红枣捡拾机优化设计与试验*

杜许怀，韩长杰，沈俊杰，刁宏伟，宋东良，张书祥

(1. 新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐市，830052；2. 玛纳斯祥和农业机械有限公司，新疆昌吉，832200)

0 引言

红枣在新疆种植历史悠久，特别是南疆有得天独厚的红枣种植条件，其作为新疆特色经济林果，经济价值很高[1-3]。目前，红枣收获过程中，大多数农民依旧采用人工捡拾方式，机械化作业程度偏低，劳动强度大，随着雇佣人工成本增加，红枣收获成本也在增加，且人工收获工序繁琐，效率低下。因此，红枣收获机械的研究对我国新疆红枣产业的发展意义重大[4-5]。

现阶段，红枣收获机械从原理上大体分为骑跨式、摇振式、气吸式、清扫捡拾式等。骑跨式以石河子大学付威课题组研制的4ZZ-4自走式红枣收获机为主，收获红枣时，依次完成摇果、集果、输送及清杂作业[6-9]，机具高大，结构复杂，制作成本高，主要针对矮化密植标准化枣园；摇振式以新疆农垦科学院汤智辉等研制的一款4YS-24型红枣收获机为例，采用拖拉机提供动力，一般多适应于粗壮、高大、行间距宽的果园[10-12]；气吸式有新疆农业大学张学军教授设计的气吸式落地红枣捡拾机，采用发动机为风机提供动力，为蓄电池提供电力，蓄电池为行走、闭风器、分选装置提供工作动力[7， 13]，但蓄电池数量有限，行走动力不足，翻越田埂较为困难；清扫捡拾式多以气吸捡拾或机械捡拾配合使用，如新疆农业大学韩长杰教授与新疆新研牧神科技有限公司合作发明的红枣收获机为清扫与气吸方式结合的机具[5， 14]，机具整体结构较大，适合应用在行间距较宽，枣树较为高大的老式果园。

本机具主要针对新疆矮化密植果园设计，在保证机具动力充足情况下，也要保证其在矮化密植果园的通过性，机具整体尺寸不能太大；收获作业中，本机具针对收获期落地红枣捡拾、除杂、清选环节进行替代，本着节省人工投入、降低劳作强度、提高作业效率、缩短收获周期的目的，从而节省收获成本；本机具采用气吸捡拾方式，通过对红枣在气流中的受力情况和运动分析，结合沉降理论分析，对主要工作部件气吸室提供设计理论基础数据。

1 机具整体结构及工作原理

1.1 机具整体结构

本机具如图1所示，主要由发动机、传动系统、风机、气吸室、翻草器、卸料闭风器、气吸管道、机具底盘、抖动筛网、收集箱、排杂闭风器等部分组成。机具动力主要由发动机提供，经传动系统将动力分配至各工作机构。首先经带传动将发动机转速提速以带动风机工作，再经过多级传动减速，根据机构需求将动力传入各执行部件。

图1 整机结构示意图

1.2 机具工作原理

本机具采用间接性工作模式，利用气吸管道的收缩性，保证作业半径，气吸管道采用可伸缩弯曲的螺纹管，管道伸长至极限作业半径时，再开动机具向前行进，停止到一个合适位置，进行作业。作业时，先通过对收获期落地红枣进行吹聚集条，再利用本机具进行捡拾；通过风机形成负压条件，提供吸力，进行吸拾，红枣及相关杂物一起进入管道，在气流带动下运动至气吸室，气吸室型腔的形状变化使气流产生涡旋，加快物料沉降；结合翻草器转动，将随气流吸附在其型体面上的轻质杂物翻转至后方，在气流与自身重力作用下沉降至排杂闭风器内，通过闭风器的旋转，排出机具；重一些的杂物会随红枣一起沉降至卸料闭风器，随闭风器的旋转，掉落到抖动筛网上进行二次除杂；抖动筛网采用活动安装方式，随着机具的自身振动产生抖动，使小于红枣小径的杂物从空隙间漏掉，红枣随抖动筛网滚落至收集箱中。

2 红枣在气流中的运动分析

2.1 红枣悬浮速度计算

气固两相流中，气力输送颗粒形状对悬浮速度有较大的影响，球形颗粒的悬浮速度最大，将不规则的红枣换算为当量球体，以当量球体直径作为不规则形状物料的粒径进行修正计算[15-17]，由此可得

(1)

式中：de——红枣当量直径，m；

V——红枣体积，m3；

M——单粒红枣质量，kg；

ρs——红枣密度，kg/m3。

在相同管道及同一介质中，由浮重与流体动力相平衡，对于不规则椭圆体的红枣可得

(2)

式中：ρ——气流密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

R1——红枣实际所受流体阻力，N；

C1——红枣阻力系数；

a1——红枣加速度，m/s2；

v″20——红枣悬浮速度，kg/m3。

对于当量球体

(3)

式中：R——红枣当量球体所受流体阻力，N；

C——红枣当量球体阻力系数；

as——红枣当量球体加速度，m/s2；

v′20——红枣当量球体悬浮速度，kg/m3。

因为红枣与当量球体浮重相等，所以当二者处于悬浮状态时，其流体动力大小相等，可得

C1a1v″20=Casv′20

(4)

通常情况下，将a1、as做近似相等处理，故不规则的红枣悬浮速度

(5)

式中：Ks——形状系数；

D——吸送管道直径，m。

由于红枣形状类似于一个椭球体，参考实验数据，近似取形状系数Ks为1.06，根据气力输送原理，红枣当量直径较大，先假设其当量直径处于压差阻力区，即牛顿区，其雷诺数Re在500～2×105之间，阻力系数C取0.44[17-18]，所以红枣悬浮速度的计算公式简化为

(6)

通过随机取样方法，测定样本红枣的质量和体积，取二者最大值12.16 g、14.33 cm3为计算参数，再通过计算得出红枣密度为848.57 kg/m3，利用式(1)计算其当量直径为29.15 mm，利用式(6)计算得红枣最大平均悬浮速度为23.25 m/s。

根据压差阻力区雷诺数Re区间及适用粒径范围，对红枣悬浮速度计算的可靠性进行验证，雷诺数

(7)

式中：μ——为空气动力黏度，N·s/m2。

适用粒径范围判断条件

(8)

式中：ds——粒径大小，mm；

ρm——红枣密实密度，kg/m3。

验证计算过程中，气流密度ρ取温度20 ℃时空气密度1.2 kg/m3，空气动力黏度μ为18.2×10-6N·s/m2，红枣密实密度测量结果为488.43 kg/m3。通过计算，得Re值为4.47×104，在压差阻力区雷诺数区间之内，适用粒径范围为1.79～96.64 mm，红枣当量直径在该范围之内，所以悬浮速度计算较为可靠。

2.2 红枣在输送过程中的受力

为探究物料在吸送过程中的运动状态，首先对其在气流中的受力进行分析，分析时将物料形状换算为球体颗粒，以颗粒当量直径dp进行计算。颗粒在气流中运动时主要会受到以下几种力，如运动时的阻力、重力、浮力、离心力、压力梯度力，颗粒在输送管道中运动状态是这些力共同作用的结果[4， 18]，所以了解颗粒在气流力场中受力情况非常有必要。

2.2.1 阻力

颗粒在气流中运动，首先受到气流阻力Fd的作用，由牛顿阻力定律得

(9)

式中：C——阻力系数，取0.44；

ρa——空气密度，kg/m3；

dp——颗粒当量直径，m；

u——颗粒与气流相对速度，m/s。

2.2.2 重力和浮力

设颗粒在静止气流中自由下落，其重力Fg与浮力Fb计算公式如式(10)。

(10)

2.2.3 离心力

当颗粒在弯曲管道中运动时，其还受到离心力作用，离心力

(11)

式中：ut——红枣圆周速度，m/s；

r——红枣圆周运动中瞬时半径，m。

2.2.4 压力梯度力

压力梯度力Fp的计算步骤较为复杂，其计算的偏微分方程如式(12)所示，计算时可简化偏微分，计算两间压力差值与位移之比即可。

(12)

式中：Vp——颗粒体积，m3；

rp——颗粒当量半径，m；

p——压力分布，Pa；

x——压力分布位移，m。

2.2.5 吸送管道中红枣受力及运动分析

本机具气吸管道可弯曲、伸缩，在工作中呈倾斜、垂直、水平、弯曲四个状态，每个状态中红枣受力各不相同，如图2所示，为红枣在不同气吸管道状态下受力示意图。

红枣在管道内输送时，在不考虑其自身旋转运动的理想环境下，将单颗红枣视为一个球体，对其在不同管道状态下进行主要受力分析。如图2(a)所示，红枣在倾斜管道中主要受到浮重Ws和气流阻力Fd作用。浮重Ws为重力Fg与浮力Fb差值，气流阻力Fd是提供红枣向气流方向运动的气动推力；由于气流在管道中流动时，中心速度比边缘速度高，故管道中心压强小于边缘压强，形成压力差，红枣在偏离管道中心位置时，会受到指向中心的压力梯度力Fp作用，风力足够大时，红枣会集中在管道中部风力小时，红枣会在管道中心偏下方区域运动。红枣在水平管道中，如图2(b)所示，其在气流阻力Fd作用下，向气流方向运动，风力足够大时，在重力Fg与压力梯度力Fp的作用下有上下波动趋势，但在风力较小时，红枣会在管道底部向风速方向运动。在竖直管道中，如图2(c)所示，当气流阻力Fd大于浮重Ws时，红枣向上运动，压力梯度力Fp会使红枣左右摆动，如果管道无限长，风力足够大时，红枣会从静止做加速运动，直至气流阻力Fd与其浮重Ws相等，加速度为零，做匀速运动。在管道弯折处，如图2(d)所示，红枣主要受到浮重Ws、气流阻力Fd、离心力Fc作用，气流阻力Fd越大，红枣速度越大，离心力也越大，红枣被甩向管壁外侧，但管道内侧气流速度较外侧大，所以红枣时刻受到向里的压力梯度力Fp，风力大时，红枣靠管道外侧做曲线运动，风力小时，则靠管道内侧运动。

(a) 倾斜状态 (b) 水平状态 (c) 垂直状态 (d) 弯曲状态

由于红枣在气流运动中也服从牛顿第二定律，所以建立其运动方程，即

Mpap=∑F

(13)

式中：Mp——红枣质量，kg；

ap——红枣加速度，m/s2；

∑F——红枣所受各力在运动方向上的代数和，N。

机具工作时，红枣在整个吸送过程中，由速度为零被气流吸入气吸室，其有一个加速过程，将工作过程简化为红枣在气流作用下，从地面被提高至1.2 m高的地方，以图2(c)受力分析为基础，不考虑压力梯度力Fp的影响进行计算。利用式(9)、式(10)、式(13)，结合匀加速直线运动规律，计算得出一颗质量为10 g、当量直径为29.15 mm的红枣，在风速为35 m/s的管道内被吸至1.2 m高的位置，其大约需要时间0.33 s，最终速度约为7.27 m/s。红枣实际向上运动属于变加速运动，未达到匀速阶段，在计算时，以其最大加速度计算，作匀加速运动处理，所以红枣最终进入气吸室的速度小于7.27 m/s。

2.3 红枣沉降分析

杂物分离阶段可分为一次杂物分离和二次杂物分离，一次杂物分离针对轻质细长杂物，如树叶、枣吊、杂草、枯枝等，以及一些细小颗粒杂物，如灰尘、小土块等；二次杂物分离主要针对质量较大杂物，如大土块、石子等；两次杂物分离目的均是将物料中的杂物与红枣分离，达到除杂效果。

一次杂物分离主要利用物料质量、形状、悬浮特性等差异，通过气吸室型腔变化引起压力损失，增加湍流现象，以及分离装置辅助作用，来实现将主要杂物与红枣分离开的效果。整个过程中，物料的运动处于混沌状态，但大部分物料运动的趋势符合重力沉降理论，以下公式是对颗粒理想重力沉降过程进行陈述，如图3所示，为颗粒理想重力沉降过程示意图。

图3 颗粒理想重力沉降过程及受力示意图

物料颗粒在沉降时，主要受自身重力、浮力、沉降阻力作用[19]，重力方向竖直向下，浮力与沉降阻力方向竖直向上，重力与浮力计算可参考式(10)，沉降阻力

(14)

式中：v0——颗粒进入气吸室的水平速度，m/s。

由红枣运动方程(13)结合受力分析，将式(10)、式(14)代入，可得

(15)

式中：mp——颗粒质量，kg。

颗粒沉降速度ut可由式(16)求得，其为颗粒在风场中最终处于匀速段的速度，机具设计计算时，将红枣视为匀速沉降，以此沉降速度公式计算，增大设计参数余量，保证机具工作性能。

(16)

粒径大小决定颗粒在沉降中是否受到黏度的影响，红枣粒径较大，黏度影响可以忽略不计，认为其处于牛顿区确定阻力系数，阻力系数C取0.44，最终可得沉降速度

(17)

红枣的沉降，发生在气吸室，对红枣沉降速度的计算，尽量取较小体积、质量的红枣计算当量直径作为粒子直径，此处取整为18 mm，空气密度ρa取25 ℃时的空气密度为1.293 kg/m3，颗粒密度ρs取红枣平均密度为326.27 kg/m3，计算结果为3.7 m/s。

当颗粒随气流从吸送管道进入沉降室(本机具气吸室一次杂物分离区)时，由气流所流过长度L可计算出颗粒沉降时间，再由沉降时间及沉降速度可得出沉降高度，以此来确定气吸室相关尺寸，计算公式如式(18)所示。

(18)

式中：Vep——沉降室体积，m3；

Vg——混合气体的体积流量，m3/s；

v——颗粒水平运动速度，m/s；

H——沉降的高度，m；

B——沉降室的宽度，m；

t——气流流过沉降室长度时间，s；

ts——颗粒在沉降高度沉落所用时间，s。

颗粒沉降时，应满足t>ts，所以沉降室尺寸设计时，沉降室长度L与高度H应满足式(19)。

(19)

参考红枣在气吸室入口处理论计算速度7.27 m/s和红枣沉降速度计算值3.7 m/s，将颗粒水平运动速度v取整为8 m/s，将颗粒沉降速度ut取整为4 m/s，根据实际情况，将气吸室入口高度定位0.3 m时，即沉降室高度H为0.3 m，可得沉降室长度L应大于0.6 m，即本机具气吸室长度应大于0.6 m。

3 田间试验

3.1 试验条件

试验在新疆喀什地区巴楚县四十八团六连果园进行。果园采用矮化密植模式种植，红枣品种为灰枣，果园地面相对平整，行距在5.2 m左右，株距在1.5 m左右，枣树高约2.5 m左右，树冠间距多处于1.2 m左右，大部分枣吊、树叶干枯，田间土块较少，石块极少。

试验仪器及条件：风速仪、转速仪、卷尺(0～5 m)、电子秤(0～50 kg)、秒表、配套链轮组、链条、拆装工具套装。需两名熟悉机具并能熟练操作人员，试验中人员固定，不再换人。

3.2 评价指标与方法

该落地红枣收获机主要针对成熟期落地红枣的除杂、捡拾任务进行作业，所以将含杂率、拾净率作为评价指标来衡量机具作业效果。

试验前需人工以击打、摇晃等方式将树上未落的红枣打落至地面，再利用小型背负式吹风机或专用清扫机具将落地红枣吹聚堆叠成一定厚度的长条[20]。试验时选取土地平整情况接近，行间距相同的枣地，取6 m为一组试验，每2 m取一次试验结果，以3次试验结果平均值作为指标值。各指标计算方式如式(20)所示。

(20)

式中：Q1——含杂率，%；

Q2——拾净率，%；

M0——每次试验区域内机具所捡拾的含杂红枣质量，kg；

M1——每次试验区域内机具所捡拾的杂物质量，kg；

M2——每次试验区域内机具未捡拾干净的红枣质量，kg。

3.3 试验因素水平

为验证机具作业效果，根据气力输送原理，通常输送气流速度为物料悬浮速度的1.5倍[17]，吸口风速对机具性能的影响是必然的，将吸口风速调节为32 m/s、35 m/s、38 m/s三个水平，即红枣最大计算悬浮速度的1.5倍，再上下浮动10%，取整后的结果；翻草器的主要作用是清理轻质杂物使气道保持常通，同时阻绝红枣使其沉降，其转速过高会增加风阻、损伤红枣，过低又起不到清理气道的作用，通过前期试验验证，其转速达到200 r/min以上时对机具性能影响明显，由于机具传动空间限制，最高可提速至430 r/min左右，考虑到传动的经济性，故通过更换链轮的方式将碎草器转速控制在200 r/min、300 r/min、400 r/min左右进行试验；根据气力输送原理，固气混合比对物料输送性能有较强的影响，固气混合比越高，越有利于提高输送能力，当其值大时，表示输送空气量较小，功率消耗也小，所以试验时，通过规范红枣堆叠厚度，使吸送过程中能保持相对稳定的固气混合比，在其他影响因素相对恒定时，机具性能才能有相对稳定的工作效果，结合农户收获习惯，将枣堆厚度规范化为5 cm、10 cm、15 cm左右，因素水平表如表1所示。

表1 试验因素和水平Tab. 1 Factors and levels of test

3.4 试验结果及极差分析

为验证机具性能，根据影响因素，采用三因素三水平正交试验，试验结果与极差分析如表2所示。

表2 正交试验结果与极差分析Tab. 2 Orthogonal experiment results and range analysis

由极差分析结果可知，两评价指标的误差列极差均小于其他影响因素，表明试验结果不是由误差引起。由表2可得，含杂率在1.98%～3.56%，拾净率在94.72%～98.82%；各因素对含杂率的影响主次顺序为：A>B>C，较优组合为：A2B2C3；各因素对拾净率的影响主次顺序为：A>B>C较优组合为：A2B2C2。由正交多指标试验综合平衡法，考虑到红枣在农户售卖后，还需二次加工才能出售到市场，一般要经过清洗、分级等工序，所以相对于指标拾净率，指标含杂率重要性较低，且影响主次顺序相同，所以选A2B2C2作为最优组合，即吸口风速为35 m/s；翻草器转速为300 r/min；枣堆厚度为10 cm。

借助SPSS20.0数据分析软件对本试验结果进行方差分析，对评价指标的显著性进一步探究，结果如表3所示。

表3 方差分析Tab. 3 Variance analysis

由以上分析结果可得，就指标含杂率而言，因素吸口风速对其影响极显著，翻草器转速、枣堆厚度对其影响只是显著，对于拾净率吸口风速、翻草器转速对其影响均极显著，枣堆厚度对其影响较显著。

结合机具工作特点和极差分析结果，分析可见，吸口风速较小时，杂物在管道中运动速度较低，易形成堆积，负压条件产生跃迁变化，导致除杂效果降低，红枣也会掺杂其中，被翻草器翻转至后方，从排杂口排出，因此，拾净率降低；反之，吸口风速过大，质量较重，且体积较红枣相当的土块、石块又被带入到管道中，这些杂质无法被气流带入排杂闭风器，也无法被筛网除去，造成含杂率上升，部分相对较轻的红枣会在气流与翻草器作用下从排杂口排出，拾净率也会降低。

翻草器转速较小时，对气道内轻质杂物不能及时翻转至后方，导致气道内杂物堆积，部分长细杂物会掉落到排枣闭风器内，在抖动筛网无法筛选的情况下，含杂率会增高，杂物堆积过程中负压条件随之变化，产生足够吸力时红枣也会被夹杂其中，和杂物一起被排出，拾净率降低；反之，其旋转速度过快，其杂物与表面摩擦系数减小，部分杂物会受到自身重力作用也会掉落至排枣闭风器内，也会增加含杂率，部分杂物随着形状、密度的差异，也可能缓慢向下移动或达到受力平衡悬停在翻草器前，形成堆积。同理，杂物积累到一定程度，形成堵塞，负压条件变化，红枣被裹挟至杂物中，随杂物一起从排杂口排出，降低拾净率。

对枣堆厚度的规范，主要是为了保证机具在其他因素相同的条件下能有相对稳定的工作状态，本机具吸送管道为160 cm，固气混合比随枣堆厚度变化，枣堆厚度越大，固气混合比越高。本试验中随枣堆厚度增大，含杂率明显降低趋势。拾净率随枣堆厚度增大而明显增加，但当枣堆厚度接近15 cm时，拾净率有较小的下降趋势，说明固气混合比过高时，机具分离杂物能力有降低趋势，红枣会被杂物裹挟，一起从排杂口排出，拾净率因此提高。

4 结论

通过对红枣质量、体积的测定，以测定结果为基础，计算得出红枣最大悬浮速度为23.25 m/s，确定设计输送速度为35 m/s，并验证红枣处于压差阻力区的适用粒径范围内，适用粒径范围计算结果为1.79～96.64 mm；红枣运动理论分析结果显示，红枣吸拾过程中一直处于变加速运动，红枣从地面被吸至气吸室入口处高度时速度小于7.27 m/s；沉降理论分析结果得出气吸室入口高度定位0.3 m时， 气吸室长度应大于0.6 m。

试验结果显示，3个因素对衡量机具性能的2个指标均显著或极显著，影响因素及水平最优组合为A2B2C2，即吸口风速为35 m/s；翻草器转速为300 r/min；枣堆厚度为10 cm。试验结果的显著也说明了理论分析具有可靠性，其分析过程中的参数及系数的选择有一定的价值。

就本机具试验结果而言，机具工作性能可以满足农户需求，对含杂率、捡拾率影响最大的因素是吸口风速，说明风机所形成的负压环境对机具工作性能作用较大，气吸室与吸送管道的密封条件是负压环境相对稳定的保障，在机具制造过程中要极大程度上保证其密闭效果。

试验分析所得出的最优组合A2B2C2是相对于本机具在正交试验结果下的较优工作状态，根据机具所选的单缸柴油发动机工作特点，输出转速有小范围波动性变化，所以机具工作时所选影响因素的水平是一个波动变化的平均值，并非定值，试验分析结果并非实际最优结果，但试验结果足以说明机具性能，对实际工作还是有一定的参考价值。