气力式矮密栽培红枣捡拾机研制

张学军，白圣贺，靳 伟，袁盼盼，于蒙杰，鄢金山，张朝书

气力式矮密栽培红枣捡拾机研制

张学军1,2，白圣贺1，靳 伟1，袁盼盼1，于蒙杰1，鄢金山1,2，张朝书3

（1. 新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐 830052；2. 新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室，乌鲁木齐 830052；3. 阿拉尔市天典农机制造有限责任公司，阿拉尔 843300）

为满足在矮密栽培模式下实现红枣收获机械化的工作要求，该文针对落地红枣捡拾效率较低、机械化捡拾易伤枣及红枣与杂质分选困难等问题，研制了一种适用于新疆矮化密植红枣的气力式红枣捡拾机。该机主要由柴油机、风机、拨轮分选装置、吸气室、闭风器、吸气管、传动系统、行走系统以及振动分离筛机构等组成，根据其工作原理，确定振动分离筛机构的偏心距为60 mm，曲柄转速范围为131.61～160.62 r/min。运用Design-Expert 10.0.3.1软件，根据Box-Benhnken中心组合设计方法，以机器前进速度、风机转速、曲柄转速为影响因子，红枣拾净率和含杂率为响应值进行三因素三水平二次回归正交试验设计，并对各因素进行优化。结果表明：对红枣拾净率和含杂率的显著性影响顺序为：风机转速>曲柄转速>机器前进速度；验证试验结果表明：当机器前进速度为0.60 m/s、风机转速为3 080 r/min、曲柄转速为140 r/min时，红枣拾净率为96.41%、含杂率为1.54%。田间试验值与理论优化值相对误差分别为1.71%和3.40%，均小于5%。该研究可为矮密栽培红枣机械化捡拾提供参考。

农业机械；农作物；收获；矮密栽培；红枣；振动分离筛；气力式；捡拾机

0 引 言

生产实践证明，未来新疆乃至全国红枣产区的红枣种植模式将以矮化密植为主。一般矮化密植栽培模式的产量是常规稀植产量的2倍，可高达1.5万 kg/hm2，但目前与红枣种植模式相匹配的配套机型甚少[1-3]。为了有效提升枣树的丰产和种植户的经济效益，新疆地区基本上采用4 m×1.5 m（行距×株距）矮化密植模式，部分采用3 m×2 m的矮化密植模式[4-7]，该种植模式比较符合新疆气候条件，优化植株空间位置，提高土地利用率和光能利用率，方便管理，进而提高红枣产量。但该模式会造成作业空间狭小和窄行距收获拥堵等问题。因此，研究一种简单方便且适用于矮化密植栽培模式要求的红枣收获机械具有非常重要的意义。

由于国外的红枣种植面积较少，只有极少数国家比如韩国、日本等东亚地区少量种植，因此，对矮化密植栽培模式下的红枣收获机械研究较少[8-9]。2003年，韩国忠南国立大学Lee研究出一种基于树冠振动的全液压自走式红枣收获机，采收率能达到95.8%[10]，但是韩国红枣种植模式与中国新疆矮化密植模式相差较大，借鉴性较小。Churchill为了实现柑橘的捡拾收获，采用刮板输送链喂入的方式，实现柑橘的捡拾收获[11-12]。该种收获方式对地面的平整度要求较高，易造成漏检和果实损伤等问题，主要应用于柑橘、榛子等表皮坚硬的林果捡拾作业。Hedden等研究团队采用滚筒刮板旋转方式，研制了一种滚筒喂入式捡拾机[13]，实现果实强制喂入，但易造成果实挤压摩擦破坏和漏检，适用于行间距较大的大型果树收获。阿尔斯波（OXBO）国际公司推出一种新型柑橘捡拾机[14]，该机提高了分选工作性能，极大减少了进入输送装置的杂质量，但仅适应于果皮较硬以及尺寸较大的果实捡拾作业。由于林果收获机械体积庞大，不适合国内矮化种植模式红枣的采收。

国内对矮化密植红枣收获机械的研究在不断深入。孟祥金等运用液压传动与控制技术实现低频振动，研制出中国第一台4YS-24红枣收获机械，通过使用配套倒伞形接果装置收集红枣，但不适于矮化密植栽培模式红枣收获，有一定的局限性[15]。付威等采用拨杆方式，研制一台4ZZ-4自走式红枣收获机[16-18]，以一定的力度接触红枣，打落完成采摘过程。该机适用于南疆红枣种植模式，具有可持续性强、收获效率较高等优点，但易出现漏检现象，造成浪费。北京意美德通科技发展有限公司研制出一台YE3600A型手推式红枣收获机[19]，采用气吸方式捡拾红枣[20]，完成收获过程。该机灵活轻便，适用于矮化密植枣园[21]，但存在工作效率较低，分离效果差等问题。上述机型主要针对树上红枣进行收获，而对落地红枣捡拾研究较少。红枣成熟时期会有30%～50%的红枣自然脱落并且成熟周期较长，采收落地红枣已成为红枣收获的重要环节。

目前迫切需要研制适用于矮化密植模式下的小型落地红枣收获机械，促进红枣收获机械化的发展。因此本文按照矮密栽培模式设计了一种气力式红枣捡拾机，采用气吸捡拾方式，有效降低伤枣率，运用拨轮分选装置与振动分离筛机构相结合，拨轮分选装置负责分选枣叶与枝条，经过捡拾分离后的红枣混合物在振动筛分离机构的振动和摆动过程中，实现红枣与碎石、土块的二次筛选，减少红枣含杂率。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

气力式矮密栽培红枣捡拾机主要由柴油机、风机、拨轮分选装置、吸气室、闭风器、吸气管、传动系统、电动系统以及振动分离筛机构等组成，结构如图1所示。该机型按照新疆矮化密植红枣栽培模式设计，主要参数如表1所示。

1.吸气管 2.风机 3.吸气室 4.拨轮分选装置 5.传动系统 6.闭风器 7.推动把手 8.振动分离筛 9.机架 10.行走系统 11.柴油机

表1 气力式矮密栽培红枣捡拾机主要参数

1.2 工作原理

工作时，气力式红枣捡拾机以蓄电池为主电源，给机器驱动电机、闭风器驱动电机以及振动分离筛机构驱动电机提供动力。机器驱动电机驱动该机行驶在枣园行间，闭风器由闭风器驱动电机提供动力，然后通过链传动将动力传递给拨轮分选装置，振动分离筛机构由振动分离筛驱动电机直接驱动。

柴油机作为风机动力源驱使其转动，通过风管与吸气室连接，叶片转动使空气在流场中形成压力差，使吸气室形成充足的负压，操作人员手持吸气管捡拾落地红枣并输送到吸气室里。在吸气室里红枣与杂质通过拨轮分选装置的缠绕以及负压的作用把枣叶与枝条分选出去，排到集杂室，完成一次分离；红枣靠自身重力落到闭风器中，随其旋转落到振动分离筛机构上，通过筛面振动和摆动，实现红枣与碎石、土块的二次分离，然后落到枣箱中，完成红枣捡拾工作。

2 关键部件设计

2.1 振动分离筛

振动分离筛结构和工作示意图如图2所示，主要由振动机构架、偏心轮、筛面、摇杆和左右吊杆等组成，主轴与偏心轮通过轴承铰接于点；左吊杆（点）和右吊杆（点）通过轴承铰接在机架上；摇杆（点）通过轴承铰接在振动分离筛体上。

1. 左吊杆 2.偏心轮 3.直流电机 4.摇杆 5.电机架 6.振动机构架 7.筛面 8.右吊杆

2. 1.Left boom 2.Eccentric wheel 3.DC motor 4.Rocker 5.Electric frame 6.Vibration mechanism frame 7.Screen surface 8.Right boom

a. 振动分离筛结构图

a.Vibration separation screen structure

注：为坐标轴；,,,分别为偏心轮、左吊杆、右吊杆、主轴；为曲柄转速，r·min-1；为振动分离筛的偏心距，m。

Note:andare the coordinate axes;,,,are eccentric wheel, Left boom, right boom and spindle;is crank speed, r·min-1;is eccentricity of vibrating separation screen, m.

b.振动分离筛工作示意图

b.Schematic diagram of shaker separation mechanism

图2 振动分离筛结构和工作示意图

Fig.2 Vibration separation screen structure and working diagram

第一次分离主要把枣叶和树枝条分选出去，但红枣中还含有碎石和土块，需要进行二次分离筛选掉碎石和土块，于是采用振动分离筛机构，其中各连杆组件为经淬火处理的优质碳素钢材料，坚实耐用。由振动分离筛驱动电机作为动力源，偏心轮以一定的角速度匀速转动，带动摇杆使左右吊杆、做往复摆动，实现筛面重复摆动和振动，完成红枣与碎石、土块的二次分离。

根据理论分析与预试验可得，长度为55～65 mm、长度为210 mm、长度为70 mm，长度为425 mm，初始状态下振动分离筛与地面的倾角为30°。若长度小于55 mm，分离筛的振动幅度过小导致无法达到更好地分离效果；若长度大于65 mm，振动幅度较大致使惯性变大，造成工作性能不稳定。最终根据试验与经验确定偏心距长度为60 mm，参考王立军等[22-24]研究结论，初步确定振动分离筛的曲柄转速范围为125～165 r/min。可更好地实现前后重复摆动与上下重复振动，减少机构的惯性影响和提高分离效果。

设曲柄的最左边的位置作为初始位置，摇杆（点）通过轴承铰接在振动分离筛机构上，则点就是振动分离筛与摇杆的相交点，点的运动即是振动分离筛机构的运动，以为坐标原点，、为坐标轴，则点（即振动分离筛）的位移公式为