梳齿式落地红枣捡拾装置的设计与试验

王成霄，丁龙朋，窦风玲，坎杂，李枫楠，李景彬*

(1 石河子大学机械电气工程学院/现代农业机械兵团重点实验室，新疆 石河子 832003; 2 石河子锐益达机械装备有限公司，新疆 石河子 832000)

红枣是我国的特色林果，种植面积和产量均居世界首位[1]。2018年我国红枣种植面积达331万公顷，总产量为877.8万吨[2]。新疆是我国红枣的主要产地，2019年新疆红枣产量为361万吨，占全国总产量的41%[3]。目前，新疆红枣大多采用3 m×1.5 m(行距×株距)或4 m×1.5 m(行距×株距)的种植模式，宽行密植已成必然趋势，这种模式为枣园机械化作业提供了有力条件[4]。

红枣收获作为红枣生产作业中的主要环节，机械化水平低[5]。收获期大约有60%的红枣自然掉落地面，收获时枣农用木棍将仍挂在枣枝的红枣敲落至枣行之间，使用背负式消防风机对散落在行间地表的红枣进行集条拢堆，用塑料耙子将堆好的红枣装入袋中，再将成袋的红枣抬到地头用清选机进行风选[6]。对于砂土地落地红枣的收获更加困难，消防风机等设备无法使用，只能靠人工将红枣捡拾到集枣框内。整个红枣收获过程劳动强度大，收获成本高达4 500～7 500元/hm2，收获成本占整个红枣生产过程的35%～45%。因此，研制一种砂土地落地红枣捡拾装置对降低劳动强度和成本以及提高枣农收入有重要意义。

国内对落地红枣捡拾机械的研究不断深入，取得了一定的成果；张学军等[7]研制的红枣捡拾机采用负压吸拾的原理，拾净率高、含杂率低，但机具较小，不能满足高效率的大田作业要求；鲁兵等[8]研制的清扫式红枣收获机具有清扫集条的功能，但该机仿形存在问题，操控也不够灵活；潘俊兵等[9]研制的气吹式落地红枣捡拾装置采用正压气流吹枣的捡拾方式，可降低对红枣的损伤，但该捡拾机没有进行田间试验，机具的工作性能没有得到验证。目前，应用于落地红枣收获的机具大多采用气力捡拾的方式，该方式拾净率高、损伤率低，但普遍存在工作效率低和性能不稳定的问题。在砂土地落地红枣捡拾时，气力式捡拾机存在扬砂严重、红枣和砂土分离困难等问题，而无法满足砂土地作业要求。目前，枣农迫切需要一种适应南疆砂土枣园作业环境的落地红枣捡拾机械，以解决砂土地红枣收获的难题[10]。

针对砂土环境下气力式落地红枣捡拾机扬砂严重、枣土分离困难等问题，本文采用刚性捡拾和柔性捡拾相结合的方式，利用梳齿间隙和分离升运链进行除杂，从而有效减少对红枣的损伤，实现红枣与砂土分离、降低红枣含杂率。

1 装置结构与工作原理

1.1 装置结构

机械式落地红枣捡拾机是一款针对砂土枣园落地红枣捡拾作业的自走式收获机，该捡拾机主要由发动机、液压系统、腰节转向底盘、驾驶操作平台、集条装置、捡拾装置、输送装置、清选装置等组成，其整机结构如图1所示。

图1 机械式落地红枣捡拾机

梳齿式捡拾装置是机械式落地红枣捡拾机的关键工作部件，主要完成捡拾清选作业。捡拾装置主要由梳齿、仿形轮、条刷辊、分离升运链等关键部件组成。梳齿式落地红枣捡拾装置结构如图2所示。

1—仿形轮；2—梳齿；3—条刷辊;4—分离升运链; 5—主动轴;6—托轮;7—抖动轮图2 梳齿式落地红枣捡拾装置结构简图

1.2 工作原理

梳齿式落地红枣捡拾装置作为捡拾机的主要工作部件，由捡拾机的柴油机带动液压泵为液压马达提供动力。工作时，先调整好仿形轮的高度，保证前进过程中梳齿入土深度恒定，捡拾装置在捡拾机的推动下前进，通过入土梳齿将地面红枣铲起，捡拾装置前进过程中红枣不断在齿面上堆积，梳齿上的红枣在捡拾条刷的梳刷下沿梳齿到达分离升运链，与红枣掺杂在一起的砂土在升运链抖动轮的作用下从升运链间隙中落至地面。红枣完成清选的同时输送至下一级，实现红枣的捡拾和清选作业。捡拾装置的主要技术参数如表1所示。

表1 捡拾装置的主要参数

2 关键部件设计

2.1 入土梳齿

落地红枣捡拾装置入土梳齿的主要作用是以最浅的入土深度将地面红枣铲到齿面上来，主要工作参数包括入土深度、入土角度、梳齿间距。为保证能把地表红枣全部铲起，需要捡拾装置具有仿形功能，因此，该捡拾装置设计了一种滑槽仿形结构，如图3所示。

1—底盘；2—圆管;3—滑槽支座;4—滑槽;5—液压缸;6—液压缸支座图3 滑槽仿形机构

图3中液压缸固定端通过支座与底盘铰接，伸缩端通过滑槽支座与分离升运链上的圆钢管相连。液压缸伸缩端处于滑槽的末端，当液压缸伸长时会先沿滑槽滑动，滑至滑槽前端时液压缸继续伸长，将分离升运链缓慢抬升；当液压缸收缩时，分离升运链会缓慢下降，液压缸收缩至滑槽前端后，梳齿会插入土层，通过调整仿形轮的高度，可以调整梳齿入土的深度，并在前进过程中保证入土深度恒定，实现仿形功能。

通过测定灰枣的外形尺寸得到其短轴为14.9～26.73 mm，长轴为20.09～40.49 mm，因此,要保证红枣在梳齿上不遗漏，梳齿间隙不卡枣，设计时梳齿间距必须小于14.9 mm，再考虑整机设计要求，最终确定以直径为14 mm、长度为228 mm的圆钢作为梳齿，梳齿间距为12 mm。

捡拾装置前进过程中梳齿入土角度的大小直接影响红枣能否被梳齿铲起以及在齿面上的堆积状态，通过理论分析可知，当红枣以长轴与梳齿平行的方向处在梳齿间隙中时，红枣主要受到滑动摩擦力。红枣在梳齿上的受力如图4所示，梳齿的水平倾角的理论值范围可由图4中对红枣受力分析所得的平衡方程(1)、(2)确定。

图4 红枣在梳齿上受力示意图

Qcosα-F-Gsinα=0，

(1)

N-Qsinα-Gcosα=0，

(2)

式中Q是红枣沿梳齿上升所需要的力；F是红枣对梳齿的滑动摩擦力，F=fN；N是红枣受到的支持力；F是红枣与梳齿间的滑动摩擦系数；A是梳齿入土角。

由式(1)、(2)可得

(3)

通过受力分析图4可以得出保证红枣能铲到梳齿上的条件为

Q≥Gtan(α+φ)。

(4)

式(4)中φ是滑动摩擦角。

由式(3)、(4)可知：梳齿的入土角度和红枣沿梳齿上升所需要的力、红枣与梳齿间的滑动摩擦系数以及红枣重力有关;红枣沿梳齿上升所需要的力Q与入土角α和砂土对梳齿的摩擦角φ成正切关系;α增大有利于破碎砂土，使砂土从梳齿间隙中漏出，但红枣沿梳齿上升所需要的力也会增大，同时梳齿的工作阻力增大,而α减小时砂土不易被破碎。

不同土壤的最佳入土角度不同，本文理论分析与前期试验表明，砂土地入土角设置为20°～30°。捡拾装置的捡拾条刷辊可为齿面上的红枣提供较大的驱动力，并且要求在梳齿可承受阻力范围内减少梳齿的铲土量，因此梳齿入土角度可适当的调高，另外，由于梳齿的入土深度可调，即梳齿根据地面平整度和土壤类型可绕固定值旋转，所以梳齿入土深度可调范围选在0～40 mm之间，对应的α角的可调节范围在30°～33°之间。

2.2 捡拾条刷辊

落地红枣捡拾装置捡拾条刷辊的主要作用是将齿面上的红枣梳刷至梳齿上并将红枣输送至下一级输送装置，主要工作参数包括条刷长度、弹性模量等。条刷把红枣梳刷到下一级输送装置的瞬间，红枣的瞬时速度和下一级输送的线速度相同，此时红枣才能在输送装置上相对静止而不会与输送装置发生相对移动，达到最佳的输送效果。

红枣在沿梳齿上升的过程中受到的红枣之间相互挤压力、砂土对红枣的作用力，但相较于刷毛的梳刷作用力较小，可忽略不计；假设把红枣梳刷到输送装置上的力完全由刷毛提供，则刷毛重力忽略不计，红枣到达输送装置前端的速度为v,红枣在条刷作用下的受力分析如图5所示。

A为条刷的固定端；B为条刷的自由端；s为刷毛长度(mm)； x为所选取条刷长度(mm)；α为梳齿入土角(°)图5 条刷受力示意图

由能量守恒定理可得

(5)

(6)

其中EP是红枣在梳齿末端所具有的能量，P是红枣受条刷作用力(N)，M是红枣重量(kg)，V是红枣到达输送装置前端的速度(m/s)，L是梳齿长度(mm)，H是梳齿末端高度(mm)。

刷毛任意截面上的弯矩为

M=-P(s-x)，

(7)

式(7)中E是刷毛弹性模量(GPa)，s是刷毛长度(mm)，x是所选取条刷的长度(mm)。

EIw″=M=-P(s-x)，

(8)

(9)

式中w是挠度值，I是条刷截面对其形心轴的惯性矩(mm4)。

刷毛固定端A的挠度值为0，即当x=0、wA=0时，把边界条件式(9)代入式(8)得

C=EIwA=0，

(10)

再将积分常数C代入式(8)，得挠曲线方程为

(11)

当x=s时，得截面B的挠度为

(12)

由式(12)可知：刷毛的弹性模量和挠度值为反比关系，刷毛的长度和挠度值为正比关系，所以刷毛的弹性模量越大，挠度值越高，弹性形变越小，但刚度会越大[13]，而越容易对红枣造成损伤。刷毛的弹性模量过小，弹性形变大，挠度值小，容易漏枣。刷毛的长度越长，挠度越大，容易伤枣，刷毛长度越短则反之。因此，本文选取弹性模量为3.14 GPa、直径为1 mm、长度为15 mm的PVC材质刷毛制作成宽1 000 mm、高150 mm、厚度4 mm的条刷，条刷安装间距为220 mm，保证条刷辊转到任意位置时都有一个条刷处在工作状态，即不容易伤枣，也能够将齿面上的红枣全部上梳刷到分离筛上。

2.3 分离升运链

分离升运链是捡拾装置能够完成输送和清选的关键部件，主要作用是将砂土和红枣分离，并把红枣输送到集枣箱。其结构如图6所示。

1—驱动轮；2—栅条起伏式回转筛；3—从动轮图6 分离升运链

落地红枣捡拾装置的栅条起伏式回转筛，可使红枣与砂土分离的同时保持红枣输送的稳定。为保证栅条间隙不会漏枣，选取回转筛的栅条直径为8 mm，栅条水平间距20 mm，相邻栅条之间高度差为7 mm，此时相邻栅条的间隙为13 mm，小于灰枣短轴最短尺寸14.9 mm。取回转筛上红枣进行受力分析，如图7所示，可得红枣受力方程(13)、(14)。

N1、N2为红枣所受支持力(N)；N0为支持力的合力(N)； G0为红枣所受重力(N)图7 红枣在回转筛上受力示意图

N1cosγ+N2cosδ=G0，

(13)

N1sinγ=N2sinδ。

(14)

式中N1、N2是红枣所受支持力(GPa)，G0是红枣所受重力(N)。

红枣在栅条起伏式回转筛上都有二根栅条为其提供支持力，通过受力分析可知：红枣在水平方向和竖直方向都处于受力平衡状态，能够保持稳定。

3 田间试验与结果

3.1 试验条件

2019年11月在新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市13团红枣收获示范基地进行捡拾装置性能试验，试验对象为示范基地矮化密植模式的灰枣。行距3 m，平均株距0.8 m，平均树高2.5 m，树龄8年，土壤类型砂土，田间试验现场如图8所示。

图8 田间试验与测试

3.2 试验方法

随机选取枣行进行试验，试验行内每20 m为一个测试区域，试验行开头机具调整稳定区域为10 m，每个测试区域后的停车区为6 m[14]。测试前先收集测试区域的地表红枣，称其质量并记录数据，再将红枣随机地排布到该测试区域内。捡拾装置作业完成后，称得集枣框内红枣质量，采用下面公式计算其拾净率，

(15)

式(15)中Y1是拾净率(%)，W是作业前地表红枣总质量(kg)，W1是作业后集枣框内红枣总重量(kg)。

通过预试验发现捡拾装置条刷辊转速、前进速度、梳齿入土深度对红枣捡拾装置作业效果影响较大。条刷辊转速过大于40 r/min时有红枣从条刷辊上甩出，条刷辊转速低于20 r/min时捡拾效率低；前进速度大于0.4 m/s时梳齿上的红枣会拥堵、捡拾效果不佳，前进速度低于0.2 m/s时捡拾效率低；梳齿入土深度低于10 mm时有大量的红枣无法捡拾到梳齿上，入土深度大于30 mm时梳齿壅土严重。因此，综合考虑捡拾装置作业稳定性和捡拾效果，设计三因素三水平正交试验方案[15-16]，最终确定3个试验因素各自的水平(表2)。

表2 试验因素与水平

3.3 试验结果与分析

试验结果及分析如表3所示。

由表3的极差分析可知：影响拾净率的因素主次顺序为条刷辊转速>梳齿入土深度>前进速度，其较优因素水平组合为A1B3C2,即当捡拾装置条刷辊转速为20 r/min、前进速度为0.4 m/s、梳齿入土深度为20 mm时，捡拾装置的性能较优。

表3 试验结果及分析

4 结论

(1)本文研制了一种落地红枣捡拾装置，利用力学分析和动能定理设计该装置入土梳齿、捡拾条刷辊和分离升运链的结构参数，通过入土梳齿和捡拾条刷辊的联合作用可实现砂土枣园落地红枣的机械化捡拾作业。

(2)通过三因素三水平正交试验得出对捡拾装置拾净率的影响程度为条刷辊转速>梳齿入土深度>前进速度；当捡拾装置条刷辊转速为20 r/min、前进速度为0.4 m/s、梳齿入土深度为20 mm时，捡拾装置的性能较优。

(3)该捡拾装置基本满足落地红枣收获的作业要求，但还可继续改进，如捡拾条刷辊作业过程中有伤枣现象，分离升运链能够分离砂土，有部分枣叶无法清除。针对这些问题可深入研究条刷伤枣机理和气吹清选原理，指导条刷选型，优化条刷辊的结构，增加气吹清选装置。