大棗收穫機發明設計

摘 要：針對河北阜平大棗設計了一款收穫機器，打棗裝置採用曲柄連桿機構，對棗樹枝進行高頻率低振幅的上下往復振動，實現機械化打棗，收棗裝置採用負壓原理，由汽油機帶動高壓軸流風機的運轉，使箱體內部與外部產生壓力差，從而將地面上的棗吸入箱體內部，完成大棗的收集。本裝置預期達到生產率≥30株/h；採淨率≥80%，初步確定該打棗裝置的振動頻率400～500次/min，振幅爲20～30mm。

關鍵詞：大棗；打棗裝置；曲柄連桿；收棗裝置；壓力差

1 打棗裝置設計

1.1 打棗方案設計

方案一：水平橫向拉動樹幹振動。

此種方法在一些矮化密植的棗樹上有應用，如新疆，但本設計針對河北阜平大棗，這裏的棗樹歷史悠久，樹幹高大，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，不予採用。

方案二：打棗杆在豎直平面內一定幅度擺動，擊打樹冠。

在人工收棗時經常採用此種方法，但經常是作爲其他收棗方式的輔助，比如落果不完全時，用長度約2米的韌性枝條作爲工具直接擊打未落果的樹枝，優點是操作靈活，落果率高，不足之處是由於對棗樹枝條進行橫向擊打，棗的運動方向爲水平出發的拋物線，落地方向裏棗樹較遠，收集困難。如果以機械方式完成全部落果，由於樹幹較高，有的甚至高度達到12米，在初期需要對棗樹樹冠進行擺幅較大的擊打，力矩較大，消耗的功率就多，所以此方案不予採用。

方案三：豎直方向依次振動樹冠主要枝條。

採用小幅高頻樹冠振動方式，用連接杆迫使樹冠做小幅高頻震動，當樹枝上的紅棗所受慣性力大於果柄拉力時，紅棗與果樹脫離，從而實現紅棗的採收。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，予以採用。

爲了適應工作位置移動要求，整個打棗裝置安裝在一個帶輪子的底板上，用手推動機構移動位置。採用汽油機作爲動力源，帶動固定在汽油機上的帶輪轉動，主動帶輪帶動從動帶輪，即實現對汽油機的降速，帶輪傳動能吸收運動傳遞過程中的震動，尤其是機構在顛簸的坡地上運動時，由於曲軸與從動帶輪同軸，所以從動帶輪的轉動帶動曲軸轉動。曲軸的轉動帶動鉸接在其上的打棗杆上下往復運動，可調節高度的打棗杆通過頂端鉤子鏈接棗樹的樹枝上。通過杆件的上下運動帶動棗樹枝的上下振動使棗掉落，最終實現高效打棗，節省了人力。

曲柄做圓周運動的轉速由帶輪的轉速和傳動比大小控制，而帶輪的轉速是根據汽油機動力輸出軸的轉速而調節的。因此只要調整汽油機的`功率，輸出轉速便隨之改變，就可實現振動頻率的改變以適應不同直徑大小、不同成熟度果園大棗的採收，如圖1所示。

1.3 打棗關鍵部件設計

1.3.1 振動頻率和振幅的確定

從上述計算結果可知：運動由打棗杆帶給果實的脅迫簡諧運動和果實的自由振動組成，這樣可得出果實的基本運動規律，就可以求出作用在紅棗果實上的法向分力Fs和切向分力Fn分別爲：

Fs=mLθ?2，Fn=mLθ??

式中：θ???大棗果實擺動的角速度；

θ????大棗果實擺動的角加速度。

Fs與Fn的大小由擺動傾角θ決定，而θ由F（t）決定，那麼就可以根據大棗果柄的強度、大棗果實質量來選擇振動機構的振動頻率和振幅，初步確定該採收裝置的振動頻率爲400～500次/min，振幅爲20～30mm。

曲柄連桿機構如圖4所示，能將發動機的圓周運動轉化爲連桿往復直線運動，本機採用偏距爲20～30mm的偏心式曲柄連桿方式連接，以此實現較小行程的往復直線運動，滿足設計需求。偏心式曲柄的動力是由便攜式汽油機的動力經帶傳動輸入的。

2 收棗裝置設計

2.1 收棗方案設計

按照實際情況將大棗分爲四種顆粒大小，所以收棗裝置需要不同大小的進氣口。

方案一：將進氣口與紅棗收集機分開設計，設計四種不同大小的進氣口，收集不同顆粒大小的大棗時，只需更換進氣口即可。

方案二：將進氣口設計在紅棗收集機的箱體底部，按照四種不同顆粒大小的紅棗中的最大紅棗進行設計，適合收集所有顆粒大小的紅棗。

本設計選用方案一，可以根據紅棗的顆粒大小來選擇進氣口，並且進氣口損壞僅需更換即可，而且根據需要更換不同大小的進氣口後可以調節汽油機的輸出功率，可以減少燃料的損耗。而方案二有着很大的侷限性，而且大大的增加了箱體的長度。

2.2 收棗裝置整體結構

汽油機的旋轉運動經減速箱減速後，帶動高壓軸流風機的運轉，將箱體內部的氣體排出，使之箱體內外產生壓強差，在進氣口出產生吸力，將掉落在地的大棗收集進入收集箱內，完成對大棗的收集，如圖4所示。

2.3 收棗關鍵參數設計

2.3.1 風壓

大棗從地面上被吸入進氣口所用的時間：

a=0.02m/s2

大棗的直徑爲：2～2.5cm，所以大棗收集機構可最多同時吸入的紅棗數爲：n=0.2/0.02=10；

考慮到進氣口處的氣體損失，取F=4N

所以箱體內外壓強：p=FS=40.05×0.2=400Pa

通風機的主要性能參數是風量、風壓、軸功率和效率，下面進行具體分析。

2.3.2 風量Q

風量指以風機進口狀態的氣體體積流量（m3/h），又因通風機的壓縮比比較小，故可以忽略進、出風機流量的變化。

進氣口處氣體的速度：vt=0.4/1=0.4m/s；

所以風量Q=vt?t?0.2?0.05=0.4?0.2?0.05?1=0.04m3/s。

2.3.3 風壓Pt

若以每立方米氣體爲基準對風機進出口列出機械能衡算式，並忽略進出口位差變化和進、出風管的阻力損失可得下式：

當風機是由靜止的大氣吸入氣體，而且氣體壓力按表壓力計時，則因u1=0和p1=0故得風機的全風壓爲：

2.4.3 軸功率和效率

3 結束語

河北省阜平縣棗產業發達，但是至今還沒有幫助棗農實現機械化打棗的高效農業機械，仍然依靠傳統的棗杆人工打棗，人工撿棗方式，增加棗農勞動強度，影響收棗效率，從一定程度上制約了棗農業的發展。本設計通過調查分析，研究傳統打棗原理，進行優化分析，最終設計了一款高效大棗採收機械，將棗農從勞累的勞動中解放出來，產品設計小巧、簡單，在不用經過任何培訓的情況下，一個人即可實現高效率的打棗、收棗。