艾建軍　高韶坤　劉建敏

摘 要：針對河北阜平大棗設(shè)計(jì)了一款收獲機(jī)器，打棗裝置采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，對棗樹枝進(jìn)行高頻率低振幅的上下往復(fù)振動，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化打棗，收棗裝置采用負(fù)壓原理，由汽油機(jī)帶動高壓軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，使箱體內(nèi)部與外部產(chǎn)生壓力差，從而將地面上的棗吸入箱體內(nèi)部，完成大棗的收集。本裝置預(yù)期達(dá)到生產(chǎn)率≥30株/h；采凈率≥80%，初步確定該打棗裝置的振動頻率400～500次/min，振幅為20～30mm。

關(guān)鍵詞：大棗；打棗裝置；曲柄連桿；收棗裝置；壓力差

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3198（2015）14-0218-02

1 打棗裝置設(shè)計(jì)

1.1 打棗方案設(shè)計(jì)

方案一：水平橫向拉動樹干振動。

此種方法在一些矮化密植的棗樹上有應(yīng)用，如新疆，但本設(shè)計(jì)針對河北阜平大棗，這里的棗樹歷史悠久，樹干高大，直徑較粗，因此水平方向拉伸需要消耗較大的功率且不能保證落果率，不予采用。

方案二：打棗桿在豎直平面內(nèi)一定幅度擺動，擊打樹冠。

在人工收棗時(shí)經(jīng)常采用此種方法，但經(jīng)常是作為其他收棗方式的輔助，比如落果不完全時(shí)，用長度約2米的韌性枝條作為工具直接擊打未落果的樹枝，優(yōu)點(diǎn)是操作靈活，落果率高，不足之處是由于對棗樹枝條進(jìn)行橫向擊打，棗的運(yùn)動方向?yàn)樗匠霭l(fā)的拋物線，落地方向里棗樹較遠(yuǎn)，收集困難。如果以機(jī)械方式完成全部落果，由于樹干較高，有的甚至高度達(dá)到12米，在初期需要對棗樹樹冠進(jìn)行擺幅較大的擊打，力矩較大，消耗的功率就多，所以此方案不予采用。

方案三：豎直方向依次振動樹冠主要枝條。

采用小幅高頻樹冠振動方式，用連接桿迫使樹冠做小幅高頻震動，當(dāng)樹枝上的紅棗所受慣性力大于果柄拉力時(shí)，紅棗與果樹脫離，從而實(shí)現(xiàn)紅棗的采收。此方案落果率高，且棗的掉落位置就在棗樹的周圍，收集方便，予以采用。

1.2 打棗裝置整體結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)工作位置移動要求，整個(gè)打棗裝置安裝在一個(gè)帶輪子的底板上，用手推動機(jī)構(gòu)移動位置。采用汽油機(jī)作為動力源，帶動固定在汽油機(jī)上的帶輪轉(zhuǎn)動，主動帶輪帶動從動帶輪，即實(shí)現(xiàn)對汽油機(jī)的降速，帶輪傳動能吸收運(yùn)動傳遞過程中的震動，尤其是機(jī)構(gòu)在顛簸的坡地上運(yùn)動時(shí)，由于曲軸與從動帶輪同軸，所以從動帶輪的轉(zhuǎn)動帶動曲軸轉(zhuǎn)動。曲軸的轉(zhuǎn)動帶動鉸接在其上的打棗桿上下往復(fù)運(yùn)動，可調(diào)節(jié)高度的打棗桿通過頂端鉤子鏈接棗樹的樹枝上。通過桿件的上下運(yùn)動帶動棗樹枝的上下振動使棗掉落，最終實(shí)現(xiàn)高效打棗，節(jié)省了人力。

曲柄做圓周運(yùn)動的轉(zhuǎn)速由帶輪的轉(zhuǎn)速和傳動比大小控制，而帶輪的轉(zhuǎn)速是根據(jù)汽油機(jī)動力輸出軸的轉(zhuǎn)速而調(diào)節(jié)的。因此只要調(diào)整汽油機(jī)的功率，輸出轉(zhuǎn)速便隨之改變，就可實(shí)現(xiàn)振動頻率的改變以適應(yīng)不同直徑大小、不同成熟度果園大棗的采收，如圖1所示。

1.3 打棗關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.3.1 振動頻率和振幅的確定

大棗振動采收裝置的工作過程是將振動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的機(jī)械振動傳給棗樹枝，果枝受到外加的強(qiáng)迫振動后以一定的頻率和振幅（與振動機(jī)構(gòu)的頻率和振幅不同）振動，這樣就使大棗果實(shí)因振動而加速運(yùn)動，從而受到慣性力的作用。當(dāng)慣性力大于大棗果實(shí)與果柄之間的連結(jié)力時(shí)，大棗就會被振落?？茖W(xué)研究與實(shí)踐表明，大棗受到振動時(shí)的運(yùn)動很復(fù)雜，機(jī)械振動采收大棗時(shí)，雖然果實(shí)受到的強(qiáng)迫振動是在某一個(gè)平面內(nèi)，大棗卻可以在做任意振動，大棗果實(shí)受到強(qiáng)迫振動后的主要形式為擺動，而擺動可以作為振動采收時(shí)的主要運(yùn)動形式，簡化后棗樹及其受到的振動力的情況見圖2，其中L1為樹干長度L2為大棗果枝長度。

從上述計(jì)算結(jié)果可知：運(yùn)動由打棗桿帶給果實(shí)的脅迫簡諧運(yùn)動和果實(shí)的自由振動組成，這樣可得出果實(shí)的基本運(yùn)動規(guī)律，就可以求出作用在紅棗果實(shí)上的法向分力Fs和切向分力Fn分別為：

Fs=mLθ·2，F(xiàn)n=mLθ··

式中：θ·——大棗果實(shí)擺動的角速度；

θ··——大棗果實(shí)擺動的角加速度。

Fs與Fn的大小由擺動傾角θ決定，而θ由F（t）決定，那么就可以根據(jù)大棗果柄的強(qiáng)度、大棗果實(shí)質(zhì)量來選擇振動機(jī)構(gòu)的振動頻率和振幅，初步確定該采收裝置的振動頻率為400～500次/min，振幅為20～30mm。

1.3.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

曲柄連桿機(jī)構(gòu)如圖4所示，能將發(fā)動機(jī)的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)化為連桿往復(fù)直線運(yùn)動，本機(jī)采用偏距為20～30mm的偏心式曲柄連桿方式連接，以此實(shí)現(xiàn)較小行程的往復(fù)直線運(yùn)動，滿足設(shè)計(jì)需求。偏心式曲柄的動力是由便攜式汽油機(jī)的動力經(jīng)帶傳動輸入的。

2 收棗裝置設(shè)計(jì)

2.1 收棗方案設(shè)計(jì)

按照實(shí)際情況將大棗分為四種顆粒大小，所以收棗裝置需要不同大小的進(jìn)氣口。

方案一：將進(jìn)氣口與紅棗收集機(jī)分開設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)四種不同大小的進(jìn)氣口，收集不同顆粒大小的大棗時(shí)，只需更換進(jìn)氣口即可。

方案二：將進(jìn)氣口設(shè)計(jì)在紅棗收集機(jī)的箱體底部，按照四種不同顆粒大小的紅棗中的最大紅棗進(jìn)行設(shè)計(jì)，適合收集所有顆粒大小的紅棗。

本設(shè)計(jì)選用方案一，可以根據(jù)紅棗的顆粒大小來選擇進(jìn)氣口，并且進(jìn)氣口損壞僅需更換即可，而且根據(jù)需要更換不同大小的進(jìn)氣口后可以調(diào)節(jié)汽油機(jī)的輸出功率，可以減少燃料的損耗。而方案二有著很大的局限性，而且大大的增加了箱體的長度。

2.2 收棗裝置整體結(jié)構(gòu)

汽油機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)減速箱減速后，帶動高壓軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，將箱體內(nèi)部的氣體排出，使之箱體內(nèi)外產(chǎn)生壓強(qiáng)差，在進(jìn)氣口出產(chǎn)生吸力，將掉落在地的大棗收集進(jìn)入收集箱內(nèi)，完成對大棗的收集，如圖4所示。

2.3 收棗關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 風(fēng)壓

大棗從地面上被吸入進(jìn)氣口所用的時(shí)間：

t≤0.40.4=1s

大棗所收的加速度，由S=vot+12at2且進(jìn)氣口距地面的高度h=0.01m，得：

a=0.02m/s2

大棗的直徑為：2～2.5cm，所以大棗收集機(jī)構(gòu)可最多同時(shí)吸入的紅棗數(shù)為：n=0.2/0.02=10；

所以同時(shí)吸入的大棗的總質(zhì)量：m=10×0.02=02kg

大棗收集機(jī)械對大棗產(chǎn)生的吸力F=m（a+g）=0.2×10.02=2.004N

考慮到進(jìn)氣口處的氣體損失，取F=4N

所以箱體內(nèi)外壓強(qiáng)：p=FS=40.05×0.2=400Pa

通風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)是風(fēng)量、風(fēng)壓、軸功率和效率，下面進(jìn)行具體分析。

2.3.2 風(fēng)量Q

風(fēng)量指以風(fēng)機(jī)進(jìn)口狀態(tài)的氣體體積流量（m3/h），又因通風(fēng)機(jī)的壓縮比比較小，故可以忽略進(jìn)、出風(fēng)機(jī)流量的變化。

進(jìn)氣口處氣體的速度：vt=0.4/1=0.4m/s；

所以風(fēng)量Q=vt·t·0.2·0.05=0.4·0.2·0.05·1=0.04m3/s。

2.3.3 風(fēng)壓Pt

單位體積氣體流經(jīng)風(fēng)機(jī)所獲得的能量，單位為N/m2。這里，不用壓頭而改用風(fēng)壓。因?yàn)閷τ跉怏w，壓頭的含義是單位重量氣體流經(jīng)風(fēng)機(jī)所獲得的能量，單位是N·m/N氣柱。那么，1Kpa的壓力就相當(dāng)于102m氣柱?？梢?，對于氣體，若采用壓頭表示，數(shù)值太大，使用不便。若改用單位體積流經(jīng)風(fēng)機(jī)所獲得的能量表示，可直接使用壓強(qiáng)單位，故稱為風(fēng)壓。

若以每立方米氣體為基準(zhǔn)對風(fēng)機(jī)進(jìn)出口列出機(jī)械能衡算式，并忽略進(jìn)出口位差變化和進(jìn)、出風(fēng)管的阻力損失可得下式：

當(dāng)風(fēng)機(jī)是由靜止的大氣吸入氣體，而且氣體壓力按表壓力計(jì)時(shí)，則因u1=0和p1=0故得風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓為：

2.4.3 軸功率和效率

3 結(jié)束語

河北省阜平縣棗產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，但是至今還沒有幫助棗農(nóng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化打棗的高效農(nóng)業(yè)機(jī)械，仍然依靠傳統(tǒng)的棗桿人工打棗，人工撿棗方式，增加棗農(nóng)勞動強(qiáng)度，影響收棗效率，從一定程度上制約了棗農(nóng)業(yè)的發(fā)展。本設(shè)計(jì)通過調(diào)查分析，研究傳統(tǒng)打棗原理，進(jìn)行優(yōu)化分析，最終設(shè)計(jì)了一款高效大棗采收機(jī)械，將棗農(nóng)從勞累的勞動中解放出來，產(chǎn)品設(shè)計(jì)小巧、簡單，在不用經(jīng)過任何培訓(xùn)的情況下，一個(gè)人即可實(shí)現(xiàn)高效率的打棗、收棗。

參考文獻(xiàn)

[1]楊紅英.矮化密植紅棗采收裝置的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012，（6）.

[2]高團(tuán)結(jié).果園核桃機(jī)械化采收裝置的設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013，（9）.

[3]黃麟，張春林，韓寶玲.曲柄滑塊機(jī)構(gòu)慣性力部分平衡的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2006，23（8）：37-40.

[4]湯智輝，孟祥金，沈從舉.機(jī)械振動式林果采收機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010，32（8）：65-69.