仿形伞状集果式红枣收获装置的设计

2018-12-27郑永安甄健民王春霞

塔里木大学学报 2018年4期

郑永安甄健民王春霞陈超胡灿*

(1 塔里木大学机械电气化工程学院/新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔 843300) (2 阿拉尔质量技术监督综合检测检验所，新疆阿拉尔 843300)

红枣是我国特色林果产业，据相关资料显示，全球90%的红枣产自中国[1]。新疆因其昼夜温差大、气候干燥等特点，形成了新疆红枣独有的品质[2]，特别适合于高品质红枣的产出。2005年以来，新疆生产建设兵团开始规模化发展红枣，截至2013年，新疆红枣种植面积已突破40万公顷，占新疆林果业面积的48% 以上[3]。新疆红枣大部分地区采用矮化密植种植模式，其种植规模不断扩大，实现红枣的机械化采收具有重要意义。

国外林果收获机械研究较早[4]，主要以柑橘、杏子、樱桃、核桃等林果相关收获机械研究为主[5]。近年来国外韩国忠南国立大学S. W. Lee et al.对红枣的物理力学特性进行研究，研制了一种基于树冠振动的全液压自走式红枣收获机，成熟红枣采收率达到95. 8%[6]。2013年，塔里木大学史高昆等人设计了YE3600型气吸式红枣收获机[7]，主要由风机、吸管、三通管道、分选管道、集枣框组成，通过田间试验得出其收获效率是人工收获效率的5. 2倍[8]。2015年，塔里木大学鲁兵等人设计了一种牵引清扫式落地红枣捡拾收获装置[9]，针对矮化密植型红枣进行了田间试验，对装置相关参数进行优化[10]。

1 整机结构

1.1 结构

针对新疆南疆地区红枣采用矮化密植种植模式，对落地红枣的收集与收获，设计了一种仿形伞状集果式红枣收获装置，本装置主要有落果收集筒、波纹软管、固定喉箍、搭扣、伞形集果筒、固定孔、合页、紧固喉箍、阀门、支撑座、柔性橡胶套，喉箍限位槽、落果端口等主要部件组成。收获装置总体如图1所示。

1.伞形集果筒 2.落果收集筒 3.波纹软管 4.固定喉箍 5.搭扣

其中，伞形集果筒由合页与搭扣固定，伞形集果筒的合页与搭扣对应安装位置开通孔，合页与搭扣通过螺钉，螺栓固定在伞形集果筒上。伞形集果筒如图2所示。

1.搭扣安装孔 2.伞形集果筒固定榫头 3.落果口 4.合页安装孔

集果收获装置的下半部分支撑座内壁胶接对开柔性橡胶套，用以贴合不同直径的树干。支撑座采用榫接结构，对开式支撑座一半加工有榫头，另一半加工有榫眼，确保支撑座整体平整。支撑座采用一个固定喉箍和两个紧固喉箍进行固定和紧固，防止支撑座发生位移。支撑座上开有4个相隔90°的落果口。落果端口外壁加工有螺纹，与波纹软管连接，波纹软管另一端与落果收集筒端口通过螺纹连接。其中伞形集果筒与支撑座贴合的端面加工有榫头，支撑座与伞形集果筒贴合的端面加工有榫眼，伞形集果筒与支撑座通过榫接的方式连接在一起，防止伞形集果筒转动，确保落果口对接正确。支撑座如图3和图4所示。

1.柔性橡胶套筒 2.紧固喉箍限位槽 3.落果端口 4.支撑座固定榫眼 5.固定喉箍限位槽

1.落果收集筒 2.波纹软管

2 工作原理

2.1 作业对象选取

以新疆落地型红枣收获为例，介绍具体实施方式。在我国新疆地区，红枣种植因地域集中、日光充足，普遍采用矮化密植种植模式[11]，枣树行间距较密集，这种密植模式对提高枣园的红枣产量作用十分明显。新疆的红枣生产主要以干制红枣为主，为了提高红枣的内部品质，按照农艺要求，将干燥分为两个阶段，即收获前红枣在枣树上的自然干燥阶段和收获后机械干燥加工阶段。自然干燥阶段是指在收获前，为了更好地提高红枣品质，降低红枣含水率，人为地推迟红枣的收获时间，使枣园中大部分红枣在枣树枝上继续挂果，完成自然干燥的过程。然而，这种方式也导致了在收获前，大约有三分之一以上的红枣离枝掉落在枣田地面，形成了落地红枣，使红枣的收获难以实现机械化作业，矮化密植枣园以人工捡拾收获为主要的收获方式；另外，矮化密植模式行间距较小，大型收获机械也无法进入枣园作业，由于增大行距，会降低产量，因此，枣农对增大行间距种植的模式意愿不强，致使新疆红枣的机械化收获作业成了较大的难题。

在红枣成熟前，将仿形伞状集果式红枣收获装置提前固定在红枣枣干上，使红枣自然成熟时能掉入至伞形集果筒内即可，收获时，由于落地红枣成熟度很高，大部份枣果自然掉入至伞形集果筒内，完成集果收获，通过人工打开落果收集筒底部的片状式插板阀门，枣果进入到收集框中完成收获作业。

2.2 工作过程

首先将两半柔性橡胶套分别胶接在两半支撑座内壁上，然后将4段波纹软管旋入两半支撑座上的落果端口，再将两半支撑座套在果树树冠以下距地面一定高度的主干上，再把两个紧固喉箍安装在支撑座的限位槽中，同时拧紧紧固喉箍，保证支撑座的位置，再安装固定喉箍保证支撑座上的落果端口位置正确。

其次将伞形集果筒套在果树上，将搭扣扣紧之后安装在支撑座上，再利用4个绳钩其中一端勾住伞形集果筒的4个固定孔，另一端勾住果树枝干，防止伞形集果筒产生倾斜。

最后将四段波纹软管另一端旋入落果收集筒对应的端口，安装阀门，在落果收集筒下方放置收集框，当落果收集完成时，打开落果收集筒底部的片状式插板阀门，落果进入到收集框中完成收获作业。

3 关键部件设计

3.1 伞形集果筒容积

集果装置由伞形集果筒、搭扣、合页等组成，伞形集果筒共有4个落果端口，位于集果筒底部，通过对红枣树枝几何拓扑结构的统计分析[12]，确定集果筒高度为850 mm，顶面直径1 200 mm，底面直径240 mm。设计伞形集果筒如图5所示。

图5 伞形集果筒三维建模

伞形集果筒容积按下式计算

(1)

式中：V—伞形集果筒容积容积(m3)；

h—伞形集果筒高度(m)；

R—伞形集果筒顶面直径(m)；

r—伞形集果筒底面直径(m)。

3.2 集果筒形状设计

落果聚拢区的集果过程因红枣形状的不规则而复杂多变，因此集果筒的三维结构约束着落果端口的排果性能。完熟期红枣的形状可近似认为在长、宽、厚 3 个方向上均为对称的椭圆体，其质量中心位于其对称中心，故红枣在落果聚拢区以“平躺”、“侧卧”和“竖立”等姿态充入落果口。理论分析表明[13]，红枣在重力场中的运动姿态概率与其本身 3 种姿态的截面积成正比，即：

(2)

式中：PL—为红枣平躺姿态概率；

PS—为红枣侧卧姿态概率；

PE—为红枣竖立姿态概率；

SL—为平躺姿态折合面积；

SS—为侧卧姿态折合面积；

SE—为竖立姿态折合面积。

3种姿态的概率和为：

PL+PS+PE=1

(3)

由式(2)和式(3)得：

(4)

其中3种姿态的投影近似椭圆形，其面积分别为：

(5)

式中：l—为红枣长度参数；

w—为红枣宽度参数；

t—为红枣厚度参数。

3.2.1 红枣聚拢姿态试验

(1) 试验材料

试验对象以生长期为六年生(各项指标稳定)的和田枣，取样时，避开地头，选择长势均匀的部分进行取样。由于果实的掉落位置、掉落时间等不同，导致物理特性略有差异，加之红枣捡拾为一次性作业，试验采样时充分考虑其方位、高度、层次等因素，确保样品具有代表性。本次试验采样采用部分区组完全随机取样法，即综合考虑各个影响因素进行均匀采样。具体采样方法如下：在标准矮化密植枣园中随机选取10个区域进行标记，每个区域 5 株红枣。试验时在选定的 10 个区域中随机选定 5 个区域，每个区域中随机选定 1株进行采样，在采样对象选定后对其进行标记，为连续采样做好准备，同时采样时应尽量不要将枣树上的果实碰落，造成误捡。

(2)试验仪器

JM-B5003 电子天平(测量精度0. 001 g、量程500 g)，500-196电子游标卡尺(测量精度0. 01 mm、量程200 mm)，MA 45水分测定仪(测量精度 0. 001 g、量程45 g)，密封袋。

(3)试验方法

使用电子游标卡尺对落地枣三维几何尺寸进行测量，每组重复 3 次，以平均值作为实验结果。

使用水分测定仪对落地枣的果实含水率进行测量，每粒红枣重复 3 次，以平均值作为实验结果。

(4)试验结果分析

最终选择完熟期3个品级，含水率平均为22%的和田枣各100粒，测量其长、宽、厚方向上的三维尺寸参数，取平均值计算红枣3种形态的概率值。如表1所示。