大枣收获机发明设计
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
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:打枣杆在竖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。
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
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。
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:
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;
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
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。
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