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大棗收獲機(jī)設(shè)計(jì)

2015-07-29 07:47艾建軍高韶坤劉建敏
現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè) 2015年14期
關(guān)鍵詞:大棗

艾建軍 高韶坤 劉建敏

摘 要:針對河北阜平大棗設(shè)計(jì)了一款收獲機(jī)器,打棗裝置采用曲柄連桿機(jī)構(gòu),對棗樹枝進(jìn)行高頻率低振幅的上下往復(fù)振動,實(shí)現(xiàn)機(jī)械化打棗,收棗裝置采用負(fù)壓原理,由汽油機(jī)帶動高壓軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),使箱體內(nèi)部與外部產(chǎn)生壓力差,從而將地面上的棗吸入箱體內(nèi)部,完成大棗的收集。本裝置預(yù)期達(dá)到生產(chǎn)率≥30株/h;采凈率≥80%,初步確定該打棗裝置的振動頻率400~500次/min,振幅為20~30mm。

關(guān)鍵詞:大棗;打棗裝置;曲柄連桿;收棗裝置;壓力差

中圖分類號:TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3198(2015)14-0218-02

1 打棗裝置設(shè)計(jì)

1.1 打棗方案設(shè)計(jì)

方案一:水平橫向拉動樹干振動。

此種方法在一些矮化密植的棗樹上有應(yīng)用,如新疆,但本設(shè)計(jì)針對河北阜平大棗,這里的棗樹歷史悠久,樹干高大,直徑較粗,因此水平方向拉伸需要消耗較大的功率且不能保證落果率,不予采用。

方案二:打棗桿在豎直平面內(nèi)一定幅度擺動,擊打樹冠。

在人工收棗時經(jīng)常采用此種方法,但經(jīng)常是作為其他收棗方式的輔助,比如落果不完全時,用長度約2米的韌性枝條作為工具直接擊打未落果的樹枝,優(yōu)點(diǎn)是操作靈活,落果率高,不足之處是由于對棗樹枝條進(jìn)行橫向擊打,棗的運(yùn)動方向?yàn)樗匠霭l(fā)的拋物線,落地方向里棗樹較遠(yuǎn),收集困難。如果以機(jī)械方式完成全部落果,由于樹干較高,有的甚至高度達(dá)到12米,在初期需要對棗樹樹冠進(jìn)行擺幅較大的擊打,力矩較大,消耗的功率就多,所以此方案不予采用。

方案三:豎直方向依次振動樹冠主要枝條。

采用小幅高頻樹冠振動方式,用連接桿迫使樹冠做小幅高頻震動,當(dāng)樹枝上的紅棗所受慣性力大于果柄拉力時,紅棗與果樹脫離,從而實(shí)現(xiàn)紅棗的采收。此方案落果率高,且棗的掉落位置就在棗樹的周圍,收集方便,予以采用。

1.2 打棗裝置整體結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)工作位置移動要求,整個打棗裝置安裝在一個帶輪子的底板上,用手推動機(jī)構(gòu)移動位置。采用汽油機(jī)作為動力源,帶動固定在汽油機(jī)上的帶輪轉(zhuǎn)動,主動帶輪帶動從動帶輪,即實(shí)現(xiàn)對汽油機(jī)的降速,帶輪傳動能吸收運(yùn)動傳遞過程中的震動,尤其是機(jī)構(gòu)在顛簸的坡地上運(yùn)動時,由于曲軸與從動帶輪同軸,所以從動帶輪的轉(zhuǎn)動帶動曲軸轉(zhuǎn)動。曲軸的轉(zhuǎn)動帶動鉸接在其上的打棗桿上下往復(fù)運(yùn)動,可調(diào)節(jié)高度的打棗桿通過頂端鉤子鏈接棗樹的樹枝上。通過桿件的上下運(yùn)動帶動棗樹枝的上下振動使棗掉落,最終實(shí)現(xiàn)高效打棗,節(jié)省了人力。

曲柄做圓周運(yùn)動的轉(zhuǎn)速由帶輪的轉(zhuǎn)速和傳動比大小控制,而帶輪的轉(zhuǎn)速是根據(jù)汽油機(jī)動力輸出軸的轉(zhuǎn)速而調(diào)節(jié)的。因此只要調(diào)整汽油機(jī)的功率,輸出轉(zhuǎn)速便隨之改變,就可實(shí)現(xiàn)振動頻率的改變以適應(yīng)不同直徑大小、不同成熟度果園大棗的采收,如圖1所示。

1.3 打棗關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.3.1 振動頻率和振幅的確定

大棗振動采收裝置的工作過程是將振動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的機(jī)械振動傳給棗樹枝,果枝受到外加的強(qiáng)迫振動后以一定的頻率和振幅(與振動機(jī)構(gòu)的頻率和振幅不同)振動,這樣就使大棗果實(shí)因振動而加速運(yùn)動,從而受到慣性力的作用。當(dāng)慣性力大于大棗果實(shí)與果柄之間的連結(jié)力時,大棗就會被振落。科學(xué)研究與實(shí)踐表明,大棗受到振動時的運(yùn)動很復(fù)雜,機(jī)械振動采收大棗時,雖然果實(shí)受到的強(qiáng)迫振動是在某一個平面內(nèi),大棗卻可以在做任意振動,大棗果實(shí)受到強(qiáng)迫振動后的主要形式為擺動,而擺動可以作為振動采收時的主要運(yùn)動形式,簡化后棗樹及其受到的振動力的情況見圖2,其中L1為樹干長度L2為大棗果枝長度。

從上述計(jì)算結(jié)果可知:運(yùn)動由打棗桿帶給果實(shí)的脅迫簡諧運(yùn)動和果實(shí)的自由振動組成,這樣可得出果實(shí)的基本運(yùn)動規(guī)律,就可以求出作用在紅棗果實(shí)上的法向分力Fs和切向分力Fn分別為:

Fs=mLθ·2,F(xiàn)n=mLθ··

式中:θ·——大棗果實(shí)擺動的角速度;

θ··——大棗果實(shí)擺動的角加速度。

Fs與Fn的大小由擺動傾角θ決定,而θ由F(t)決定,那么就可以根據(jù)大棗果柄的強(qiáng)度、大棗果實(shí)質(zhì)量來選擇振動機(jī)構(gòu)的振動頻率和振幅,初步確定該采收裝置的振動頻率為400~500次/min,振幅為20~30mm。

1.3.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

曲柄連桿機(jī)構(gòu)如圖4所示,能將發(fā)動機(jī)的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)化為連桿往復(fù)直線運(yùn)動,本機(jī)采用偏距為20~30mm的偏心式曲柄連桿方式連接,以此實(shí)現(xiàn)較小行程的往復(fù)直線運(yùn)動,滿足設(shè)計(jì)需求。偏心式曲柄的動力是由便攜式汽油機(jī)的動力經(jīng)帶傳動輸入的。

2 收棗裝置設(shè)計(jì)

2.1 收棗方案設(shè)計(jì)

按照實(shí)際情況將大棗分為四種顆粒大小,所以收棗裝置需要不同大小的進(jìn)氣口。

方案一:將進(jìn)氣口與紅棗收集機(jī)分開設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)四種不同大小的進(jìn)氣口,收集不同顆粒大小的大棗時,只需更換進(jìn)氣口即可。

方案二:將進(jìn)氣口設(shè)計(jì)在紅棗收集機(jī)的箱體底部,按照四種不同顆粒大小的紅棗中的最大紅棗進(jìn)行設(shè)計(jì),適合收集所有顆粒大小的紅棗。

本設(shè)計(jì)選用方案一,可以根據(jù)紅棗的顆粒大小來選擇進(jìn)氣口,并且進(jìn)氣口損壞僅需更換即可,而且根據(jù)需要更換不同大小的進(jìn)氣口后可以調(diào)節(jié)汽油機(jī)的輸出功率,可以減少燃料的損耗。而方案二有著很大的局限性,而且大大的增加了箱體的長度。

2.2 收棗裝置整體結(jié)構(gòu)

汽油機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動經(jīng)減速箱減速后,帶動高壓軸流風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),將箱體內(nèi)部的氣體排出,使之箱體內(nèi)外產(chǎn)生壓強(qiáng)差,在進(jìn)氣口出產(chǎn)生吸力,將掉落在地的大棗收集進(jìn)入收集箱內(nèi),完成對大棗的收集,如圖4所示。

2.3 收棗關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 風(fēng)壓

大棗從地面上被吸入進(jìn)氣口所用的時間:

t≤0.40.4=1s

大棗所收的加速度,由S=vot+12at2且進(jìn)氣口距地面的高度h=0.01m,得:

a=0.02m/s2

大棗的直徑為:2~2.5cm,所以大棗收集機(jī)構(gòu)可最多同時吸入的紅棗數(shù)為:n=0.2/0.02=10;

所以同時吸入的大棗的總質(zhì)量:m=10×0.02=02kg

大棗收集機(jī)械對大棗產(chǎn)生的吸力F=m(a+g)=0.2×10.02=2.004N

考慮到進(jìn)氣口處的氣體損失,取F=4N

所以箱體內(nèi)外壓強(qiáng):p=FS=40.05×0.2=400Pa

通風(fēng)機(jī)的主要性能參數(shù)是風(fēng)量、風(fēng)壓、軸功率和效率,下面進(jìn)行具體分析。

2.3.2 風(fēng)量Q

風(fēng)量指以風(fēng)機(jī)進(jìn)口狀態(tài)的氣體體積流量(m3/h),又因通風(fēng)機(jī)的壓縮比比較小,故可以忽略進(jìn)、出風(fēng)機(jī)流量的變化。

進(jìn)氣口處氣體的速度:vt=0.4/1=0.4m/s;

所以風(fēng)量Q=vt·t·0.2·0.05=0.4·0.2·0.05·1=0.04m3/s。

2.3.3 風(fēng)壓Pt

單位體積氣體流經(jīng)風(fēng)機(jī)所獲得的能量,單位為N/m2。這里,不用壓頭而改用風(fēng)壓。因?yàn)閷τ跉怏w,壓頭的含義是單位重量氣體流經(jīng)風(fēng)機(jī)所獲得的能量,單位是N·m/N氣柱。那么,1Kpa的壓力就相當(dāng)于102m氣柱??梢?,對于氣體,若采用壓頭表示,數(shù)值太大,使用不便。若改用單位體積流經(jīng)風(fēng)機(jī)所獲得的能量表示,可直接使用壓強(qiáng)單位,故稱為風(fēng)壓。

若以每立方米氣體為基準(zhǔn)對風(fēng)機(jī)進(jìn)出口列出機(jī)械能衡算式,并忽略進(jìn)出口位差變化和進(jìn)、出風(fēng)管的阻力損失可得下式:

當(dāng)風(fēng)機(jī)是由靜止的大氣吸入氣體,而且氣體壓力按表壓力計(jì)時,則因u1=0和p1=0故得風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓為:

2.4.3 軸功率和效率

3 結(jié)束語

河北省阜平縣棗產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá),但是至今還沒有幫助棗農(nóng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化打棗的高效農(nóng)業(yè)機(jī)械,仍然依靠傳統(tǒng)的棗桿人工打棗,人工撿棗方式,增加棗農(nóng)勞動強(qiáng)度,影響收棗效率,從一定程度上制約了棗農(nóng)業(yè)的發(fā)展。本設(shè)計(jì)通過調(diào)查分析,研究傳統(tǒng)打棗原理,進(jìn)行優(yōu)化分析,最終設(shè)計(jì)了一款高效大棗采收機(jī)械,將棗農(nóng)從勞累的勞動中解放出來,產(chǎn)品設(shè)計(jì)小巧、簡單,在不用經(jīng)過任何培訓(xùn)的情況下,一個人即可實(shí)現(xiàn)高效率的打棗、收棗。

參考文獻(xiàn)

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