小型单偏心块式红枣振动采收机的研制与试验

Development and experiment of a small single eccentric block vibrating harvester for red dates

摘要

目的 针对新疆矮化密植种植模式的红枣，在采收环节中还采用传统的人工棒打枣树，使红枣落地，再由人工聚拢，机械捡拾清选，劳动强度大，采收成本高的问题，研究了1种小型三轮电动车为载体，48 V直流永磁电机为驱动的单偏心块式振动采收机，旨在减轻枣农采收红枣的劳动强度，提高红枣生产机械化， 方法 依据矮化密植种植模式的枣树行距、株距、树径和冠径小，所需采收激振力小的特点，设计制作了样机，开展了采收田间试验，对采收数据进行了分析， 结果 当电机转速1 140 r/min，偏心块质量为650 g，夹持高度为300 mm，振动时间7 s时，平均采收净为87.23%，其中夹持树干的高度对采收率的影响最显著， 结论 试验表明，借助三轮电动车为载体的振动采收机，对新疆矮化密植种植模式的红枣采收是可行的，但任需对机具振落后红枣的盛接装置进行完善。

Abstract

Objective To address the challenges faced by jujube trees in Xinjiang's compact and dense planting configurations，this study focused on the utilization of traditional manual methods involving beating jujube trees with sticks to facilitate fruit drop during harvesting.This process necessitated subsequent manual collection，mechanical picking，and labor-intensive cleaning，resulting in high harvesting costs.The research examined a single eccentric block vibrating harvester integrated with a small three-wheeled electric vehicle as the carrier and a 48V DC permanent magnet motor as the driving force.The aim was to mitigate the labor intensity associated with jujube harvesting and enhance the mechanization of jujube production. Method Taking into consideration the specific characteristics of jujube trees in dwarfed dense planting setups characterized by narrow row spacing，plant spacing，tree diameter，crown diameter，and the requisite harvesting excitation force，a prototype was designed，fabricated，and subjected to field harvesting experiments.The collected harvesting data were then analyzed. Result At a motor speed of 1,140 r/min，with an eccentric block weight of 650 g，a clamping height of 300 mm，and a vibration duration of 7 s，the average net recovery rate reached 87.23%.The clamping trunk height exhibited the most significant influence on recovery efficiency. Conclusion The experimental findings indicate the viability of using a vibrating harvester with a three-wheeled electric vehicle as the carrier for jujube harvesting in Xinjiang.However，enhancements to the jujube collection apparatus in the context of dwarfed dense planting are imperative.

Graphical abstract

关键词

农业机械 / 振动采收 / 研制 / 试验 / 红枣

Key words

Agricultural machinery / vibration harvesting / development / testing，jujube

Author summay

马少辉，教授，硕士研究生导师，研究方向为现代农业机械装备设计与理论分析研究。E-mail：[e-mail]

枣树的栽培在中国已有千余年历史，果实因其富含多种人体所需的微量元素，被广泛种植。新疆，特别是南疆因少雨干旱，日照时间长等独特的气候条件，种植的红枣甘甜饱满，品质优，受到消费者的喜爱。根据《新疆统计年鉴》统计，2020年底，全疆红枣栽培面积为44.52万 hm²、产量达372.7万 t，占全国产量的1/2，是新疆林果业的主栽树种之一。近年来，因生产资料和用工成本的增加，呈现出红枣增产枣农不增收的现象，在红枣生产过程中，采收环节基本使用人工棒打枣树，使红枣落地，再由人工或机械捡拾的方式进行收获，劳动强度大，用工成本高，对枣树有一定损伤，影响了新疆红枣在市场的竞争力，制约了红枣机械化进程。^［1-5］

国外在林果采收中使用偏心、气力、液压或机械曲柄连杆等振动方式较普遍，已在开心果、扁桃、杏、核桃、柑橘等采收中大量使用，最高采净率达90%以，因新疆红枣种植模式多采用矮化密植，株距行距较小，枣树树径相对较小，大型机具不适合作业。国内，由孟祥金等^［6］研制了由液压马达驱动偏心块振动的4YS-24型红枣收获机，该机生产效率高，是人工采收的4~11倍，全树85%~98% 的果实都能被摇落，由梅松等^［7］研制了履带底盘行驶拍振机—伞形接果式的红枣冠型拍振复合小型采收机，张志栋等^［8］设计了曲柄连杆机构激振式大枣采摘收集一体机，可适应陕西等丘陵山区密植大枣的采摘作业条件，王大鹏等^［9］研制了曲柄滑块机构振动式枣类采摘系统，工作时可以通过调节有刷电机的转速来调节振动频率，实现对不同品种的枣树进行收获的功能，但上述机具体积较大，激振强度大，不适合南疆矮化密植树冠径小，树干较小的红枣采收。

针对新疆南疆枣园矮化密植种植特点，项目研制了1种由三轮电动小车为载体，48 V永磁直流电机为激振动力源，单偏心块为激振器的小型红枣振动采收机，并进行了枣园采收试验。

1 振动采收机的结构与工作原理

1.1 机具的设计思路

红枣的矮化密植种植模式不同传统的种植模式，枣树行距一般在3 000~4 000 mm，株距在1 000~1 500 mm，树冠直径1 500~2 000 mm，树高 1 500~3 000 mm，行距株距和树体明显小于传统种植模式，如图1所示，两种种植模式的对比，矮化密植模式的枣树行距株距小，要求采收机机具体型小，可在树体间和树冠下穿行，不影响操作人员正常工作，因树体小，振动采收所需的激振力相对较小。为降低机具的制造成本，研制出枣农能够接受机具，课题组研制了1种小型电动三轮车，利用三轮电动车的48 V电源，加装一套振动采收装置，实现矮化密植种植模式红枣的采收。

1.2 机具的总体设计及工作原理

单偏心红枣振动采收机主要由单偏心激振装置、夹持装置、小车及夹持升降装置、主臂等组成，如图4所示。激振装置控制是由安装在小车手把下方的旋钮开关控制其转速，激振装置可随枣树一起自由振动，其中激振电机选用了与三轮电动小车驱动电机同型号的HRD 48 V 650 W无刷永磁直流电机，实现了2个旋钮开关共用1个电瓶和1个控制器，2个旋钮开关可单独控制小车的驱动和振动电机的旋转，设计有可移动座椅，即可正骑驾驶也可倒骑驾驶。在采收机时，由人工将夹持装置推向枣树树干，与枣树干相接触，并通过螺纹丝杠摇杆机构夹紧于枣树干，旋动振动电机控制旋钮开关，电机工作并带动偏心块旋转产生激振，将挂于枣吊上的红枣振落，达到采收的目的。振动频率由电机转速决定，即旋钮开关大小可改变电机转速，从而改变振动频率，可适应不同枣树径红枣采收要求，机具的基本参数见表1。

1.3 机具关键部件的设计

1.3.1 振动偏心块的设计与计算

偏心块是机具产生激振的主要零件，因机具体积小，矮化密植枣树树体小，红枣采收期一般在霜降后，红枣与枣吊的联接力较小，所需的激振力也较小，机具采用了扇形式偏心块结构，如图3所示。

根据文献^［10-20］，估算出红枣树的等效质量为60 kg，采收机的总体质量约为67 kg，系统的总质量为127 kg，取全振幅为10 mm。

偏心块的质量矩为：

me=\frac{MS}{\mathrm{2}}

式中：me为单偏心块的质量矩，kg·m；M为振动系统的总质量，kg；S为夹持点处树干的全振幅，m。

经计算得单个偏心块的质量矩约为0.64 kg·m。

由扇形偏心块的质量和偏心距公式：

m=\frac{\mathrm{\pi }}{\mathrm{2}}(R^{\mathrm{2}}+r^{\mathrm{2}}-\mathrm{2}{r_{\mathrm{0}}}^{\mathrm{2}})B\rho

e=\mathrm{0.424}\mathrm{4}\frac{R^{\mathrm{3}}-r^{\mathrm{3}}}{R^{\mathrm{3}}+r^{\mathrm{3}}-\mathrm{2}{r_{\mathrm{0}}}^{\mathrm{2}}}

式中：m为质量；e为偏心距；R为半径；r为安装凸台半径；r_{\mathrm{0}}为内孔半径；\rho表为密度；B为厚度。

其中，偏心块的材料为 Q235，其密度为7.85 g/cm³，依据直流电机r_{\mathrm{0}}为12.5 mm，取r为15 mm，B为15 mm，求得R为55 mm。

1.3.2 夹持机构与支臂的设计

夹持装置其作用是夹紧红枣树干，能将激振装置所产生的振动力传递给红枣树干，设计要求能夹紧树干，有效传激振力，防止因夹持不紧，造成夹持头与树干的相对运动，影响激振力的传递和损伤树干，同时，因树干并非全部垂直于地面，为保证树干倾斜时，也能有效的夹紧树干，正常工作，其结构如图4所示，主要有夹持高度调节装置，活动主臂，夹持开合螺纹曲柄摇杆、活动夹持臂、半圆夹持头和激振电机等组成。通过旋转夹持高度螺纹曲柄摇杆可对夹持枣树的高度进行调节，活动主臂可根据采收工作需要绕螺纹杆轴与销钉自由转动，满足采收范围的需求，如图5所示。

夹持头是机具关键工作部分，选用\mathrm{\varnothing }\mathrm{16}的圆钢，制作为两个半圆形，一个为固定半圆夹头，一个为活动半圆夹头，可随活动支臂运动，上半圆与下半圆形夹持头高度上相差一个矩形方钢管的高度30 mm，通过带有螺纹曲柄摇杆机构传动动力，当摇动螺纹杆时，在螺纹杆挡钉的作用下，活动支臂带动活动半圆夹头运动夹持住树干，夹持装置夹持开度范围30~150 mm。2个半圆形夹持头与枣树干接触面小，可适应枣树干不与地面平行，倾斜生长的枣树，又能夹紧枣树干，满足振动采收的要求，其结构如图6所示。

在采收试验过程中，通过螺纹曲柄摇杆机构夹紧枣树干，采收试验完成后，观察枣树干发现，部分树干表皮脱落，对树干有一定的损伤，如图7所示。分析其原因，枣树干非正圆，半圆形圆钢夹持装置未作保护下工作时，弧形夹持装置并非与枣树完全紧密贴合，而是部分贴合接触树干，机具工作时枣树的运动轨迹为倒圆锥体形状，当运动到接触面小的位置，发生滑移，致使树干表皮脱落受损。针对上述问题，对2个半圆形夹头缠绕的软胶皮，可发生一定的形变，再次试验时，发枣树干的损伤很小。

2 振动采收试验

2.1 试验枣园及枣树基本情况

机具采收试验于2022年11月13日~11月17日，在新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市十团进行，试验枣园为矮化密植模式，枣树种植年限大于10 a的枣园，红枣品种为灰枣，对其测量5次，每次50颗，测得红枣果实平均质量为12.5 g，枣柄长度为2.85 mm，红枣果实长半轴为26.7 mm，短半轴为8.4 mm。试验期间已霜降，为红枣收获后期，试验随机选取了75棵枣树，开展了振动采收试验，如图8。

2.2 试验用设备与仪器

试验时所有设备与仪器有便携式振动测量仪UT315A、手持式数字转速计UT372、米尺、秒表、电子天平、游标卡尺、螺旋测微器等。

2.3 采收率计算

采收率的计算公式为：

{\eta }_{\mathrm{采}}(\mathrm{\%})=\frac{n_{\mathrm{3}}}{n_{\mathrm{3}}+n_{\mathrm{4}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}

式中：{\eta }_{\mathrm{采}}为采收率，%；n_{\mathrm{3}}为振动结束后从树上掉落的红枣数量，颗；n_{\mathrm{4}}为振动结束后树上剩余的红枣数量，颗。

2.4 试验条件的确定

根据理论计算，可知枣树系统的固有振动频率为13.86 Hz，当电机的激振频率与枣树系统的固有频率一致时，产生共振，有利用于振动采收。机具选取的电动机为永磁无刷直流电机，额定转速为2 300 r/min，机具单偏心块所产生的质量矩为0.64，偏心块的质量应小于700 g时，通过预试验可知，当夹持枣树干高度小100 mm时，振动采收的效果不佳，仅有很少量红枣被振落，在激振电动机启动后11 s内，能通过振动掉落的红枣都已振落，鉴于预试验结果，试验条件确定为直流电动的转速分别为600、780、960、1 140、1 320 r/min 5种转速，所对的振动频率为10、13、16、19、22 Hz，单偏心块的质量分别为500、550、600、650、700 g 5种质量，选取夹持枣树干的高度分别是100、150、200、250、300 mm 5个高度，电动振动转动时长分别是3、5、7、9、11 s 5个时长。

2.5 振动采收试验设计

2.5.1 试验因素和水平的确定

试验确定了4个因素分别为电动机激振转速、偏心块质量、夹持高度、激振时长，每个因素设5个水平，采用二次正交旋转组合设计安排试验，因素水平编码表如表2所示。

2.5.2 试验安排与结果分析

试验安排与结果如表3所示。

为得到各因素间最优组合，根据试验数据，利用极差分析法求出各因素的极差如表４所示。

由表4可知，各因素间最优组合为A₄B₄C₁D_3，即当电机转速1 140 r/min，偏心块质量为650 g，夹持高度为300 mm，振动时间7 s，此时可达到最佳采收率。

为确定各因素对采收率的影响的显著程度，对正交试验结果进行相关性主体间效应检验分析，计算结果如表5所示。

由表5可知，激振转速、偏心块质量和夹持高度3个因素对采收率有显著的影响，根据对采收率影响显著程序依次为夹持高度>激振转速>偏心块质量，振动时间对采收率的影响较小。

2.5.3 分析结果验证试验

为验证最优组合的效果，课题组进行了５次最佳参数组合进行验证试验，结果如表６所示。由表６可知，用最佳参数组合进行采收试验时平均采收率可达87.23%以上。

3 结论

1） 设计研制了基于三轮电动小车的单偏心块产生激振的矮化密植红枣振动采收机，机具根据枣树树径和树冠大小可通过旋钮开关改变电机转速，即改变振动频率，满足不同枣龄树的要求。

2） 设计研制了两半圆形夹持装置，可适应不同枣树干直径，树干倾斜时夹持树干的要求。

3） 开展了枣园田间采收试验，并对数据进行了分析，当电机转速1 140 r/min，偏心块质量为650 g，夹持高度为300 mm，振动时间7 s，此时平均采收率为87.23%。各因素影响振动采收效果的顺序依次为夹持高度>激振转速>偏心块质量>振动时长。

通过试验表明，矮化密植模式的红枣采用电动三轮小车加装振动装置方式采收是可行的，但试验中也发现，机具夹持树干工作还需人工完成，费时费力，振落的红枣还需人工或捡拾机具完成，增加了成本。后续，课题组将进行一步优化机具结构，增加红枣振落时盛接装置，减少落地枣捡拾的劳动强度。

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基金资助

新疆生产建设兵团科技创新人才计划项目“摇振倒伞盛接式红枣采收机的研制”(2022CB001-03)