿拾紅棗生產(chǎn)率kgh1包含輔助操作實(shí)際生產(chǎn)率kgh1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187.0169.09.63第 2 組194.0173.010.83第 3 組173.0158.08.67第 4 組179.0161.010.06第 5 組181.0170.07.73平均182.8166.29.385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):77-80Yang Hongying，Kan Za，Wang Lihong，et alDesigning equip-ment of dwarf and close planting jujube harvestJ Journal of Agri-cultural Mechanization esearch，2012，34(6):77-80 2史彥江，宋鋒惠 紅棗在新疆的發(fā)展前景及對(duì)策J新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，42(6):418-422Shi Yanjiang，Song FenghuiDevelopment prospect and counterp-lan of ziziphus jujube in XinjiangJXinjiang Agricultural Sci-ences，2005，42(6):418-422 3付威，何榮，曲金麗，等 自走式矮化密植紅棗收獲機(jī)的設(shè)計(jì)J 農(nóng)機(jī)化研究，2014(4):106-109Fu Wei，He ong，Qu Jinli，et al Design of self-propelled dwarfand close planting jujube harvesterJJournal of AgriculturalMechanization esearch，2014(4):106-109 4孟祥金，湯智輝，沈從舉，等 4YS-24 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