張希峰,鞏彬,宮玉敏,陳金利,司愛麗,翟鳳起

花椒懸浮特性分析與收獲機(jī)設(shè)計(jì)

張希峰1,鞏彬1,宮玉敏1,陳金利1,司愛麗2,翟鳳起2

1. 淄博市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所, 山東 淄博 255086 2. 淄博市淄川區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械事業(yè)服務(wù)中心, 山東 淄博 255100

針對(duì)目前花椒采摘效率低、收集困難等問題，設(shè)計(jì)一款高效氣吸式花椒采摘裝置。對(duì)花椒物理特性外形尺寸和重量進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算懸浮速度；用FLUENT仿真模擬花椒粒在不同狀態(tài)的直管和彎管中的運(yùn)動(dòng)軌跡；設(shè)計(jì)兩種采摘頭和輕便的背負(fù)式負(fù)壓收集倉(cāng)；制作樣機(jī)試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果得到花椒果實(shí)為平均長(zhǎng)5.66 mm、寬5.12 mm、厚4.96 mm的橢球形，平均重0.075 g；計(jì)算得到懸浮速度11.72 m/s；仿真試驗(yàn)得到花椒在豎直、向下的管中與管壁摩擦碰撞少，在彎管拐角處易發(fā)生碰撞；樣機(jī)試驗(yàn)表明采摘效率大大高于人工，且能同步收集；兩種采摘頭試驗(yàn)對(duì)比，得到最優(yōu)方案。該方法和設(shè)計(jì)能夠滿足花椒采摘需要，研究結(jié)果可為花椒采摘設(shè)備研制與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

花椒; 懸浮性; 收獲機(jī)

花椒是木本佐料植物，因果簇繞枝條各方向均有分布，且不規(guī)律，帶刺且怕傷枝，果皮油囊不耐擠壓而導(dǎo)致機(jī)械化采摘十分困難[1,2]。因此，人工采摘仍是當(dāng)前花椒采收的主要方法。然而，人工采摘易扎手、耗時(shí)長(zhǎng)、效率低；花椒采摘周期短，成熟椒易脫落等，致使花椒采摘成本居高不下[3-7]。

目前，花椒采摘機(jī)械裝置主要主要分3類。第1類：剪切式、鋸形式等小型手持式采收機(jī)械，如剪刀、拇指刀、孫老師牌雙刀口、金手指牌鋸齒形等，但不同程度存在采摘率低、收集困難等問題[8-10]；第2類：大型采收機(jī)械裝置，例如鄭洲洲發(fā)明的一種半自動(dòng)花椒采摘機(jī)[11]，目前這類設(shè)備在試驗(yàn)研發(fā)階段，且存在著體積大、重量大、不靈活等問題；第3類：花椒采摘機(jī)器人，例如蘭州理工大學(xué)楊萍、劉蒙蒙等研究的花椒采摘機(jī)器人[12]，這類設(shè)備目前依然在實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段，距離實(shí)際使用還有一定的距離，技術(shù)還不夠成熟。為此，研發(fā)一款具有效率高、損傷小、易于攜帶、采收一體等特點(diǎn)的花椒收獲機(jī)具有重要意義。

在利用氣力進(jìn)行收獲、輸送、清選等方面已經(jīng)有相關(guān)的研究和應(yīng)用[13]。王學(xué)農(nóng)等對(duì)巴旦木殼仁混合物料風(fēng)選進(jìn)行了相關(guān)研究[14]；于福峰、張鳳奎等研究了紅棗的懸浮速度特性及撿拾機(jī)設(shè)計(jì)[15,16]；馬秋成等研究了蓮子的空氣動(dòng)力學(xué)特性和殼仁負(fù)壓分離技術(shù)[17]；曹成茂等對(duì)山核桃殼仁的風(fēng)選進(jìn)行了相關(guān)研究和試驗(yàn)[18]；侯華銘等研究了利用氣吹清選糧油作物[19]。利用氣力進(jìn)行花椒的收集也是一種非常好的方法。

針對(duì)目前花椒采摘機(jī)械存在的問題，運(yùn)用氣吸收集技術(shù)，設(shè)計(jì)一款高效氣吸式收獲機(jī)：負(fù)壓式收集裝置實(shí)現(xiàn)采收一體，收集過程無機(jī)械擠壓大大減少對(duì)花椒的損傷，提高采摘效率的同時(shí)保證花椒質(zhì)量；高效采摘頭對(duì)花椒快速采摘；柔性收集管實(shí)現(xiàn)采摘頭不同方向的轉(zhuǎn)換和花椒傳輸，具有高度適應(yīng)性。

1 花椒果實(shí)物理特性測(cè)試與關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

1.1 花椒果實(shí)物理特性

研究花椒的物理特性，為后續(xù)設(shè)計(jì)、計(jì)算提供理論依據(jù)。對(duì)花椒果實(shí)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試對(duì)象選取處于成熟期的新鮮花椒，分別測(cè)試花椒果實(shí)的外形尺寸和重量。

測(cè)外形尺寸時(shí)，隨機(jī)選取10?；ń?。經(jīng)觀察和測(cè)量，花椒果實(shí)的形狀近似橢球形，分別用游標(biāo)卡尺測(cè)量花椒的長(zhǎng)a、寬b和厚c，如圖1。結(jié)果記錄如下表1。

分10組進(jìn)行測(cè)量，每組隨機(jī)選取30粒新鮮花椒。對(duì)每組花椒進(jìn)行稱重，記錄于表2。

圖 1 花椒果實(shí)外形

表 1 花椒果實(shí)外形尺寸和重量

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)得花椒果實(shí)的平均長(zhǎng)5.66 mm，平均寬5.12 mm，平均厚4.96 mm。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)得到每?；ń返钠骄亓?.075 g。

由花椒果實(shí)的重量和外形尺寸計(jì)算得到密度=997kg/m3。

1.2 花椒果實(shí)懸浮風(fēng)速計(jì)算

1.2.1 花椒果實(shí)受力計(jì)算豎直管道中，氣流的動(dòng)力與物料的重力處于同一直線。水平管道中，氣流的動(dòng)力方向與花椒重力方向垂直，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更復(fù)雜。在計(jì)算氣流速度時(shí)，一般以豎直管道中的懸浮速度為依據(jù)[20]。在豎直管道中，花椒果實(shí)受到重力、向上的氣流壓力、空氣浮力1。根據(jù)前面測(cè)量結(jié)果，當(dāng)花椒果實(shí)迎風(fēng)截面最小時(shí)，受到的氣流動(dòng)力最小。

式中：C-阻力系數(shù)，-截面積，-花椒寬，-花椒厚，-氣流流速，-空氣密度。

式中：V-花椒果實(shí)體積，-花椒長(zhǎng)，-重力加速度。

臨界狀態(tài)下，花椒果實(shí)懸浮于流場(chǎng)中，受力達(dá)到平衡既=1。得到：

1.2.2 阻力系數(shù)確定阻力系數(shù)Cd的取值根據(jù)雷諾系數(shù)和顆粒直徑來確定[15,18,21]。

式中：d-花椒果實(shí)直徑，取5.5 mm，-流體速度，取12 m/s，-空氣動(dòng)力粘度，取0.018 mPa?s。計(jì)算得到=4437。

得到0.13≤d≤7.15。前面得到花椒果實(shí)小徑4.96 mm，大徑5.66 mm。符合Newton區(qū)粒徑條件。

根據(jù)雷諾系數(shù)和粒徑范圍，得到阻力系數(shù)為常數(shù)，C=0.44。

將速度公式中各參數(shù)，氣=1.21 Kg/m3，=5.66 mm，=5.12 mm，=4.96 mm，=0.075 g，=9.8 m/s2，代入公式，得花椒果實(shí)理論懸浮風(fēng)速為=11.72 m/s。

1.3 模擬仿真計(jì)算

FLUENT在流體仿真方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，能夠大大縮減多次試驗(yàn)成本，在物料的運(yùn)輸模擬、烘干模擬、篩選等多方面都可以進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)用[22-24]。為了了解花椒在收集管路中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)花椒在收集管中運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，觀察花椒粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為了更好地在FLUENT中進(jìn)行仿真，將橢球型花椒粒簡(jiǎn)化為等效的球體，簡(jiǎn)化原則：重量不變、球體的截面積與橢球型花椒最小迎風(fēng)截面積相等。得到簡(jiǎn)化后等效球體的直徑5.04 mm，密度1119 kg/m3。

設(shè)置入口風(fēng)速12.6 m/s情況下分別對(duì)直管和彎管進(jìn)行豎直、傾斜、水平等狀態(tài)下進(jìn)行仿真，模擬不同狀態(tài)不同管路中花椒粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過仿真得到花椒粒的運(yùn)動(dòng)軌跡如下。

不同狀態(tài)直管中花椒粒的運(yùn)動(dòng)軌跡如下圖2。

圖 2 直管中運(yùn)動(dòng)軌跡

由上述結(jié)果得到，豎直向下管道中花椒粒運(yùn)動(dòng)最快，最易被收集，斜向下的管道中運(yùn)動(dòng)速度次之，在豎直向上管道中花椒粒運(yùn)動(dòng)最慢；傾斜管和水平管中花椒和管壁的摩擦碰撞比豎直管要多，傾斜向上管道比水平和斜向下管道碰撞多。

不同狀態(tài)彎管中花椒粒的運(yùn)動(dòng)軌跡如下圖3。

圖 3 彎管中運(yùn)動(dòng)軌跡

由上述結(jié)果得到，花椒粒在管道中運(yùn)動(dòng)速度與直管中類似，豎直向下部分最快，然后依次斜下、水平、斜上，豎直向上最慢；先向上再向下運(yùn)動(dòng)的管內(nèi)比先向下再向上運(yùn)動(dòng)的管內(nèi)運(yùn)動(dòng)更快，更易收集；花椒粒在管道中與管壁的碰撞情況與直管類似；花椒粒在彎管拐角處易與管壁發(fā)生碰撞。

綜上，在花椒收獲時(shí)盡量減少收集管的拐角，同時(shí)盡量使收集管豎直向下或斜向下。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 工作原理與總體結(jié)構(gòu)

2.1.1 工作原理采摘頭將花椒快速采摘，收集倉(cāng)中的風(fēng)機(jī)工作使收集倉(cāng)和收集管內(nèi)形成負(fù)壓氣流將采摘下的花椒吸進(jìn)收集管，最終到達(dá)收集倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行收集和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)花椒快速采收。

2.1.2 總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括：采摘頭總成、負(fù)壓收集倉(cāng)總成、收集管等主要部分。

1.采摘頭總成 2.收集管 3.收集倉(cāng)總成

2.2 收集倉(cāng)設(shè)計(jì)

工作原理：風(fēng)機(jī)工作將倉(cāng)體和管路內(nèi)空氣帶走，使收集倉(cāng)、收集管內(nèi)形成負(fù)壓氣流，采摘下來的花椒被收集、儲(chǔ)存到收集倉(cāng)內(nèi)，收集倉(cāng)滿以后，打開卸料口倒出花椒。

收集倉(cāng)主要由：倉(cāng)體、背架總成（含軟墊和背帶）、風(fēng)機(jī)總成（包含電機(jī)、風(fēng)機(jī)、除塵、密封等）、電池等構(gòu)成。收集倉(cāng)的風(fēng)機(jī)入口等各外接口都有密封裝置保正倉(cāng)體的密封性能。

2.3 收集管選擇

內(nèi)壁光滑，減少風(fēng)阻和花椒摩損；軟管，利于采摘頭靈活操作；有足夠抗外壓能力，防止被壓扁；有足夠剛性，確保收集管不會(huì)出現(xiàn)對(duì)折造成管路堵塞。

2.4 采摘頭設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)兩種結(jié)構(gòu)的采摘頭：方案1如圖5、方案2如圖6所示。

圖 5 方案1

圖 6 方案2

（1）方案1：梳割一體式采摘頭，如圖5，主要由：電機(jī)1、本體2、梳割裝置總成3（傳動(dòng)軸上均布有3組帶氣流通孔的梳齒和刀片）、切割刀片4側(cè)蓋5等組成。

工作原理：電機(jī)帶動(dòng)梳割裝置旋轉(zhuǎn)，花椒在梳割裝置旋轉(zhuǎn)拉扯下進(jìn)入采摘頭，在切割和梳刷作用下被采摘。

采摘頭的采摘方式為切割和梳刷。切割：花椒進(jìn)入采摘頭，梳割裝置上的刀片單獨(dú)或與本體上的切割刀片配合對(duì)花椒梗切割；梳刷：花椒受到梳齒的拉力，拉斷花椒?；蜻B接花椒果實(shí)的細(xì)枝?；ń反氐拇笮『托螤畈槐M相同，在采摘時(shí)兩種切割動(dòng)作和梳刷動(dòng)作配合進(jìn)行也可能單獨(dú)進(jìn)行。

（2）方案2：旋切式采摘頭，如圖4，主要由本體1、電機(jī)2、花椒通道3、動(dòng)刀4、定刀5、固定塊6等組成。

工作原理：電機(jī)帶動(dòng)動(dòng)刀高速旋轉(zhuǎn)，花椒進(jìn)入采摘頭被高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)刀與定刀配合切下。

3 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，以及測(cè)試不同方案采摘頭的采摘效果，根據(jù)前面的設(shè)計(jì)原理和方案，制作試驗(yàn)樣機(jī)并在花椒園實(shí)地進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，樣機(jī)如圖7。

首先，測(cè)試整體方案的合理性，操作人員背負(fù)試驗(yàn)樣機(jī)，手持采摘頭在花椒園實(shí)地進(jìn)行采摘試驗(yàn)。其次，根據(jù)不同的采摘頭方案，分別進(jìn)行試驗(yàn)。如圖8。

圖 7 試驗(yàn)樣機(jī)

圖 8 實(shí)地試驗(yàn)

通過試驗(yàn)，得到結(jié)果如下：

1）收獲機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)花椒快速采摘并同步收集，采收效率大大高于人工。

2）方案1試驗(yàn)結(jié)果如圖9a)，能快速采摘；部分花椒成小簇采摘下來，部分花椒為粒狀；只有極少花椒果實(shí)掉出，可以忽略。

3）方案2試驗(yàn)結(jié)果如圖9b)，能快速采摘；破損量很少；采摘的花椒大多為粒狀；有很小部分花椒從采摘頭飛出未被收集。

圖 9 試驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，兩種方案都能實(shí)現(xiàn)快速采摘花椒；質(zhì)量方面：方案1比方案2花椒破損少；收集方面：方案1比方案2掉落未被收集起來的花椒果實(shí)少。綜合來看方案1采摘效果最優(yōu)。

4 結(jié) 論

（1）測(cè)試研究了花椒果實(shí)的物理特性，得到花椒果實(shí)為平均長(zhǎng)5.66 mm、寬5.12 mm、厚4.96 mm的橢球形，平均重0.075 g。計(jì)算花椒懸浮風(fēng)速11.72 m/s，F(xiàn)LUENT仿真得到運(yùn)動(dòng)軌跡顯示花椒粒在豎直、向下的收集管中與管壁摩擦碰撞少，在彎管拐角處易與管壁發(fā)生碰撞；

（2）設(shè)計(jì)了一款能快速采摘，同時(shí)運(yùn)用負(fù)壓氣吸實(shí)現(xiàn)同步收集的花椒收獲機(jī)，包括背負(fù)式收集倉(cāng)，柔性收集管，兩種快速采摘頭。樣機(jī)實(shí)地試驗(yàn)，表明氣吸式花椒收獲機(jī)設(shè)計(jì)合理可行，采摘效率大大高于人工，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和對(duì)比，得到了效果最優(yōu)的采摘頭方案；

（3）花椒收獲機(jī)的設(shè)計(jì)，大大減少了人工采摘時(shí)間、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、避免了扎傷等傷害、大大提高生產(chǎn)效率，在社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益都起到顯著效果；花椒收獲機(jī)的研究、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，為以后花椒采收設(shè)備的進(jìn)一步深入研究和制作，提供了依據(jù)和借鑒。

[1] 黎書文,楊海誠(chéng),陸玉雪.基于SolidWorks的手持式花椒采摘器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真[J].貴州農(nóng)機(jī)化,2019(4):4-7

[2] 付子桐,嚴(yán)文超.基于太陽(yáng)能電池供電的花椒采摘器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].食品機(jī)械,2020,41(6):233-236

[3] 劉安成,尉倩,崔新愛,等.花椒采收現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2019,40(3):84-87

[4] 李瑞,武逸凡,李守太,等.基于ANSYS Workbench和ADAMS的振動(dòng)式花椒采摘機(jī)仿真分析及參數(shù)優(yōu)化[J].西南大 學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2021,43(12):57-66

[5] 萬芳新.花椒采摘機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,42(4):1229-1230

[6] 楊萍,郭志成.花椒采摘機(jī)器人視覺識(shí)別與定位求解[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2020,43(3):121-129

[7] 馮亞利,彭俊,孫世鵬,等.收獲期花椒的力學(xué)特性與形態(tài)特征測(cè)定與分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2017(7):43-47

[8] 郭文杰,李彥榮,安建軍.手持機(jī)械式花椒采摘機(jī)的分析探究[J].農(nóng)機(jī)使用與維修,2019(4):5-6

[9] 張文斌.新型梳齒式摘花椒機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015(9):147-150

[10] 王峰.負(fù)壓吸收式花椒采摘機(jī)設(shè)計(jì)[J].科技展望,2016(26):136

[11] 鄭洲洲.一種半自動(dòng)花椒采摘機(jī):中國(guó),201921951763.9[P].2010-07-14

[12] 劉蒙蒙.花椒采摘機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)機(jī)器關(guān)鍵技術(shù)研究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2019

[13] 溫翔宇,賈洪雷,張勝偉,等.基于EDEM-Fluent耦合的顆粒肥料懸浮速度測(cè)定試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2020,51(3):69-77

[14] 王學(xué)農(nóng),邊博,吐魯洪·吐爾迪,等.巴旦木物料殼仁風(fēng)選裝置試驗(yàn)及參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2021,37(6):299-306

[15] 于福鋒,李平,張鳳奎,等.紅棗懸浮速度特性試驗(yàn)測(cè)定與分析[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2020,41(6):99-105

[16] 張鳳奎,于福峰,李忠杰,等.氣吸式落地紅棗撿拾機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].果樹學(xué)報(bào),2019,37(2):278-285

[17] 馬秋成,盧安舸,高連興,等.蓮子物料空氣動(dòng)力學(xué)特性與殼仁分離裝置試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(6):297-303

[18] 曹成茂,羅坤,彭美樂,等.山核桃物料風(fēng)選機(jī)理與風(fēng)選性能試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2019,50(9):105-112

[19] 侯華銘,崔清亮,郭玉明,等.氣吹式糧油作物脫出物清選懸浮速度測(cè)量裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué) 報(bào),2018,34(16):43-49

[20] 孫鳴儀.氣吸式紅棗撿拾機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)分析[D].新疆:塔里木大學(xué),2016

[21] 楊倫,謝一華.氣力輸送工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006

[22] 魏新龍,李三平,吳立國(guó),等.基于Fluent的核桃?guī)竭B續(xù)烘干機(jī)設(shè)計(jì)[J].食品與機(jī)械,2021,37(12):80-88

[23] 戴飛,趙武云,付秋峰,等.雙風(fēng)道風(fēng)篩式胡麻脫粒物料分離清選機(jī)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué) 報(bào),2021,52(7):83-92

[24] 張濤,李紅文.管道復(fù)雜流場(chǎng)氣固兩相流DPM仿真優(yōu)化[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版),2015,48(1):39-48

Analysis of Suspension Characteristics of Pepper and the Harvester Design

ZHANG Xi-feng1, GONG Bin1, GONG Yu-min1, CHEN Jin-li1, SI Ai-li2, ZHAI Feng-qi2

1.,255086,2.,255100,

Aiming at the problems of low picking efficiency, difficult collection of pepper, an efficient air suction pepper picking device was designed. The physical characteristics of Zanthoxylum bungeanum’s dimensions and weight were tested, and the suspension velocity was calculated. FLUENT was used to simulate the movement trajectories of Zanthoxylum bungeanum in different states of straight pipes and curved pipes. Two kinds of picking heads and light negative pressure collection bin of backpack were designed. A prototype was made and test. The test results show that the Zanthoxylum bungeanum is an ellipsoid with average length of 5.66 mm, width of 5.12 mm, and thickness of 4.96 mm, with an average weight of 0.075 g. The theoretical calculated suspension velocity is 11.72 m/s. The simulation test shows that the Zanthoxylum bungeanum have less friction and collision with the pipe wall in the vertical and downward collecting pipes, and collisions are easy to occur at the corners of the elbows. The prototype test shows that the picking efficiency is much higher than Manual, and can be collected synchronously. Two kinds of picking heads were compared to obtain the optimal solution. The method and design can meet the needs of pepper picking, The research results can provide a theoretical basis for the development and optimization of pepper picking equipment.

Pepper; suspension; harvester

S225.93

A

1000-2324(2022)06-0963-06

2022-03-27

2022-04-15

張希峰(1988-),男,碩士,工程師,主要從事農(nóng)業(yè)裝備研發(fā). E-mail:852213260@qq.com

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.06.024