庄子豪1，袁盼盼1，韩长杰1，张㊀静1，高㊀杰2
(1.新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐㊀830052; 2.新疆中收农牧机械有限公司，乌鲁木齐㊀830013)摘㊀要：针对新疆红枣人工收获劳动强度大㊁效率低等问题，设计了一种自走型气吸式红枣捡拾机，实现对落地红枣的捡拾㊁除杂等功能㊂通过对落地红枣㊁枣叶等进行悬浮特性测定，得到红枣悬浮速率为12.45~23.69m/ s，枣叶悬浮速率不超过4m/s㊂利用气吸管进㊁出气口动压损失，计算出气吸管进气口必要的风速条件，确定了 沉降室的进风口和沉枣腔尺寸㊂田间试验结果表明，当风机转速为2900r/min时，收获率ȡ98.3%，破损率ɤ3.83%，含杂率ɤ3.02%㊂ 关键词：落地红枣；捡拾机；自走气吸式
中图分类号:S225.93㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A文章编号:1003-188X(2021)08-0080-04
0㊀引言
红枣原产地中国，鼠李科枣属植物[1]，在我国已有7000年多历史，期间相继传入欧洲㊁印度㊁美洲[2]㊂
目前，国内红枣主要在华北㊁中原地区及新疆维吾尔自治区种植[3]㊂随着全疆推动特林果产业发展，使得红枣种植面积迅速扩大[4-5]㊂据调研，新疆人工采收红枣劳动强度大，收获效率低，收获成本达到平均0.8元/kg[6]，收获期又与其它需要人工收获的经济作物重叠，导致雇佣劳动力困难，红枣不能及时收获，损失明显[7]㊂红枣机械化收获能够有效推动红枣产业发展，使农民获得更好的效益㊂
1㊀整机结构及工作原理
1.1㊀整机结构
气吸式红枣捡拾机具主要由气吸软管㊁沉降室㊁闭风装置㊁离心风机㊁柴油机㊁筛板及行走装置等部分组成，如图1所示㊂主要设计技术参数如表1所示㊂1.2㊀工作原理
作业前，将集果箱放置在筛板下方，完成收获前准备工作㊂作业时，一人手持气吸管对落地红枣进行捡拾；红枣经过吸枣管进入沉降室，由闭风装置将红枣输送至筛板后落入集果箱；小质量杂质(如杂草㊁树收稿日期:2019-12-25
基金项目：新疆维吾尔自治区重点研发计划项目(2017B01002-2)
作者简介：庄子豪(1994-)，男，乌鲁木齐人，硕士研究生,(E-mail) zzh152@qq㊂
通讯作者：韩长杰(1980-)，男，河南遂平人，教授，博士,(E-mail)hcj _627@163㊂叶等)由杂质导向滚轮输送至沉降室后部，部分杂质经离心风机吹出，其他杂质通过手动打开下排杂门排出㊂样机装有4个12V蓄电池，其中1个给柴油机启动器供电,1个为低速电机提供动力,2个给后驱动桥提供动力㊂行走时，转向握把上设有前后行进开关及油门，可控制机具在田间行走的方向和速度㊂
1.低速电机㊀
2.闭风装置㊀
3.红枣导向板㊀
4.沉降室密封盖
5.杂质导向滚轮㊀
6.沉降室㊀
7.离心风机㊀
8.柴油机
9.蓄电池㊀10.后轮11.机架㊀12.万向轮㊀13.筛板
14.转向握把㊀15.气吸管㊀16下排杂门
图1㊀小型气吸式红枣捡拾机结构示意简图
Fig.1㊀Jujube pickup structure schematic diagram
表1㊀红枣捡拾机主要设计技术参数
Table1㊀Main design technical parameters of jujube picking machine 项目单位设计参数或形式
结构形式自走式配套发动机额定功率kW7.7
配套发动机额定转速r/min3600
续表1
项目单位设计参数或形式
整机质量kg320外形尺寸(长ˑ宽ˑ高)mm2360ˑ1030ˑ1530后轮轮距/mm815
2㊀主要工作部件的设计
2.1㊀风机选型
在农业机械上常采用通用型和清粮型风机进行通风㊁分选㊁清洁和输送各种物料[8-9]㊂本机选用4-72型离心风机，叶片数量Z=6，单侧进风，参数如表2
所示㊂
表2㊀4-72型离心风机技术参数
Table2㊀Technical parameters of model4-72centrifugal fan
项目单位参数
机号No.4A
功率kW 5.5
转速r/min2900
流量m3/h4012~7419
全压Pa1320~2014
2.2㊀沉降室外壳设计
2.2.1㊀沉降室工作原理
气吸式红枣捡拾机的沉降室用于将吸入红枣与小质量杂质(如树叶㊁杂草等)分离，其内部结构如图2所示㊂
1.沉枣腔㊀
2.下挡板㊀
3.沉降室进风口㊀
4.红枣导向板
5.沉降室密封盖㊀
6.杂质导向滚轮㊀
7.沉杂腔
8.沉降室出风口㊀9.下排杂门
图2㊀沉降室内部结构示意图
Fig.2㊀Structural diagram of settlement chamber
沉降室分为沉枣腔和沉杂腔两部分㊂工作时，红枣由沉降室进风口吸入，沉降室内的红枣被红枣导向板挡下，落入闭风器；枣叶㊁树枝等杂质进入沉杂腔中，部分轻质杂质由沉降室出风口排出；剩余杂质沉积在沉杂腔下部，待手动打开下排杂门时将其排出，实现红枣沉降㊁除杂㊁排杂工作㊂
2.2.2㊀基本参数设计
1)红枣悬浮特性试验㊂抽取收获期落地红枣100个，随机平均分成5组进行悬浮特性试验㊂由于红枣形状为类椭球体，在气力推动过程中存在翻滚的情况，因此试验过程需要同时记录其最大和最小悬浮速率[11]㊂试验结果如表3所示㊂
表3㊀红枣物料悬浮速率
Table3㊀Test results of jujube material m/s 组别最小悬浮速率最大悬浮速率
112.9320.92
213.8621.79
314.5521.62
414.9823.69
512.4519.07
㊀㊀2)气吸管工作状态风速计算㊂为了使得落地红枣顺利被吸入沉降室，不仅需要得到其悬浮速率，还需考虑气吸管中的压力损失，以保证对红枣的输送功能㊂气吸管作业基本形态示意图如图3所示㊂其中，气吸管左侧末端为出气口，右侧为进气口㊂
图3㊀气吸管作业基本形态示意图
Fig.3㊀Schematic diagram of basic configuration of air suction work
计算气吸管动压及风阻时，可将其拆分为两段直管与两段90ʎ弯管，总长为3.2m㊂管道第Ⅰ段及第Ⅲ段的风阻属于局部流量不改变时产生的局部阻力㊂根据表3，红枣的悬浮速率为24m/s，由于红枣被吸起后需要被气流输送至一定高度，因此其输送气流速率应该是悬浮速率的110%~130%[12]，即气吸管出
气口风速不小于26.4m /s㊂
气吸管Ⅰ㊁Ⅲ段中局部风阻计算式为
P =ξ
v 2ρ2
(1)
式中㊀P 压力损失(Pa);
㊀ξ 管道固有的阻力系数;
㊀v 风管内空气的平均流速(m /s);㊀
ρ 空气的密度,ρ=1.2kg /m 3㊂
首先计算气吸管进气口空气流速v 0，即v 12
ρ
2+ξ1v 2ρ2+ξ3v 2ρ2=v 02
ρ2
(2)
式中㊀
v 1 气吸管出气口风速,v 1=26.4m /s;㊀v 0 气吸管进气口风速(m /s);㊀ξ1 第Ⅰ段管道的阻力系数,ξ1=0.16;
㊀
ξ3 第Ⅲ段管道的阻力系数,ξ3=0.054㊂
由此得出:v 0=32.56m /s㊂
试验得到枣叶㊁田间树枝悬浮速率小于4m /s，同
理输送枣叶㊁树枝的气流速率不小于4.4m /s㊂由式
(2)计算得知：气吸管进气口速度至少为32.56m /s，符合物料气力输送要求㊂
3)沉降室尺寸设计㊂沉降室分为沉枣腔和沉杂
腔两部分：沉枣腔应尽量只落红枣，而杂质被风力输送至沉杂腔排出㊂由表3可知：沉枣腔风速应低于
12m /s，高于4m /s㊂本机取枣叶㊁树枝的输送气流速度作为沉枣腔设计依据，故沉枣腔横截面积扩大到沉降室进风口的6倍，使得红枣完全沉降，除杂效果好㊂
沉降室进风口与沉枣腔连接方式设计成 凸 状，可以使风压不因管道横截面积变化而损失
[13-14]
㊂
4)杂质导向滚轮的设计㊂为避免树枝㊁杂草等轻
质物堵塞沉枣腔与沉杂腔连通处，设计1个杂质导向滚轮，由低速电机提供动力匀速转动，结构如图4所示
㊂
图4㊀杂质导向滚轮结构示意图
Fig.4㊀Structure diagram of impurity guide roller
杂质导向滚轮由轴及若干圆环片组成㊂为了使得树枝㊁杂草更容易被运送至沉杂腔，部分圆环片上设有若干凸起㊂轴转动速度通过前期试验调整，确定转速ωɤ60r /min 时红枣不会被滚轮带至沉杂腔中㊂此时，同风速下沉枣腔及集果箱中的杂质质量占比较小，除杂效果较好㊂
3㊀田间试验
3.1㊀试验条件
试验地选择吐鲁番市托克逊县枣园，其地理位置为42ʎ46ᶄ7ᵡN㊁88ʎ41ᶄ32ᵡE，如表4所示㊂
表4㊀试验地条件Table 4㊀Test site on test day
项目单位参数时间
2018-10-02
中子测井当日气温ħ15~30试验期间气温ħ24空气湿度%21株距m 2行距m 4树龄
年
8
㊀㊀图5为样机作业情况㊂
图5㊀红枣样机田间试验情况
Fig.5㊀Field experiment of jujube prototype
3.2㊀试验方法
本次田间试验选择了红枣的收获率㊁破损率㊁含杂率3个性能指标进行测试，同时对整机各部分工作性能进行考察㊂收获率是指样机吸起并收集至集果箱中的红枣与所有试验范围内红枣的质量比；破损率是计算由本机作业时损伤的红枣与收获总红枣净重的比值㊂
随机在果园选取5行作为试验地，每组行走20m
距离，风机转速达到2900r /min，由单人操作样机完成设备防尘罩
红枣气吸捡拾作业㊂3.3㊀试验结果
表5所示为红枣捡拾试验结果㊂由表5可知：气吸式红枣捡拾机能够完成对落地红枣捡拾㊁除杂工作，满足作业要求；风机转速为2900r /min 时，收获率ȡ98.3%，破损率ɤ3.83%，含杂率ɤ3.02%，符合预期作业效果，且鲜枣破损率符合国家标准
[15]
㊂
2021年8月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第8期
表5㊀样机田间试验结果
Table5㊀Field test results of machine
试验号收获率/%破损率/%含杂率/%落地红枣含水率/%作业效率/m3㊃h-1 198.3 3.83 1.3435.95233 297.8 2.12 2.6134.78200 398.9 2.25 1.8836.25273 4100 3.72 3.0234.12167 598.5 1.64 2.3133.62247
平均值98.7 2.71 2.2334.95240
4㊀结论
1)对红枣悬浮特性进行试验，设计出适合收获落地红枣使用的沉降室㊂样机具有捡拾㊁除杂及集果等功能㊂
2)试验表明：红枣收获率大于98.3%，破损率低于3.83%，含杂率低于3.02%，均满足实际生产要求㊂参考文献:
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Design and Test of Small Self-removing Air-suction Jujube Picker Zhuang Zihao1,Yuan Panpan1,Han Changjie1,Zhang Jing1,Gao Jie2
汽车烧甲醇(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Xinjiang Agricultural University,U㊃㊃r u㊃㊃mqi830052,China;
2.Xinjiang Zhongshou Agricultural&Animal Husbandry Machinery Co.Ltd.,U㊃㊃r u㊃㊃mqi㊀830013,China) Abstract:In order to solve the problem of high labor intensity and low efficiency in artif
icial harvest of xinjiang jujube, a self-propelled air suction jujube pickup machine was designed to realize the functions of picking up and removing mis-cellaneous matters on the ground jujube.To obtain the suspension characteristics of jujube and its leaves,the suspension rate of red jujube is12.45m/s to2
3.69m/s and the suspension rate of jujube leaves does not exceed3m/s.By using the dynamic pressure loss of the inlet and outlet of the air suction,the necessary wind speed conditions of the inlet of the air suction are calculated.The design and function of impurity guide roller are introduced.The size of the air inlet and ju-jube chamber of the settling chamber was calculated and determined.Field test results show that when the fan rotation speed is2900r/min,the harvest rate isȡ98.3%,the damage rate isɤ3.83%,and the impurity rate isɤ3.02%. Key words:jujube on the ground;picker;self-removing air-suction
2021年8月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第8期
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