气吸式落地红枣捡拾机的设计

张学军，白圣贺，靳伟，袁盼盼，于蒙杰，鄢金山,2，张朝书

(1.新疆农业大学机电工程学院，新疆 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，新疆 乌鲁木齐 830052； 3.阿拉尔市天典农机制造有限责任公司，新疆 阿拉尔 843300)

目前，新疆红枣种植面积已突破50 万hm2大关，年产量达到320万t占到全国总产量的50%以上，新疆是我国优质红枣种植的生产区，为提高产能红枣种植普遍采用矮化密植模式[1-5].针对矮化密植模式的特点和机械化采收红枣的迫切需求，需要研制适合于南疆枣园种植模式的红枣收获机械，有助于解决南疆乃至全国红枣机械化采收作业的难题[6-8].对降低枣农的种植成本，提高枣农种植效益，促进南疆红枣产业化发展有重要意义.

2003年，韩国忠南国立大学的Lee等通过研究红枣的物理力学特性，设计了1种全液压自走式红枣收获机，采收率能达到95.8%[9-10]；2008年，汤智辉等运用液压传动与控制技术实现低频振动方式，研制出中国第一台4YS-24红枣收获机械[11-12]；石河子大学机械电气工程学院付威课题组采用拨杆方式，研制了1台4ZZ-4自走式红枣收获机[13-14]，具有可持续性强、收获效率较高等优点；北京意美德通科技公司研制出1台YE3600A型手推式红枣收获机[15]，采用气吸式吸起红枣，该机灵活轻便.针对上述机型，由于机型比较大适用于行间距比较大的果树种植模式，还存在伤枣严重、捡拾效果不显著以及含杂量较多等问题，因此现在迫切需求研制一种小型红枣收获机械，降低伤枣率和含杂率，提高机器的工作性能.

1 气吸式落地红枣捡拾机的设计

1.1 整机结构与工作原理

该机由闭风器、柴油机、行走系统、风机、分选装置、吸气室、传动系统、直流电机以及蓄电池等主要部分组成，结构如图1所示.机器的行走动力由蓄电池直接提供，柴油机作为风机的动力源，而闭风器的动力直接由直流电机提供.在工作过程中，红枣捡拾机采用电动的方式行驶在枣园行间，风机的动力由柴油机提供，通过风管与吸气室连接，转子叶片转动使空气在流场中形成压力差，致使吸气室形成负压，故将散落在地面上的红枣混合物吸起.在负压的作用下，分选装置利用缠绕作用将混合物排到集杂室里，而红枣则被分选装置和阻挡片阻挡在吸气室里，靠自身重力落入到闭风器中，通过闭风器旋转排出到枣箱中，实现红枣捡拾工作.

1：吸气管；2：风机；3：吸气室；4：分选装置；5：直流电机；6：闭风器；7：推动把手；8：筛条；9：机架；10：蓄电池；11：地轮；12：电动系统；13：柴油机.1：suction tube；2：fan；3：suction chamber；4：separation unit；5：DC motor；6：air cooler；7：push handle；8：screen rod；9：frame；10：battery；11：ground wheel；12：electric system；13：diesel engine.图1 气吸式落地红枣捡拾机整体结构Figure 1 Air suction type jujube picking machine overall structure

1.2 各阶段过程工作分析

根据吸送式气力输送原理，将吸气室划分为吸枣区、分离区、排枣区3个区域，如图2所示.在工作过程中，风机做高速旋转运动，产生空气流场形成压力梯度，而吸气室为等势流场，内部的各部分压力相等.在等势流场中，由伯努利方程可知整个流场压力处处相等[15-17].

1.2.1 吸起红枣过程分析 在吸起红枣的过程中，其根本就是受力平衡的问题，红枣受到重力、吸引力以及空气阻力3个力的作用，受力分析如图3所示.

图2 吸气室工作区域划分Figure 2 Suction chamber work area division

图3 红枣受力分析Figure 3 Jujube stress analysis chart

因此根据受力平衡关系，红枣被吸起的条件为向上的合力要大于向下的合力，即吸引力大于重力，故临届条件为：

(1)

化简式(1)红枣悬浮速度的临届条件：

(2)

式中：Fx为吸引力，N；Fz为阻力，N；Cd为阻力常数；ρq为空气密度，Kg/m3；x为红枣的短轴直径，m；y为红枣的长轴直径，m；vq为理论气流的流速，m/s；v为实际气流的流速，m/s；G为红枣的重力，N；mmax为红枣的最大质量，g；g为重力加速度，m/s2；k为吸起红枣可靠性系数.为弥补红枣大小形状及枣间碰撞等因素造成计算结果产生的误差，一般情况为1.8～2，取k=2.

根据公式(2)以及分析可知，在吸起红枣的过程中，吸气室所需要的气流流速与风机转速大小、红枣的理化性质等因素有关.

1.2.2 红枣分选过程分析 完成吸起红枣过程后，进入到吸气室里的分离区域，能从红枣混合流中分离出来实际是一种气固两相流的问题，而沉降速度是两相流中的一个重要参数.因而红枣能顺利沉降到排枣区里的临届条件为质量最轻的红枣以最大的投影面积可以沉降，且风量处处相等，其公式如下：

(3)

式中：vc为红枣沉降速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；mmin为质量最小的红枣质量，g；ρq为空气密度，kg/m3；x为红枣的短轴直径，m；y为红枣的长轴直径，m；Dd为阻力系数；A1为截面1处的面积，m2；A2为截面2处的面积，m2；v1为截面1处的流速，m/s；v2为截面2处的流速，m/s.

与此同时红枣混合物继续受到吸力的作用，枣叶等杂质质量小于红枣被吸入到杂物箱中，而枝条等杂质在分选装置旋转缠绕的作用下落入到杂物箱中，与此同时红枣继续受到吸引力，即在这个均匀流场中，气流流速小于沉降速度，为了以防万一，同时加上分选装置以及阻挡片的阻档作用，使红枣自由落入到排枣区，完成清选红枣工作.因此在红枣清选过程中，根据公式(3)以及分析可得红枣的理化性质、气流流速大小(主要由风机转速大小、吸气室截面面积决定)以及分选装置驱动轮转速大小等因素起着主要影响.

1.2.3 排枣过程分析 完成清选过程后，红枣落入到排枣区，即在闭风器中，这时只受到自身重力和空气阻力的作用，在闭风器不停旋转的作用下落到筛条上，进而滚落到枣箱中.以一定的初始速度运动，由于运动速度相对降低，空气阻力可以忽略不计.建立如图4所示的平面直角坐标系，对红枣进行运动分析，根据牛顿运动学定理，列出其红枣运动方程(4)式.

图4 红枣下落运动分析Figure 4 Jujube shedding movement analysis chart

图4中，O点为坐标原点，x、y为坐标轴；W为闭风器的旋转速度，r/min；r为闭风器的圆周半径，m；v0为红枣从闭风器排出的初速度，m/s；v0x为v0在水平方向分速度，m/s；v0y为v0在竖直方向分速度，m/s；v1为红枣落到筛条上的初速度，m/s；v1x′为v1在水平方向分速度，m/s；v1y′为v1在竖直方向分速度，m/s；v2为红枣从筛条排出的初速度，m/s；v2x为v2在水平方向分速度，m/s；v2y为v2在竖直方向分速度，m/s；v3为红枣落到枣箱的速度，m/s；θ0为红枣抛出点与竖直方向夹角，(°)；θ1为筛条与水平方向夹角，(°)；θ2为红枣抛出点与竖直方向夹角，(°)；H0为红枣抛送点到筛条竖直高度，m；H1为筛条的竖直高度，m；H2为红枣抛送点到地上的竖直高度，m；L0为红枣抛送点到筛条的水平距离，m；L1为筛条的水平距离，m；L2为红枣抛送点到地上的水平距离，m.

(4)

对公式(4)进行一次积分求出速度得到公式(5).

(5)

通过对公式(4)～(5)分析计算得到公式(6)～(8).

(6)

(7)

(8)

根据上述公式与分析可知，红枣在自由下落过程中运动状态与机器前进速度、闭风器旋转速度(影响分选装置驱动轮转速)、位置高度、圆周半径以及筛条倾角、长度等因素有关，因此为了尽可能使全部红枣低损甚至无损落入枣箱中，上述工作参数应该慎重考虑.

2 关键部件设计

2.1 风机的选型

根据公式(2)能够计算得出红枣被吸起所需的临届流速vq=20.94 m/s，即实际流速v=41.88 m/s.根据气体一维定常流动的基本方程原理[18]，列出沿流动方向任意两个截面间的关系方程为：

(9)

式中：P1为截面1处的压强，Pa；P2为截面2处的压强，Pa；ρ1为截面1处的气体密度，kg/m；ρ2为截面2处的气体密度，kg/m3；k为气体绝热指数.

将数据代入上式中，并令v2=v=41.88 m/s，取k=1.4可得v1为64.41 m/s，即风量为Q=A1v1≈6 032.38 m3/h.通过风机手册[19]，以及结合该机所工作的田间环境等条件，故选用4-79No4A型风机，额定工作转速为2 900 r/min，流量范围为4 670～9 080 m3/h，功率为5.5 kw.

2.2 分选装置设计

在工作过程中，气吸式落地红枣捡拾机是将散落在地面上的红枣进行气吸捡拾，在此过程中必定会有部分枝条枣叶等杂物随红枣一并被吸起，因而需要对所吸起的红枣混合物进行区分.分选装置主要是完成红枣的筛选作业工作，主要由分离圆盘、分离凸轮盘、动力轴以及阻挡片等组成.

根据红枣收获农艺要求与经验，为防止红枣被吸入到杂物箱中，一般红枣纵径与横径均大于20 mm，因此确定分离圆盘与分离凸轮盘间隔12 mm，厚度2 mm，各12个，分选装置结构图5所示.枝条枣叶等杂质在分离凸圆盘和分离圆盘缠绕以及风机产生的吸力的同时作用下，落入到杂物箱中，而红枣被分选装置和阻档片阻挡，靠自身重力落入到闭风器中，完成红枣清选工作，使所收获的红枣达到农艺要求.

1：动力轴；2：阻档片；3：分离圆盘；4：分离凸圆盘.1：power shaft；2：blocker；3：separate convex disc；4：separate disc.图5 分选装置结构Figure 5 Separation device structure

2.3 筛条设计

如图6所示为筛条的结构示意图，由筛面和筛架组成.当红枣在闭风器的旋转的作用下落到筛条上，进而滚落到枣箱中，在此期间要保证红枣不会从筛条中掉下去，因此要选择合适的筛面和间距.通过前期预试验，棒条的筛面对红枣的损伤较小，满足条件.根据前期对红枣的调研，一般红枣纵径与横径均大于20 mm，因此选择棒条的间距为15 mm，直径为7 mm，长度400 mm.

1：筛面；2：筛架.1：screen surface；2：screen frame.图6 筛条结构Figure 6 Diagrid device structure

2.4 试验验证

根据对气吸式落地红枣收获机的分析与设计，对该机进行试验验证，如图7所示.选取风机的装速为2 900 r/min，经过试验证明，该机的伤枣率为0.93%，含杂率为3.56%，因此该机的工作性能较佳，符合红枣收获农艺要求.

图7 试验现场Figure 7 Test site

3 结论

该机通过风机转动，使得空气流场产生压力差，导致吸气室产生负压，于是采用气吸的方式对红枣、枝条枣叶等混合物进行拾取，红枣混合物在吸力的作用下，吸入到吸气室里，避免了红枣与机器的碰撞产生的机械损伤，因此降低了伤枣率.在吸引力作用下，分选装置利用分离凸盘和圆盘的缠绕作用下把枝条混合物落入到杂物箱中，而红枣由于被分选装置与隔档片阻挡落入到闭风器中，从而靠自身的重力落入到枣箱里，有效解决了红枣含杂率较高的问题.

通过对风机、分选装置以及筛条进行设计分析，确定了风机选用4-79No4A型号，该机型额定工作转速为2 900 r/min，流量范围为4 670～9 080 m3/h，功率为5.5 kw；得到分选装置中的分离圆盘与分离凸轮盘间隔12 mm，厚度2 mm，各12个；确定了筛条的棒条的间距为15 mm，直径为7 mm，长度400 mm，最后对该机进行试验验证得：该机的伤枣率为0.93%，含杂率为3.56%，符合红枣收获农艺要求，该结果为后续研究气吸式红枣捡拾机奠定基础.