手持式电动红枣收获机设计

亢石磊+乔艳芳

（1.山西农业大学工学院，山西晋中 030801；2.山西农业大学资源环境学院，山西晋中 030801）

摘 要 为了适应山区、丘陵地貌传统种植模式下红枣的收获需要，设计了一种针对枣吊进行梳刷落果的收获机。该机由蓄电池驱动，蓄电池和电机控制器放置于地面，操作者手持部分由直流减速电机、操作杆和摘果装置组成。其主要特点是采用梳刷落果装置，将动力源从操作者身上剥离，尽一切可能减轻操作者的劳动强度，非常适合大型机具无法进入的地块的红枣落果。

关键词 红枣收获机；梳刷落果；直流驱动

中图分类号：S225.93 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.24.077

红枣是我国的特色林果，在新疆和沿黄河流域广有分布，是当地重要的经济作物。然而一直以来，红枣的收获依靠人工，效率低、成本高、劳动强度大，而且近些年农村劳动力短缺的问题日益突出，导致了红枣回收率低，经济损失重大。针对这个现实问题，新疆一些高校、科研机构进行了一些研究，由于新疆很多采用矮化密植的种植模式，所研究设计的都是可以在大间距的行间行走的大功率设备，比如2009年新疆农垦科学院研制的4YS-24型红枣收获机；2012年石河子大學研制的4ZZ-4的自走式红枣收获机；2012年塔里木大学研制的杆棒式红枣采摘机，都属此类，这类设备对农艺的要求高。同时，针对传统种植模式（非矮化密植）红枣的收获也进行了研究，设计了手持式红枣振动收获机，采用汽油发动机作为动力源，通过振动枝条进行落果，该设计将很重的汽油机由操作者负担，而且振动落果以操作者为支点极易疲劳，振动落果相比梳刷落果需要更多的能量，所以动力传递部件的质量更大，这些结构配置带来的特点都将加剧操作者的劳动强度，严重制约了其实际应用[1-3]。

为此，笔者设计了一种采用梳刷枣吊的方式进行落果的红枣收获机，相邻梳齿与红枣直接接触，通过梳齿的不断旋转使枣柄受拉断裂，这样机器做的功直接作用于果实，相比作用于果枝，所需功率小，对果枝损伤小、操作者劳动强度小。且本机将动力源-蓄电池置于地面也是优于汽油机作为动力的结构形式。本机设计中通过结构的、材料的一些措施来尽可能地减轻手持部分的质量，以符合手持设备的使用要求。

1 结构设计及工作原理

1.1 总体结构简图

手持式电动红枣收获机结构简图如图1所示。该收获机主要由置于地面的蓄电池及电机控制器、电源线及控制线、直流减速电机、碳纤维操作杆、尼龙轴承、碳纤维传动轴、摘果机构、控制按钮等组成。摘果机构是该机的核心部件，如图2所示，由一对锥齿轮、一对圆柱齿轮、尼龙轴承、两根碳纤轴、壳体、梳齿构成。

1.蓄电池及电机控制器；2.电源线及控制线；3.减速电机；4.操作杆；5.尼龙轴承；6.传动轴；7.摘果机构；8、9、10.控制按钮。

手持式电动红枣收获机结构简图

1、2.锥齿轮；3.壳体；4.轴承；5、9.传动轴；6.梳齿；7、8.直齿轮；10.操作杆。

摘果机构结构简图

1.2 工作原理及工作过程

收获机采用直流减速电动机作为动力机，由于本机是通过梳刷枣吊摘果，所需动力较少，所以选用质量小、体积小、噪音小的直流减速电机。如图1中所示直流减速电机3受蓄电池与电机控制器1的电流驱动与保护控制，图2中的3与10共同构成了机架，支撑着其他部件。动力经由减速电机输出后传到操作杆芯部的传动轴，再在其末端通过锥齿轮改变旋转方向，再通过一对直齿轮传到梳齿，最终梳齿旋转对枣吊进行梳刷落果。

2 主要工作部件的设计计算

2.1 摘果梳齿的设计

摘果梳齿是该收获机的关键部件，性能优劣直接关系到作业效率、果实损伤率和回收率。依据红枣样本测量的数据得知直径基本都在15.75～18.16 mm的范围[4]，所以梳齿槽间齿槽宽度必须小于红枣最小直径。在梳刷落果的过程中，枣吊会进入齿槽，枣吊上除了有果实还有叶子，在截留所有的果实的同时，还需要为叶子留下足够的通过空间以降低含杂率，而且梳齿还需与果实有足够的接触深度，鉴于这些要求，梳齿间齿槽宽度s取10 mm。

经过对完熟期枣吊间距的观察测量，由于果实堆垒，其间距都在20 mm以上，所以相邻梳齿中心距s+d取20 mm，这样相邻枣吊不会挤进同一个齿槽，造成拥堵以致拉断枣吊。

梳齿齿槽宽度与梳齿中心距确定以后，梳齿直径也就确定下来了，d取10 mm。梳齿的设计很关键，包括结构设计和材料选择。在结构上根部较长一段为直径不变的圆管，只在前端做成直径减小并向下倾斜，如图3所示，这样可以保证果实与梳齿接触后不会脱出。梳齿长度L根据可能同时进入两个枣来设计，取50 mm。材料上芯部采用刚性圆管，外表包胶处理，这样既能保证受力又能不伤果实。

图3 梳齿简图

在一个截面上梳齿的数量关系到电机功率大小、输出功率的平稳性等，图4是一个截面上不同梳齿数量的摘果机构的工作简图。a图为只有1个梳齿的构造，如要实现高效率落果，就得提高转速，这样在相同阻力矩的情况下必须要增加功率，而且功率输出也不平稳；b图为有2个梳齿的构造，比一个梳齿的情况梢好，但是仍然存在这同样的问题；d图为有4个梳齿的构造，在相同摘果频率的情况下转速可以降低，从而输出转矩最大，功率输出也最平稳，但是梳齿的固定不便，所以最终选择c图有3个梳齿的构造，在保证摘果频率的情况下能最大限度地降低转速提高输出转矩，还能很好地解决梳齿固定的问题。

1.木本枝干；2.梳齿；3.叶子；4.枣子；5.枣吊；6.梳齿轴。

图4 不同数量梳齿的摘果机构

考虑到梳齿固定与轴承选型的需要，梳齿轴选用外径20 mm的碳纤维管。

2.2 收获机动力计算

依据红枣样本测量的数据得知枣柄平均连接力为3.21 N[4]，综合考虑高效率与枝干少变形，暂定一个沿梳齿轴轴向齿的数量n=10，这样按照最大负荷（即每个齿槽中同时有一粒枣被梳齿刷到）计算得梳齿受力为：

F=（n-1）×3.21=28.89N

枣子进入齿槽后会随着梳齿轴的旋转向梳齿根部滑动，如图3所示，枣柄距离梳齿轴中心距离a约为20 mm，果实对摘果机构的阻力矩为：

Tr=F×a=0.58 N·m

直流减速电机输出的动力经操作杆芯部的传动轴传到一对尼龙锥齿轮，再由一对圆柱齿轮最终传递到梳齿轴上，经过7个尼龙轴承2对尼龙齿轮。由于尼龙零件表面光滑摩擦损失小，该传动系统的效率η高达90%[5]，直流电机的额定输出力矩为：

T≥Tr/η=0.64 N·m

由于摘果梳齒的运动近似匀速运动，所以计算是从静力学的角度来进行的，未考虑运动部件的质量，但是依然要适当加大减速电机的输出力矩，以此来保证对枣柄的足够拉力。

关于梳齿轴转速，由于梳刷枣吊是靠操作者从上而下平移机架的同时摘果梳齿的旋转而实现的，所以如图3中水平位置时梳齿的摘枣点处的绝对速度是，其中牵连速度是机架向下平移的速度，相对速度是由于梳齿旋转产生的速度，此刻摘枣点处也竖直向下，所以此时的数值为和的代数相加，其方向竖直向下。首先需要定下一个数值，就是机架的牵连运动速度，也就是操作者手部向下运动的速度，大约为0.15 m/s。梳齿根部摘枣点需要的相对转速ω是最高的，所以就以该点进行计算，如vr小于ve，机架向下平移的牵连运动就会受到阻力，也就是操作者需要为此出力，所以vr应该大于ve，也不可太大，否则枣子从枣吊脱离的初速度将大增，破损率增加。由此确定vr最小为0.15 m/s，则梳齿转速为：

ω>vr/a=7.5 rad/s=72r/min

如果本机的传动系统转速不变，那么所选减速电机的输出轴转速需大于72 r/min，而且以上计算也得出所需力矩至少为0.64 N·m。据此，选用永磁直流行星齿轮减速电机45GX4568R-12V-98。空载转速为98 r/min，额定转速为73.5 r/min，额定力矩为0.75 N·m，额定电流为

1.2 A，重约885 g。

蓄电池容量选择，虽说蓄电池置于地面，也需控制重量，其容量计算：

Q≥KIT/η[1+α（t-25）≈14AH

其中，K为安全系数，取1.25；I为工作电流（A）；T为放电小时数，取8 h；η为放电容量系数，取0.94；α为电池温度系数，取0.008；t为环境温度值，取15 ℃[6]。

关于电气控制器，采用简单的继电器电路，并配有电机堵转保护的功能，当梳齿受力过大，自动切断供电，在按下复位按钮后，可再次启动电机。

3 结论

本文采用梳刷枣吊的方式落果可以极大地节省功率，如此在动力源配备、动力传递设计环节都可以减轻重量。相比采用汽油机动力的手持设备，电动设备噪音、振动都很小。相比振动果枝的落果装置，操作者的劳动强度也更小。所以本文介绍的红枣收获机结构更具应用前景。

参考文献

[1]孟祥金，沈从举，汤智辉，等.果园作业机械的现状与发展[J].农机化研究，2012（1）：238-241.

[2]散鋆龙，牛长河，乔圆圆，等.林果机械化收获研究现状、进展与发展方向[J].新疆农业科学，2013（3）：499-508.

[3]杨红英，坎杂，王丽红，等.矮化密植红枣采收装置的设计[J].农机化研究，2012（6）：77-80.

[4]范修文，张宏，马少辉，等.棒杆式红枣采摘机的设计与计算[J].塔里木大学学报，2013（9）：34-38.

[5]叶敏，俞建卫，焦明华.塑料轴承的应用特性分析[J].安徽大学学报（自然科学版），1996（12）：95-98

[6]段喜春，苑松.铅酸蓄电池科学与技术[M].北京：机械工业出版社，2015.

（责任编辑：刘昀）