氣吹式落地紅棗撿拾裝置的設計與運動仿真

潘俊兵，劉玉冬，丁 凱，張志元，付 威

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003；2.新疆生產建設兵團農業機械重點實驗室，新疆 石河子 832003)

0 引言

紅棗在我國的栽培歷史達7 700年之久[1]，其最早生長在黃河中下游地區[2]，是一種營養價值豐富[3-4]，藥用價值極高的林果[5-6]。棗樹對環境的適應性強，可在貧瘠土壤中生長[7-8]，對于改善生態具有積極意義。目前，我國紅棗種植面積和產量均居全球第一[9-10]，據統計，截止2015年底，我國紅棗種植面積已超過298萬hm2[11]。其中，新疆紅棗種植面積已超過51萬hm2，產量超過300萬t[12]，已成為我國紅棗主產區之一，其紅棗主要種植模式為矮化密植模式[13]。

目前，新疆紅棗主要人工敲打棗樹枝，樹上紅棗振落，再由人工進行撿拾。另外，紅棗在收獲期經霜打可提高其品質和口感。因此，新疆棗農經常在降霜之后開始采收紅棗，進入采收期的紅棗含水率逐漸降低，當紅棗含水率降低至40%～60%將自然掉落。經調研，采收期落地紅棗占紅棗總產量的30%～60%，目前落地紅棗的收獲以人工撿拾方式為主，人工撿拾效率低、成本高，難以滿足新疆落地紅棗撿拾需求，落地紅棗的機械化采收成為必然趨勢。目前，研發的落地紅棗撿拾機械主要有氣吸式和機械式兩種，氣吸式落地紅棗撿拾裝置容易堵塞吸棗管[14]，機械式落地紅棗撿拾裝置在高低不平地面上撿拾效果差[15-17]。

本文針對落地紅棗撿拾難題，設計出一種氣吹式落地紅棗撿拾裝置，為落地紅棗撿拾機的設計提供理論依據和技術支撐。

1 結構組成及工作原理

1.1 結構組成

本氣吹式落地紅棗撿拾裝置主要由進風管、旋轉風管、裝有毛刷的輸送裝置及集棗箱等組成，如圖1所示。

1.進風管 2.旋轉風管 3. 輸送裝置 4.毛刷 5.集棗箱 6.地面

本裝置采用氣流吹棗的方式對紅棗撿拾，可適應高低不平地面，解決了機械式撿拾裝置無法撿拾高低不平地面上紅棗的缺點。由于采用氣流撿拾，本撿拾裝置的傷棗率遠低于機械式撿拾裝置傷棗率；氣吸式紅棗撿拾裝置效率較低且進入風管的雜質容易堵塞吸棗管、損壞風機，對風機性能要求高；氣吹式撿拾裝置解決了該問題，提高了撿拾效率。

1.2 撿拾裝置結構設計

本撿拾裝置主要由裝有避風裝置的進風管和旋轉風管組成，旋轉風管周圍有4列氣流噴嘴，相鄰兩列氣流噴嘴間的夾角為90°(見圖2)，工作時與風機、輸送裝置等配合使用。其尺寸主要參照紅棗矮化密植種植模式確定，結構尺寸如表1所示。

1.進風管 2.旋轉風管

項目尺寸/mm旋轉風管外輪廓直徑D1443.5旋轉風管內徑D210進風管直徑d90旋轉風管長l1520

1.3 工作原理

工作時，從風機吹出的高速空氣流進入進風管，氣流在進風管內部90°區域聚集(稱為氣流區)；同時，旋轉風管開始轉動，當旋轉風管上的氣流噴嘴管旋轉至進風管氣流區時，氣流沿著氣流噴嘴吹出，吹動地面的紅棗滾向后方的撿拾輸送裝置，在氣流和輸送裝置上毛刷的共同作用下(在旋轉風管的轉動過程中，氣流噴嘴吹出的氣流可將紅棗吹起)，將地面紅棗送至輸送裝置上，經輸送裝置輸送至集棗箱，完成落地紅棗撿拾。

在前一列氣流噴嘴轉出進風管氣流區的過程中，后一列氣流噴嘴轉入氣流區，且前一列氣流噴嘴進口端轉出氣流區的面積與后一列氣流噴嘴進口端轉入氣流區的面積相等，可保證進風管內部氣流壓力穩定。

2 撿拾裝置運動分析

2.1 撿拾裝置運動分析

工作過程中，旋轉風管的運動過程可看作是旋轉風管繞其中心軸線的旋轉運動和沿著工作方向水平運動的合成。對旋轉風管建立直角坐標系，且其中一個氣流噴嘴出口轉動到坐標原點，作為初始位置，如圖3所示。

(a ) 速度v=0時運動簡圖 (b ) 速度v=v0時運動簡圖

研究表明[18]：以氣流噴嘴出口位置為研究對象，在時間t內旋轉風管轉過α角；當旋轉風管沿著工作方向水平速度(后文簡稱為“水平速度”)為0時，氣流噴嘴從坐標原點轉動到C點，如圖3(a)所示；當旋轉風管水平速度為任一速度v時，氣流噴嘴從原點轉動到D點，此過程可看作圖3(a)過程沿著工作方向水平移動vt距離，如圖3(b)所示。此過程的位移方程為

(1)

則氣流噴嘴以任一水平速度v的運動位移可用式(2)表示，即

(2)

(3)

式中v—沿工作方向水平移動速度(m/s)；

ω—旋轉風管轉動角速度(rad/s)；

t—任一時間段(s)；

α—旋轉風管在時間t內轉過的角度(rad)；

R—旋轉風管外輪廓圓弧半徑(mm)；

D1—旋轉風管外輪廓圓弧直徑(mm)。

方程(2)表示的曲線為旋輪線，即工作過程中氣流噴嘴的運動軌跡為旋輪線，有利于氣流將紅棗吹起。

2.2 氣流噴嘴連續工作條件分析

漏撿率是評價落地紅棗撿拾機械性能的重要指標，漏檢率越低，則該裝置的撿拾性能越好。為了降低本裝置漏撿率，氣流噴嘴在撿拾區域內必須連續工作，不存在漏吹區域。

工作過程中，氣流噴嘴隨旋轉風管轉動的同時，沿著工作方向水平移動，因此氣流噴嘴的水平運動與旋轉運動的合理匹配，是氣流噴嘴在撿拾區域連續工作的主要因素。為了保證氣流噴嘴在撿拾區域連續工作，在同一段時間內，氣流噴嘴沿周向轉過的距離大于其水平方向前進的距離，此過程可用式(4)表示，即

(4)

(5)

式中ω—旋轉風管轉動角速度(rad/s)；

n—旋轉風管轉速(r/min)，n=ω/2π；

v—沿工作方向水平移動速度(m/s)；

D1—旋轉風管外輪廓圓弧直徑(mm)。

則氣流噴嘴在撿拾區域連續工作時必須滿足式(5)。

3 撿拾裝置運動仿真實驗

為了驗證氣流噴嘴的運動軌跡形式，以及在不同水平速度下，氣流噴嘴在撿拾區域連續工作時，旋轉風管的合理角速度范圍，采用Adams軟件對氣流噴嘴的有效工作路徑進行模擬。

3.1 實驗方法

根據經驗，本文取水平速度分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0m/s，分別以計算連續工作條件為初始角速度值進行仿真，仿真過程中，未取得合理角速度值時，將角速度依次增加π/18 rad/s，臨近合理值時角速度值以π/180 rad/s增減，分析各水平速度對應的旋轉風管合理角速度，仿真過程忽略各結構之間以及地輪與地面間的摩擦。實驗參數如表2所示。

3.2 實驗模型

本文運用SolidWorks軟件繪制了本撿拾裝置的仿真模型，并將其保存為*.x_t，導入Adams軟件。本文主要分析旋轉風管轉速與水平速度的匹配問題，將輸送裝置、集棗箱等不相關部件與機架固定，旋轉風管與機架添加轉動副，并添加旋轉驅動，以控制旋轉轉速；整個裝置與地面之間添加移動副，并添加移動驅動，以控制移動速度，如圖4所示。

表2 實驗條件

1.機架 2.旋轉風管 3.氣流噴嘴 4.輸送裝置 5.集棗箱

3.3 實驗結果

仿真結果如圖5所示。實線為氣流噴嘴在撿拾區域進入連續工作的軌跡[圖5(a)]和完全連續工作的軌跡[圖5(c)]，對應角速度如表3所示。虛線為計算連續工作條件角速度值仿真的運動軌跡，圖中運動軌跡是旋轉風管上4個氣流噴嘴的運動軌跡的疊加，當氣流噴嘴轉入進風管氣流區時，進入工作狀態，其運動軌跡如圖5(b)所示。

仿真結果表明:氣流噴嘴的運動軌跡為旋輪線，與計算結果一致；旋轉風管以其初始角速度運動時，滿足在相同時間內，旋轉風管轉過的周向位移與其對應水平方向位移相等，在撿拾區域無法實現4個氣流噴嘴連續作業，該角速度僅可作為不漏撿的初始判斷條件；在仿真過程中，當角速度增加到氣流噴嘴在撿拾區域連續工作時，其對應角速度范圍如表3所示。

(b) 旋轉風管工作區域軌跡仿真圖

(c) 氣流噴嘴完全連續工作仿真圖

水平速度/m·s-1旋轉風管連續工作角速度ω/rad·s-1初始值仿真下限值仿真上限值0.31.352.795.860.41.813.727.820.52.264.649.340.62.715.589.910.73.216.5410.910.83.617.4312.950.94.088.3214.631.04.529.2316.79

4 結論

1) 氣吹式落地紅棗撿拾裝置，其旋轉風管周向均布的4列氣流噴嘴，相鄰兩列呈90°分布，與同樣90°的進風管氣流區配合，可實現進風管氣流區風壓穩定。

2) 本氣吹式落地紅棗撿拾裝置，結構簡單，可實現低洼地面落地紅棗的撿拾，同時可實現工作地面連續作業。

3) 本氣吹式落地紅棗撿拾裝置，在水平速度分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0m/s，氣流噴嘴連續工作時，其對應的旋轉角速度范圍分別為2.79～5.86、3.72～7.82、4.64～9.34、5.58～9.91、6.54～10.91、7.43～12.95、8.32～14.63、9.23～16.79rad/s。