亢石磊+喬艷芳

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西晉中 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西晉中 030801）

摘 要 為了適應(yīng)山區(qū)、丘陵地貌傳統(tǒng)種植模式下紅棗的收獲需要，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)棗吊進(jìn)行梳刷落果的收獲機(jī)。該機(jī)由蓄電池驅(qū)動(dòng)，蓄電池和電機(jī)控制器放置于地面，操作者手持部分由直流減速電機(jī)、操作桿和摘果裝置組成。其主要特點(diǎn)是采用梳刷落果裝置，將動(dòng)力源從操作者身上剝離，盡一切可能減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，非常適合大型機(jī)具無法進(jìn)入的地塊的紅棗落果。

關(guān)鍵詞 紅棗收獲機(jī)；梳刷落果；直流驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào)：S225.93 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.24.077

紅棗是我國(guó)的特色林果，在新疆和沿黃河流域廣有分布，是當(dāng)?shù)刂匾慕?jīng)濟(jì)作物。然而一直以來，紅棗的收獲依靠人工，效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且近些年農(nóng)村勞動(dòng)力短缺的問題日益突出，導(dǎo)致了紅棗回收率低，經(jīng)濟(jì)損失重大。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)實(shí)問題，新疆一些高校、科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一些研究，由于新疆很多采用矮化密植的種植模式，所研究設(shè)計(jì)的都是可以在大間距的行間行走的大功率設(shè)備，比如2009年新疆農(nóng)墾科學(xué)院研制的4YS-24型紅棗收獲機(jī)；2012年石河子大學(xué)研制的4ZZ-4的自走式紅棗收獲機(jī)；2012年塔里木大學(xué)研制的桿棒式紅棗采摘機(jī)，都屬此類，這類設(shè)備對(duì)農(nóng)藝的要求高。同時(shí)，針對(duì)傳統(tǒng)種植模式（非矮化密植）紅棗的收獲也進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了手持式紅棗振動(dòng)收獲機(jī)，采用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，通過振動(dòng)枝條進(jìn)行落果，該設(shè)計(jì)將很重的汽油機(jī)由操作者負(fù)擔(dān)，而且振動(dòng)落果以操作者為支點(diǎn)極易疲勞，振動(dòng)落果相比梳刷落果需要更多的能量，所以動(dòng)力傳遞部件的質(zhì)量更大，這些結(jié)構(gòu)配置帶來的特點(diǎn)都將加劇操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用[1-3]。

為此，筆者設(shè)計(jì)了一種采用梳刷棗吊的方式進(jìn)行落果的紅棗收獲機(jī)，相鄰梳齒與紅棗直接接觸，通過梳齒的不斷旋轉(zhuǎn)使棗柄受拉斷裂，這樣機(jī)器做的功直接作用于果實(shí)，相比作用于果枝，所需功率小，對(duì)果枝損傷小、操作者勞動(dòng)強(qiáng)度小。且本機(jī)將動(dòng)力源-蓄電池置于地面也是優(yōu)于汽油機(jī)作為動(dòng)力的結(jié)構(gòu)形式。本機(jī)設(shè)計(jì)中通過結(jié)構(gòu)的、材料的一些措施來盡可能地減輕手持部分的質(zhì)量，以符合手持設(shè)備的使用要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

手持式電動(dòng)紅棗收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。該收獲機(jī)主要由置于地面的蓄電池及電機(jī)控制器、電源線及控制線、直流減速電機(jī)、碳纖維操作桿、尼龍軸承、碳纖維傳動(dòng)軸、摘果機(jī)構(gòu)、控制按鈕等組成。摘果機(jī)構(gòu)是該機(jī)的核心部件，如圖2所示，由一對(duì)錐齒輪、一對(duì)圓柱齒輪、尼龍軸承、兩根碳纖軸、殼體、梳齒構(gòu)成。

1.蓄電池及電機(jī)控制器；2.電源線及控制線；3.減速電機(jī)；4.操作桿；5.尼龍軸承；6.傳動(dòng)軸；7.摘果機(jī)構(gòu)；8、9、10.控制按鈕。

手持式電動(dòng)紅棗收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1、2.錐齒輪；3.殼體；4.軸承；5、9.傳動(dòng)軸；6.梳齒；7、8.直齒輪；10.操作桿。

摘果機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 工作原理及工作過程

收獲機(jī)采用直流減速電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力機(jī)，由于本機(jī)是通過梳刷棗吊摘果，所需動(dòng)力較少，所以選用質(zhì)量小、體積小、噪音小的直流減速電機(jī)。如圖1中所示直流減速電機(jī)3受蓄電池與電機(jī)控制器1的電流驅(qū)動(dòng)與保護(hù)控制，圖2中的3與10共同構(gòu)成了機(jī)架，支撐著其他部件。動(dòng)力經(jīng)由減速電機(jī)輸出后傳到操作桿芯部的傳動(dòng)軸，再在其末端通過錐齒輪改變旋轉(zhuǎn)方向，再通過一對(duì)直齒輪傳到梳齒，最終梳齒旋轉(zhuǎn)對(duì)棗吊進(jìn)行梳刷落果。

2 主要工作部件的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 摘果梳齒的設(shè)計(jì)

摘果梳齒是該收獲機(jī)的關(guān)鍵部件，性能優(yōu)劣直接關(guān)系到作業(yè)效率、果實(shí)損傷率和回收率。依據(jù)紅棗樣本測(cè)量的數(shù)據(jù)得知直徑基本都在15.75～18.16 mm的范圍[4]，所以梳齒槽間齒槽寬度必須小于紅棗最小直徑。在梳刷落果的過程中，棗吊會(huì)進(jìn)入齒槽，棗吊上除了有果實(shí)還有葉子，在截留所有的果實(shí)的同時(shí)，還需要為葉子留下足夠的通過空間以降低含雜率，而且梳齒還需與果實(shí)有足夠的接觸深度，鑒于這些要求，梳齒間齒槽寬度s取10 mm。

經(jīng)過對(duì)完熟期棗吊間距的觀察測(cè)量，由于果實(shí)堆壘，其間距都在20 mm以上，所以相鄰梳齒中心距s+d取20 mm，這樣相鄰棗吊不會(huì)擠進(jìn)同一個(gè)齒槽，造成擁堵以致拉斷棗吊。

梳齒齒槽寬度與梳齒中心距確定以后，梳齒直徑也就確定下來了，d取10 mm。梳齒的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇。在結(jié)構(gòu)上根部較長(zhǎng)一段為直徑不變的圓管，只在前端做成直徑減小并向下傾斜，如圖3所示，這樣可以保證果實(shí)與梳齒接觸后不會(huì)脫出。梳齒長(zhǎng)度L根據(jù)可能同時(shí)進(jìn)入兩個(gè)棗來設(shè)計(jì)，取50 mm。材料上芯部采用剛性圓管，外表包膠處理，這樣既能保證受力又能不傷果實(shí)。

圖3 梳齒簡(jiǎn)圖

在一個(gè)截面上梳齒的數(shù)量關(guān)系到電機(jī)功率大小、輸出功率的平穩(wěn)性等，圖4是一個(gè)截面上不同梳齒數(shù)量的摘果機(jī)構(gòu)的工作簡(jiǎn)圖。a圖為只有1個(gè)梳齒的構(gòu)造，如要實(shí)現(xiàn)高效率落果，就得提高轉(zhuǎn)速，這樣在相同阻力矩的情況下必須要增加功率，而且功率輸出也不平穩(wěn)；b圖為有2個(gè)梳齒的構(gòu)造，比一個(gè)梳齒的情況梢好，但是仍然存在這同樣的問題；d圖為有4個(gè)梳齒的構(gòu)造，在相同摘果頻率的情況下轉(zhuǎn)速可以降低，從而輸出轉(zhuǎn)矩最大，功率輸出也最平穩(wěn)，但是梳齒的固定不便，所以最終選擇c圖有3個(gè)梳齒的構(gòu)造，在保證摘果頻率的情況下能最大限度地降低轉(zhuǎn)速提高輸出轉(zhuǎn)矩，還能很好地解決梳齒固定的問題。

1.木本枝干；2.梳齒；3.葉子；4.棗子；5.棗吊；6.梳齒軸。

圖4 不同數(shù)量梳齒的摘果機(jī)構(gòu)

考慮到梳齒固定與軸承選型的需要，梳齒軸選用外徑20 mm的碳纖維管。

2.2 收獲機(jī)動(dòng)力計(jì)算

依據(jù)紅棗樣本測(cè)量的數(shù)據(jù)得知棗柄平均連接力為3.21 N[4]，綜合考慮高效率與枝干少變形，暫定一個(gè)沿梳齒軸軸向齒的數(shù)量n=10，這樣按照最大負(fù)荷（即每個(gè)齒槽中同時(shí)有一粒棗被梳齒刷到）計(jì)算得梳齒受力為：

F=（n-1）×3.21=28.89N

棗子進(jìn)入齒槽后會(huì)隨著梳齒軸的旋轉(zhuǎn)向梳齒根部滑動(dòng)，如圖3所示，棗柄距離梳齒軸中心距離a約為20 mm，果實(shí)對(duì)摘果機(jī)構(gòu)的阻力矩為：

Tr=F×a=0.58 N·m

直流減速電機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)操作桿芯部的傳動(dòng)軸傳到一對(duì)尼龍錐齒輪，再由一對(duì)圓柱齒輪最終傳遞到梳齒軸上，經(jīng)過7個(gè)尼龍軸承2對(duì)尼龍齒輪。由于尼龍零件表面光滑摩擦損失小，該傳動(dòng)系統(tǒng)的效率η高達(dá)90%[5]，直流電機(jī)的額定輸出力矩為：

T≥Tr/η=0.64 N·m

由于摘果梳齒的運(yùn)動(dòng)近似勻速運(yùn)動(dòng)，所以計(jì)算是從靜力學(xué)的角度來進(jìn)行的，未考慮運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，但是依然要適當(dāng)加大減速電機(jī)的輸出力矩，以此來保證對(duì)棗柄的足夠拉力。

關(guān)于梳齒軸轉(zhuǎn)速，由于梳刷棗吊是靠操作者從上而下平移機(jī)架的同時(shí)摘果梳齒的旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)的，所以如圖3中水平位置時(shí)梳齒的摘棗點(diǎn)處的絕對(duì)速度是，其中牽連速度是機(jī)架向下平移的速度，相對(duì)速度是由于梳齒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的速度，此刻摘棗點(diǎn)處也豎直向下，所以此時(shí)的數(shù)值為和的代數(shù)相加，其方向豎直向下。首先需要定下一個(gè)數(shù)值，就是機(jī)架的牽連運(yùn)動(dòng)速度，也就是操作者手部向下運(yùn)動(dòng)的速度，大約為0.15 m/s。梳齒根部摘棗點(diǎn)需要的相對(duì)轉(zhuǎn)速ω是最高的，所以就以該點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，如vr小于ve，機(jī)架向下平移的牽連運(yùn)動(dòng)就會(huì)受到阻力，也就是操作者需要為此出力，所以vr應(yīng)該大于ve，也不可太大，否則棗子從棗吊脫離的初速度將大增，破損率增加。由此確定vr最小為0.15 m/s，則梳齒轉(zhuǎn)速為：

ω>vr/a=7.5 rad/s=72r/min

如果本機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速不變，那么所選減速電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)速需大于72 r/min，而且以上計(jì)算也得出所需力矩至少為0.64 N·m。據(jù)此，選用永磁直流行星齒輪減速電機(jī)45GX4568R-12V-98?？蛰d轉(zhuǎn)速為98 r/min，額定轉(zhuǎn)速為73.5 r/min，額定力矩為0.75 N·m，額定電流為

1.2 A，重約885 g。

蓄電池容量選擇，雖說蓄電池置于地面，也需控制重量，其容量計(jì)算：

Q≥KIT/η[1+α（t-25）≈14AH

其中，K為安全系數(shù)，取1.25；I為工作電流（A）；T為放電小時(shí)數(shù)，取8 h；η為放電容量系數(shù)，取0.94；α為電池溫度系數(shù)，取0.008；t為環(huán)境溫度值，取15 ℃[6]。

關(guān)于電氣控制器，采用簡(jiǎn)單的繼電器電路，并配有電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)的功能，當(dāng)梳齒受力過大，自動(dòng)切斷供電，在按下復(fù)位按鈕后，可再次啟動(dòng)電機(jī)。

3 結(jié)論

本文采用梳刷棗吊的方式落果可以極大地節(jié)省功率，如此在動(dòng)力源配備、動(dòng)力傳遞設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)都可以減輕重量。相比采用汽油機(jī)動(dòng)力的手持設(shè)備，電動(dòng)設(shè)備噪音、振動(dòng)都很小。相比振動(dòng)果枝的落果裝置，操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度也更小。所以本文介紹的紅棗收獲機(jī)結(jié)構(gòu)更具應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯：劉昀）