大枣收获机设计

艾建军　高韶坤　刘建敏

摘 要：针对河北阜平大枣设计了一款收获机器，打枣装置采用曲柄连杆机构，对枣树枝进行高频率低振幅的上下往复振动，实现机械化打枣，收枣装置采用负压原理，由汽油机带动高压轴流风机的运转，使箱体内部与外部产生压力差，从而将地面上的枣吸入箱体内部，完成大枣的收集。本装置预期达到生产率≥30株/h；采净率≥80%，初步确定该打枣装置的振动频率400～500次/min，振幅为20～30mm。

关键词：大枣；打枣装置；曲柄连杆；收枣装置；压力差

中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1672-3198（2015）14-0218-02

1 打枣装置设计

1.1 打枣方案设计

方案一：水平横向拉动树干振动。

此种方法在一些矮化密植的枣树上有应用，如新疆，但本设计针对河北阜平大枣，这里的枣树历史悠久，树干高大，直径较粗，因此水平方向拉伸需要消耗较大的功率且不能保证落果率，不予采用。

方案二：打枣杆在豎直平面内一定幅度摆动，击打树冠。

在人工收枣时经常采用此种方法，但经常是作为其他收枣方式的辅助，比如落果不完全时，用长度约2米的韧性枝条作为工具直接击打未落果的树枝，优点是操作灵活，落果率高，不足之处是由于对枣树枝条进行横向击打，枣的运动方向为水平出发的抛物线，落地方向里枣树较远，收集困难。如果以机械方式完成全部落果，由于树干较高，有的甚至高度达到12米，在初期需要对枣树树冠进行摆幅较大的击打，力矩较大，消耗的功率就多，所以此方案不予采用。

方案三：竖直方向依次振动树冠主要枝条。

采用小幅高频树冠振动方式，用连接杆迫使树冠做小幅高频震动，当树枝上的红枣所受惯性力大于果柄拉力时，红枣与果树脱离，从而实现红枣的采收。此方案落果率高，且枣的掉落位置就在枣树的周围，收集方便，予以采用。

1.2 打枣装置整体结构

为了适应工作位置移动要求，整个打枣装置安装在一个带轮子的底板上，用手推动机构移动位置。采用汽油机作为动力源，带动固定在汽油机上的带轮转动，主动带轮带动从动带轮，即实现对汽油机的降速，带轮传动能吸收运动传递过程中的震动，尤其是机构在颠簸的坡地上运动时，由于曲轴与从动带轮同轴，所以从动带轮的转动带动曲轴转动。曲轴的转动带动铰接在其上的打枣杆上下往复运动，可调节高度的打枣杆通过顶端钩子链接枣树的树枝上。通过杆件的上下运动带动枣树枝的上下振动使枣掉落，最终实现高效打枣，节省了人力。

曲柄做圆周运动的转速由带轮的转速和传动比大小控制，而带轮的转速是根据汽油机动力输出轴的转速而调节的。因此只要调整汽油机的功率，输出转速便随之改变，就可实现振动频率的改变以适应不同直径大小、不同成熟度果园大枣的采收，如图1所示。

1.3 打枣关键部件设计

1.3.1 振动频率和振幅的确定

大枣振动采收装置的工作过程是将振动机构产生的机械振动传给枣树枝，果枝受到外加的强迫振动后以一定的频率和振幅（与振动机构的频率和振幅不同）振动，这样就使大枣果实因振动而加速运动，从而受到惯性力的作用。当惯性力大于大枣果实与果柄之间的连结力时，大枣就会被振落。科学研究与实践表明，大枣受到振动时的运动很复杂，机械振动采收大枣时，虽然果实受到的强迫振动是在某一个平面内，大枣却可以在做任意振动，大枣果实受到强迫振动后的主要形式为摆动，而摆动可以作为振动采收时的主要运动形式，简化后枣树及其受到的振动力的情况见图2，其中L1为树干长度L2为大枣果枝长度。

从上述计算结果可知：运动由打枣杆带给果实的胁迫简谐运动和果实的自由振动组成，这样可得出果实的基本运动规律，就可以求出作用在红枣果实上的法向分力Fs和切向分力Fn分别为：

Fs=mLθ·2，Fn=mLθ··

式中：θ·——大枣果实摆动的角速度；

θ··——大枣果实摆动的角加速度。

Fs与Fn的大小由摆动倾角θ决定，而θ由F（t）决定，那么就可以根据大枣果柄的强度、大枣果实质量来选择振动机构的振动频率和振幅，初步确定该采收装置的振动频率为400～500次/min，振幅为20～30mm。

1.3.2 曲柄连杆机构的设计

曲柄连杆机构如图4所示，能将发动机的圆周运动转化为连杆往复直线运动，本机采用偏距为20～30mm的偏心式曲柄连杆方式连接，以此实现较小行程的往复直线运动，满足设计需求。偏心式曲柄的动力是由便携式汽油机的动力经带传动输入的。

2 收枣装置设计

2.1 收枣方案设计

按照实际情况将大枣分为四种颗粒大小，所以收枣装置需要不同大小的进气口。

方案一：将进气口与红枣收集机分开设计，设计四种不同大小的进气口，收集不同颗粒大小的大枣时，只需更换进气口即可。

方案二：将进气口设计在红枣收集机的箱体底部，按照四种不同颗粒大小的红枣中的最大红枣进行设计，适合收集所有颗粒大小的红枣。

本设计选用方案一，可以根据红枣的颗粒大小来选择进气口，并且进气口损坏仅需更换即可，而且根据需要更换不同大小的进气口后可以调节汽油机的输出功率，可以减少燃料的损耗。而方案二有着很大的局限性，而且大大的增加了箱体的长度。

2.2 收枣装置整体结构

汽油机的旋转运动经减速箱减速后，带动高压轴流风机的运转，将箱体内部的气体排出，使之箱体内外产生压强差，在进气口出产生吸力，将掉落在地的大枣收集进入收集箱内，完成对大枣的收集，如图4所示。

2.3 收枣关键参数设计

2.3.1 风压

大枣从地面上被吸入进气口所用的时间：

t≤0.40.4=1s

大枣所收的加速度，由S=vot+12at2且进气口距地面的高度h=0.01m，得：

a=0.02m/s2

大枣的直径为：2～2.5cm，所以大枣收集机构可最多同时吸入的红枣数为：n=0.2/0.02=10；

所以同时吸入的大枣的总质量：m=10×0.02=02kg

大枣收集机械对大枣产生的吸力F=m（a+g）=0.2×10.02=2.004N

考虑到进气口处的气体损失，取F=4N

所以箱体内外压强：p=FS=40.05×0.2=400Pa

通风机的主要性能参数是风量、风压、轴功率和效率，下面进行具体分析。

2.3.2 风量Q

风量指以风机进口状态的气体体积流量（m3/h），又因通风机的压缩比比较小，故可以忽略进、出风机流量的变化。

进气口处气体的速度：vt=0.4/1=0.4m/s；

所以风量Q=vt·t·0.2·0.05=0.4·0.2·0.05·1=0.04m3/s。

2.3.3 风压Pt

单位体积气体流经风机所获得的能量，单位为N/m2。这里，不用压头而改用风压。因为对于气体，压头的含义是单位重量气体流经风机所获得的能量，单位是N·m/N气柱。那么，1Kpa的壓力就相当于102m气柱。可见，对于气体，若采用压头表示，数值太大，使用不便。若改用单位体积流经风机所获得的能量表示，可直接使用压强单位，故称为风压。

若以每立方米气体为基准对风机进出口列出机械能衡算式，并忽略进出口位差变化和进、出风管的阻力损失可得下式：

当风机是由静止的大气吸入气体，而且气体压力按表压力计时，则因u1=0和p1=0故得风机的全风压为：

2.4.3 轴功率和效率

3 结束语

河北省阜平县枣产业发达，但是至今还没有帮助枣农实现机械化打枣的高效农业机械，仍然依靠传统的枣杆人工打枣，人工捡枣方式，增加枣农劳动强度，影响收枣效率，从一定程度上制约了枣农业的发展。本设计通过调查分析，研究传统打枣原理，进行优化分析，最终设计了一款高效大枣采收机械，将枣农从劳累的劳动中解放出来，产品设计小巧、简单，在不用经过任何培训的情况下，一个人即可实现高效率的打枣、收枣。

参考文献

[1]杨红英.矮化密植红枣采收装置的设计[J].农机化研究，2012，（6）.

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