自走式紅棗收獲機(jī)撿拾裝置的設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

許德芳

（呂梁學(xué)院，山西 呂梁 033001）

紅棗經(jīng)濟(jì)價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高，在全球范圍內(nèi)具有廣泛的市場(chǎng)和消費(fèi)群體。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化技術(shù)在紅棗種植生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是自走式紅棗收獲機(jī)能大幅提高收獲效率，受到了高度關(guān)注[1]。然而，現(xiàn)有的自走式紅棗收獲機(jī)的撿拾環(huán)節(jié)存在能耗高、撿拾不準(zhǔn)確等問(wèn)題，影響紅棗收獲質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。本研究致力于自走式紅棗收獲機(jī)撿拾裝置的設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化。通過(guò)工程模擬、有限元分析和實(shí)地試驗(yàn)等多種手段，對(duì)撿拾風(fēng)機(jī)和風(fēng)箱2 個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，總結(jié)出了撿拾裝置最優(yōu)工作參數(shù)。本研究有助于提高撿拾裝置的工作效率和準(zhǔn)確性，降低能耗和維護(hù)成本，推動(dòng)自走式紅棗收獲機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的廣泛推廣。

1 自走式紅棗收獲機(jī)撿拾裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

自走式紅棗收獲機(jī)的撿拾裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要由撿拾風(fēng)機(jī)、風(fēng)箱、液壓馬達(dá)、支架等部件組成。撿拾風(fēng)機(jī)一般采用離心式設(shè)計(jì)，與風(fēng)箱相連接，用以生成所需的風(fēng)場(chǎng)。風(fēng)箱負(fù)責(zé)紅棗的暫存和分流等工序，通常采用矩形結(jié)構(gòu)，具體參數(shù)包括箱體長(zhǎng)度、寬度、高度和壁厚。液壓馬達(dá)為整個(gè)撿拾裝置提供動(dòng)力，與液壓系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)和機(jī)械臂等組件的驅(qū)動(dòng)。

圖1 撿拾裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the pickup device structure

1.2 工作原理

在撿拾過(guò)程中，液壓馬達(dá)啟動(dòng)，為撿拾風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力。撿拾風(fēng)機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生風(fēng)場(chǎng)，強(qiáng)風(fēng)通過(guò)風(fēng)箱對(duì)地上的紅棗進(jìn)行吹掃。風(fēng)箱內(nèi)設(shè)有分流裝置，用于將紅棗按大小、成熟度等分類。風(fēng)場(chǎng)對(duì)紅棗的作用力，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)箱的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅棗質(zhì)量的最佳撿拾[2]。同時(shí)，液壓系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)撿拾裝置的運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)高精度的液壓馬達(dá)和精確的控制閥，使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)、高度調(diào)整得更加精確，并提供壓力釋放和故障保護(hù)功能，確保撿拾裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 自走式紅棗收獲機(jī)撿拾裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 撿拾風(fēng)機(jī)的選型

在滿足自走式紅棗收獲機(jī)高度不超過(guò)1 270 mm、作業(yè)撿拾吸頭離地高度30～50 mm 及分離箱物料入口離地高度為1 100 mm的限制條件下，撿拾風(fēng)機(jī)的優(yōu)化選型流程如下[3]：

考慮到作業(yè)撿拾吸頭高度和物料入口的高度，首先計(jì)算風(fēng)機(jī)所需流量Q：

式中：A為風(fēng)口面積；V為風(fēng)速。

通常撿拾吸頭的風(fēng)口面積為0.08 m2，并設(shè)定風(fēng)速為10 m/s，則Q=0.8 m3/s。

又由于高度和物料特性的限制，需要計(jì)算壓力損失ΔP：

式中：ρ為空氣密度；g為重力加速度，h為高度差（1 100 mm，即1.1 m）。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，ρ=1.225 kg/m3，g=9.81 m/s2。由此計(jì)算出：ΔP=625.83 Pa。

最后根據(jù)公式（3），得出風(fēng)機(jī)所需功率P：

式中：η為風(fēng)機(jī)效率，一般取0.6～0.8。

本次取η=0.75作為計(jì)算基礎(chǔ)，由此得出：P=375.50 W[4]。

基于上述計(jì)算和自走式紅棗收獲機(jī)撿拾裝置的實(shí)際應(yīng)用需求，查閱《風(fēng)機(jī)手冊(cè)》，最終選用離心風(fēng)機(jī)的型號(hào)為9-19-4.5A，完成撿拾風(fēng)機(jī)的選型優(yōu)化。該風(fēng)機(jī)型號(hào)參數(shù)為：轉(zhuǎn)速2 900 r/min，全壓4 906～5 368 Pa，風(fēng)量2 281～2 504 m3/h[5]。

2.2 撿拾風(fēng)箱的設(shè)計(jì)

撿拾風(fēng)箱是自走式紅棗收獲機(jī)撿拾裝置的核心部件，負(fù)責(zé)管理和分類被吸入的紅棗和其他雜質(zhì)[6]。風(fēng)箱主要由卸料室、沉降室、擋棗室和碎雜室組成。撿拾風(fēng)箱結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 撿拾風(fēng)箱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the pickup bellows structure

其中，卸料室是風(fēng)箱的第一部分，主要用于接收從風(fēng)機(jī)輸送來(lái)的紅棗和其他物料。因此，這一結(jié)構(gòu)需要具備足夠的空間以保證紅棗和其他物料能被有效地分離。沉降室是利用重力和氣流的作用，實(shí)現(xiàn)紅棗與輕質(zhì)雜物的分離。擋棗室是通過(guò)一系列的擋板，確保只有符合尺寸標(biāo)準(zhǔn)的紅棗能進(jìn)一步被處理，提高撿拾的準(zhǔn)確性。碎雜室則用于收集和排放那些不符合標(biāo)準(zhǔn)的紅棗和其他雜質(zhì)，以確保最終收獲的紅棗質(zhì)量[7]。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于紅棗的大小、自重和形狀均存在差異，所以風(fēng)箱需具備較高的靈活性和可調(diào)性。本次在撿拾風(fēng)箱的設(shè)計(jì)中，采用了多種工程方法和數(shù)學(xué)模型確定最優(yōu)參數(shù)，具體流程如下：

考慮到紅棗的物理屬性，采用Stokes'Law 計(jì)算紅棗沉降速度v，為沉降室空間設(shè)計(jì)提供理論參考。設(shè)定紅棗密度為ρ棗=1 300 kg/m3，空氣密度ρ空=1.225 kg/m3，重 力 加速度g=9.81 m/m2，紅棗平均直徑為d=0.025 m，空氣粘度μ=1.18×10-5Pa/s。計(jì)算公式如下：

由此得出，紅棗沉降速度v=0.102 m/s。

再通過(guò)CFD 模擬，利用Navier-Stokes 方程來(lái)得到速度和壓力場(chǎng)。這一方程可表示為：

根據(jù)模擬結(jié)果表明，當(dāng)擋棗室擋板的角度設(shè)置為30°時(shí)，能實(shí)現(xiàn)紅棗與輕質(zhì)雜質(zhì)的最佳分離效率。

然后基于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，應(yīng)用厚壁圓筒應(yīng)力的基本方程，見(jiàn)公式（6），結(jié)合風(fēng)箱內(nèi)部壓力P=625.83 Pa，設(shè)定內(nèi)半徑r=0.07 m，通過(guò)應(yīng)力分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定材料允許應(yīng)力，即風(fēng)箱壁厚σ=4 mm。

確定了撿拾風(fēng)箱的各參數(shù)：箱體長(zhǎng)500 mm、寬300 mm、高345 mm，箱體入口內(nèi)徑140 mm，出口內(nèi)徑185 mm，箱體壁厚4 mm，箱體作業(yè)高度為1 100 mm。此設(shè)計(jì)綜合考慮了紅棗的物理屬性、氣流動(dòng)力學(xué)條件以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了撿拾裝置性能的全面優(yōu)化。

3 自走式紅棗收獲機(jī)撿拾裝置的試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

為了驗(yàn)證優(yōu)化后的自走式紅棗收獲機(jī)撿拾裝置的工作效果與最優(yōu)工作參數(shù)，本研究進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)。試驗(yàn)所用紅棗來(lái)自山東省臨沂市，品種為洮河紅，處于全熟期，其平均直徑為25 mm，平均質(zhì)量為10 g。試驗(yàn)使用的自走式紅棗收獲機(jī)配置有選定的9-19-4.5A型風(fēng)機(jī)，并配備了新設(shè)計(jì)的風(fēng)箱。自走式紅棗收獲機(jī)整體形狀見(jiàn)圖3。

圖3 自走式紅棗收獲機(jī)Fig.3 Self-propelled harvester of Ziziphus jujuba

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先，預(yù)設(shè)了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、撿拾裝置距地高度、棗帶寬度的5 組組合（見(jiàn)表1），計(jì)劃以此組合進(jìn)行試驗(yàn)。為更精確地描述最佳參數(shù)組合，采用了響應(yīng)面法（RSM）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表1 試驗(yàn)組合Tab.1 Test combination

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

基于預(yù)設(shè)試驗(yàn)組合進(jìn)行試驗(yàn)，獲得的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results

基于試驗(yàn)結(jié)果，建立參數(shù)與撿凈率的關(guān)系模型見(jiàn)式（7）：

式中：Y為紅棗撿凈率；X1為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；X2為前進(jìn)速度；X3為距地高度；X4為棗帶寬度；β0、β1、β2、β3、β4分別為回歸系數(shù)；?為隨機(jī)誤差。

經(jīng)計(jì)算得出：β0=90.5，β1=0.002 3，β2=20.3，β3=-0.035，β4=0.042。表明，在控制其他變量不變的情況下，每當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加1 r/min，紅棗撿凈率增加0.002 3%；每當(dāng)前進(jìn)速度增加0.01 m/s，紅棗撿凈率增加20.3%，以此類推。當(dāng)參數(shù)組合為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 054 r/min、前進(jìn)速度0.2 m/s、距地高度54.29 mm、棗帶寬度265.95 mm 時(shí)，紅棗的撿凈率可達(dá)98.43%。此結(jié)果與表2 試驗(yàn)結(jié)果吻合，說(shuō)明當(dāng)撿拾裝置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 054 r/min，前進(jìn)速度為0.15 m/s，距地高度為54.29 mm，棗帶寬度為265.95 mm 時(shí)，紅棗撿凈率達(dá)到最優(yōu)撿拾水平。

4 結(jié)論

綜上所述，本研究深入探討了自走式紅棗收獲機(jī)撿拾裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組件，并通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，顯著提高了設(shè)備性能。經(jīng)過(guò)精確的機(jī)械工程分析，針對(duì)風(fēng)機(jī)和風(fēng)箱的關(guān)鍵部件，制定了一系列優(yōu)化措施。選定了9-19-4.5A 型號(hào)的風(fēng)機(jī)，并對(duì)風(fēng)箱箱體尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，確保了其高效、穩(wěn)定地工作。實(shí)地試驗(yàn)進(jìn)一步印證了這些設(shè)計(jì)的可行性和高效性，表明當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、設(shè)備距地高度及棗帶寬度達(dá)到特定參數(shù)時(shí)，紅棗的撿凈率可以高達(dá)98.43%。本文的研究成果不僅在機(jī)械設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化方面為自走式紅棗收獲機(jī)提供了寶貴的理論依據(jù)，更在廣泛的農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。此研究能為機(jī)械工程領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)研究和應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持，推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。