一種氣吸式紅棗撿拾收獲機(jī)的研制

黨凱鋒，張鵬霞，楊震，曹希凡

（陜西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，陜西咸陽(yáng)712000）

一種氣吸式紅棗撿拾收獲機(jī)的研制

黨凱鋒，張鵬霞，楊震，曹希凡

（陜西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，陜西咸陽(yáng)712000）

為解決紅棗的機(jī)械化撿拾收獲問(wèn)題，對(duì)紅棗撿拾機(jī)進(jìn)行了研發(fā)。該機(jī)采用負(fù)壓吸拾、氣流清選的工作原理，對(duì)紅棗進(jìn)行收集和雜質(zhì)分離，重點(diǎn)介紹了設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)和樣機(jī)測(cè)試等，主要應(yīng)用于平原棗園的紅棗撿拾收獲，同樣適用于山楂、沙果、酸棗等類似林果的收獲撿拾。

紅棗；撿拾；負(fù)壓吸拾；氣流清選

0 引言

棗是滋補(bǔ)食品，民間有“五谷加紅棗，勝似靈芝草”之說(shuō)。棗在中國(guó)人生活中具有特殊地位，早已融入百姓日常生活，成為一種文化。從災(zāi)年的救命糧到婚慶吉祥物，勤勞的中國(guó)人培育了一批批名棗，如北京的密云小棗、河北的贊皇大棗、陜北灘棗、陜西的大荔龍棗、浙江的義烏大棗等。陜西省現(xiàn)有紅棗面積1.8×105hm2，年產(chǎn)紅棗31.6×104t，是僅次于蘋(píng)果的第二大果業(yè)。傳統(tǒng)的紅棗收獲為人工敲打結(jié)棗樹(shù)枝，棗落地后再進(jìn)行人工撿拾，撿棗需要耗費(fèi)大量的人力，效率非常低；且棗的收獲期與其他作物重疊，勞動(dòng)力短缺造成收獲延誤，影響后續(xù)加工。開(kāi)展紅棗機(jī)械化撿拾研究，能解決季節(jié)性勞動(dòng)力緊缺問(wèn)題，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短收獲周期。近年來(lái)實(shí)行紅棗矮化種植，紅棗的種植規(guī)模迅速擴(kuò)大，紅棗的機(jī)械化收獲提上日程。紅棗收獲期間，部分紅棗已成熟掉落地表，如采用大型采收機(jī)，機(jī)具進(jìn)地作業(yè)，對(duì)已落到地表的紅棗進(jìn)行碾壓，紅棗損失較大。陜西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所近年來(lái)開(kāi)展了紅棗加工和收獲等方面的研究[1-2]，研制出氣吸式紅棗撿拾收獲機(jī)。

氣吸式紅棗撿拾收獲機(jī)樣機(jī)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 氣吸式紅棗撿拾收獲機(jī)樣機(jī)示意圖

1 概述

該機(jī)屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，主要應(yīng)用于平原棗園的紅棗撿拾收獲，同樣適用于山楂、沙果、酸棗等類似林果的收獲撿拾；技術(shù)指標(biāo)為生產(chǎn)率≥150 kg/h，含雜率≤5%，撿凈率≥90%；可對(duì)落地紅棗進(jìn)行撿拾收獲，并進(jìn)行初步清選，清除葉子、土塊等雜物，以節(jié)省人力，提高生產(chǎn)效率。

從原理性試驗(yàn)開(kāi)始，重點(diǎn)進(jìn)行分離裝置研究，降低紅棗含雜率，提高生產(chǎn)率。通過(guò)風(fēng)機(jī)選型→試驗(yàn)樣機(jī)制作→吸拾試驗(yàn)→棗葉分離試驗(yàn)→棗土分離試驗(yàn)→汽油機(jī)選型→樣機(jī)試制→配套性能試驗(yàn)→實(shí)地試驗(yàn)→樣機(jī)改進(jìn)等步驟，進(jìn)行了2代樣機(jī)的試制試驗(yàn)。該項(xiàng)目技術(shù)“一種紅棗清選撿拾機(jī)”獲得實(shí)用新型專利1項(xiàng)[3]，2015年6月通過(guò)了陜西省科技成果鑒定，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

2 結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)

氣吸式紅棗撿拾收獲機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 氣吸式紅棗撿拾收獲機(jī)結(jié)構(gòu)

2.2 原理及工作過(guò)程

氣吸式紅棗撿拾收獲機(jī)采用負(fù)壓吸拾、氣流清選的工作原理，主要由手持吸管、進(jìn)風(fēng)管道、機(jī)箱、風(fēng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、機(jī)架等組成。吸管連接于箱體前端頂部，進(jìn)風(fēng)管道位于機(jī)箱前端，風(fēng)機(jī)安裝在箱體后端。工作時(shí)，風(fēng)機(jī)將機(jī)箱內(nèi)空氣抽出，使內(nèi)部呈負(fù)壓狀態(tài)，地面紅棗在內(nèi)外壓差作用下被吸管吸入箱內(nèi)，含雜紅棗經(jīng)過(guò)分離裝置，雜質(zhì)分離落出來(lái)，紅棗落入果箱中的物料筐中。

作業(yè)時(shí)，一人推動(dòng)機(jī)器前行，另一人手持吸氣管對(duì)準(zhǔn)地表的紅棗。地面的紅棗、雜質(zhì)在吸氣管口吸力作用下進(jìn)入管道，從風(fēng)選箱的頂部垂直落下，經(jīng)過(guò)雙氣流分離裝置，塵土和落葉等雜質(zhì)落入雜物箱內(nèi)，紅棗落入果箱。撿拾過(guò)程中產(chǎn)生的雜質(zhì)主要是葉子、小樹(shù)枝、塵土、小土塊等。工作中觀察到盛果筐滿后，關(guān)小汽油機(jī)油門(mén)，打開(kāi)出料門(mén)，更換盛棗筐，同時(shí)將雜物箱底部的出雜門(mén)打開(kāi)，葉子等雜質(zhì)從箱底部落下。關(guān)上出料門(mén)和出雜門(mén)，加大汽油機(jī)油門(mén)，繼續(xù)進(jìn)行撿拾作業(yè)。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 雙氣流分離裝置

雙氣流雜質(zhì)分離原理示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 雙氣流雜質(zhì)分離原理示意圖

該雙氣流分離裝置鑲嵌在機(jī)箱內(nèi)部，是機(jī)器的核心機(jī)構(gòu)，已申請(qǐng)國(guó)家實(shí)用新型專利。裝置將機(jī)箱分成3個(gè)部分，即上部的風(fēng)選箱、下部的物料箱和雜物箱。物料箱側(cè)面開(kāi)有出料門(mén)，雜物箱底部開(kāi)有出雜門(mén)。

風(fēng)選箱的前端連接進(jìn)風(fēng)管道，風(fēng)選箱的頂部靠近進(jìn)風(fēng)管道處連接進(jìn)料管接頭，進(jìn)料管接頭與吸氣管相連。進(jìn)風(fēng)管道的縱向截面呈直角梯形，可以使本來(lái)集中的氣流進(jìn)行分散外，并使風(fēng)選箱內(nèi)形成傾斜向上的風(fēng)選氣流。進(jìn)風(fēng)管道的位置處于風(fēng)選箱左側(cè)中心偏下，梯形的直角邊應(yīng)接近風(fēng)選箱底部，使風(fēng)選箱底部也充滿均勻氣流，防止出現(xiàn)渦流現(xiàn)象。進(jìn)料管接頭的位置應(yīng)處于直角梯形斜邊延長(zhǎng)線的右側(cè)，以確保物料一旦進(jìn)入風(fēng)選箱即可受到傾斜向上的氣流作用。進(jìn)風(fēng)管道前端連接調(diào)節(jié)閥，可調(diào)節(jié)風(fēng)選氣流量，以適應(yīng)不同物料。

傾斜隔板的上部向風(fēng)機(jī)一側(cè)傾斜，與水平呈50°角，隔板頂部與風(fēng)選箱頂形成一條狹窄縫隙，其尺寸剛能夠使雜物通過(guò)。傾斜隔板的作用可以阻擋紅棗運(yùn)動(dòng)，同時(shí)引導(dǎo)葉子等雜物通過(guò)隔板頂部縫隙進(jìn)入雜物箱內(nèi)，紅棗則通過(guò)隔板底部的孔落入果箱的物料筐內(nèi)，達(dá)到棗和雜質(zhì)分離的目的。

箱體外設(shè)有2個(gè)觀察窗，觀察物料箱和雜物箱的狀態(tài)。物料筐裝紅棗，可以做到在不停機(jī)的情況下快速更換。

3.2 大面積平板隔離過(guò)濾網(wǎng)

隔離過(guò)濾網(wǎng)的作用是隔離風(fēng)機(jī)和雜質(zhì)的同時(shí)不阻擋氣流。應(yīng)能將葉子等雜質(zhì)阻擋在雜物箱內(nèi)，而不進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)部，網(wǎng)孔又不能被葉子等雜質(zhì)堵塞。若葉子樹(shù)枝等進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)部，將會(huì)纏繞風(fēng)葉，造成風(fēng)葉的磨損。若過(guò)濾網(wǎng)的網(wǎng)孔被葉子堵死，則機(jī)箱內(nèi)的負(fù)壓將會(huì)迅速減小，吸氣管的吸力減小，影響設(shè)備性能。

隔離過(guò)濾網(wǎng)試驗(yàn)效果見(jiàn)圖4。

圖4 隔離過(guò)濾網(wǎng)試驗(yàn)效果

在過(guò)濾網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，曾考慮過(guò)采用球形、圓柱體等形狀的網(wǎng)罩，但試驗(yàn)中均會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)眼被堵塞的情況，還試驗(yàn)過(guò)增加機(jī)械裝置除去堵在網(wǎng)上的葉子，均不理想。最終確定設(shè)計(jì)成整個(gè)大面積平板隔離過(guò)網(wǎng)，由于面積大，網(wǎng)孔不容易被全部堵住，試驗(yàn)效果非常好。

3.3 風(fēng)機(jī)選型

該設(shè)備中有2個(gè)進(jìn)氣管道，1個(gè)是物料進(jìn)口，1個(gè)是作為分離雜物的進(jìn)氣口，這2個(gè)管道的直徑相等，均選用75 mm管徑。通過(guò)計(jì)算風(fēng)壓和風(fēng)量[4]，選用高壓離心風(fēng)機(jī)9-19-4A型，配用電機(jī)功率2.2 kW，風(fēng)量1 264 m3/h，風(fēng)壓3 597 Pa[5]。

3.4 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)見(jiàn)圖5。

圖5 傳動(dòng)系統(tǒng)

在傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將風(fēng)機(jī)的動(dòng)力改為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，選擇單缸四沖程風(fēng)冷式170F型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。170F型汽油機(jī)直接帶負(fù)荷啟動(dòng)比較困難，在傳動(dòng)系統(tǒng)中加入自動(dòng)離合器，汽油機(jī)—自動(dòng)離合器—皮帶傳動(dòng)—風(fēng)機(jī)軸。在汽油機(jī)轉(zhuǎn)速高于2 000 r/min時(shí)自動(dòng)離合器嚙合，通過(guò)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然在自動(dòng)離合器和皮帶傳動(dòng)中會(huì)損失部分動(dòng)力，但完全解決了傳動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)困難問(wèn)題，也提高了系統(tǒng)的安全性能。

3.5 撿拾吸頭

撿拾吸頭設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。

圖6 撿拾吸頭設(shè)計(jì)

由圖6可知，吸頭底部向開(kāi)口方向兩側(cè)擴(kuò)展，開(kāi)口部分呈梯形，整體呈簸箕狀。該設(shè)計(jì)可使集中的氣流分散到地面上，可使吸頭口部的氣流涉及更大的地面。若吸頭向前運(yùn)動(dòng)，吸頭底部的平面部分有利于紅棗順利進(jìn)入。吸頭口部的截面積不能過(guò)大，否則吸力會(huì)大大減小。

3.6 防堵結(jié)構(gòu)

防堵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖7。

圖7 防堵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)進(jìn)料管彎頭處容易堵塞，采用加粗彎頭處管道直徑的方法，防止物料堵塞，防堵效果明顯。

4 樣機(jī)測(cè)試

2014年9月，項(xiàng)目組人員到陜西省涇陽(yáng)縣太平鎮(zhèn)涇河灘棗園進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)。棗園棗樹(shù)為老品種木棗，許多樹(shù)齡在100年左右，樹(shù)桿粗約20 cm，高6～7 m。地面大多經(jīng)過(guò)人工鋤草，土地松軟，還有一部分為未經(jīng)處理的硬地。

實(shí)地試驗(yàn)撿拾效果見(jiàn)圖8。

圖8 實(shí)地試驗(yàn)撿拾效果

撿拾吸頭為普通圓管（內(nèi)徑75 mm），實(shí)地測(cè)試結(jié)果如下。

撿拾吸頭為普通圓管的實(shí)地測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 撿拾吸頭為普通圓管的實(shí)地測(cè)試結(jié)果

在撿拾吸頭為普通圓管（內(nèi)徑75 mm）的實(shí)地測(cè)試中，設(shè)備生產(chǎn)率為153.5 kg/h；而在紅棗單層密集平鋪狀態(tài)的試驗(yàn)測(cè)試中，生產(chǎn)率達(dá)到343 kg/h；在安裝了簸箕型撿拾吸頭的試驗(yàn)測(cè)試中，生產(chǎn)率可達(dá)到531 kg/h。以上試驗(yàn)表明，該設(shè)備的生產(chǎn)率與落地紅棗的分布狀況關(guān)系密切，若紅棗分布比較密集，則設(shè)備的生產(chǎn)率較高；若分布比較離散，則生產(chǎn)率較低。撿拾吸頭結(jié)構(gòu)形式對(duì)生產(chǎn)率也有很大的影響。

5 結(jié)論

氣吸式紅棗撿拾收獲機(jī)提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的撿拾和雜物清選方式，將紅棗和雜物分別收集，確保撿拾紅棗品質(zhì)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全。該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、雜質(zhì)分離效果好、易于推廣應(yīng)用，在收獲紅棗品質(zhì)、生產(chǎn)率和安全性方面都有很大程度提高。

該機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于：①利用負(fù)壓撿拾、氣流清選原理，完成紅棗的撿拾和雜質(zhì)分離，相比其他機(jī)械

A machine is developed in order to mechanize the harvest process of collecting red jujubes.The machine can be utilized to collect the red jujubes as well as to analyze impurities in them by taking advantage of negative pressure to inhale the red jujubes，and clean and classify by air flow.It can not only be used in harvesting red jujubes，but also can adopt in harvesting and collecting in forest fruits such as hawthorns，crabapples，wild jujubes，and so on.The mechanical structure，working principle，key components designs and testing of the prototype，etc.are introduced emphatically.

red jujubes；collecting；negative pressure to inhale；clean and classify by air flow

S225

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.08.041

2017-05-31

黨凱鋒（1984—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾竽翙C(jī)械及農(nóng)產(chǎn)品加工設(shè)備。

Research on a Pressure Inhale Equipment in Red Jujube Collecting

DANG Kaifeng，ZHANG Pengxia，YANG Zhen，CAO xifan

（Shaanxi Agricultural Machinery Research Institute，Xianyang，Shaanxi 712000，China）