张希峰,巩彬,宫玉敏,陈金利,司爱丽,翟凤起
花椒悬浮特性分析与收获机设计
张希峰1,巩彬1,宫玉敏1,陈金利1,司爱丽2,翟凤起2
1. 淄博市农业机械研究所, 山东 淄博 255086 2. 淄博市淄川区农业机械事业服务中心, 山东 淄博 255100
针对目前花椒采摘效率低、收集困难等问题，设计一款高效气吸式花椒采摘装置。对花椒物理特性外形尺寸和重量进行测试，计算悬浮速度；
用FLUENT仿真模拟花椒粒在不同状态的直管和弯管中的运动轨迹；
设计两种采摘头和轻便的背负式负压收集仓；
制作样机试验。测试结果得到花椒果实为平均长5.66 mm、宽5.12 mm、厚4.96 mm的椭球形，平均重0.075 g；
计算得到悬浮速度11.72 m/s；
仿真试验得到花椒在竖直、向下的管中与管壁摩擦碰撞少，在弯管拐角处易发生碰撞；
样机试验表明采摘效率大大高于人工，且能同步收集；
两种采摘头试验对比，得到最优方案。该方法和设计能够满足花椒采摘需要，研究结果可为花椒采摘设备研制与优化提供理论依据。
花椒; 悬浮性; 收获机
花椒是木本佐料植物，因果簇绕枝条各方向均有分布，且不规律，带刺且怕伤枝，果皮油囊不耐挤压而导致机械化采摘十分困难[1,2]。因此，人工采摘仍是当前花椒采收的主要方法。然而，人工采摘易扎手、耗时长、效率低；
花椒采摘周期短，成熟椒易脱落等，致使花椒采摘成本居高不下[3-7]。
目前，花椒采摘机械装置主要主要分3类。第1类：剪切式、锯形式等小型手持式采收机械，如剪刀、拇指刀、孙老师牌双刀口、金手指牌锯齿形等，但不同程度存在采摘率低、收集困难等问题[8-10]；
第2类：大型采收机械装置，例如郑洲洲发明的一种半自动花椒采摘机[11]，目前这类设备在试验研发阶段，且存在着体积大、重量大、不灵活等问题；
第3类：花椒采摘机器人，例如兰州理工大学杨萍、刘蒙蒙等研究的花椒采摘机器人[12]，这类设备目前依然在实验研发阶段，距离实际使用还有一定的距离，技术还不够成熟。为此，研发一款具有效率高、损伤小、易于携带、采收一体等特点的花椒收获机具有重要意义。
在利用气力进行收获、输送、清选等方面已经有相关的研究和应用[13]。王学农等对巴旦木壳仁混合物料风选进行了相关研究[14]；
于福峰、张凤奎等研究了红枣的悬浮速度特性及捡拾机设计[15,16]；
马秋成等研究了莲子的空气动力学特性和壳仁负压分离技术[17]；
曹成茂等对山核桃壳仁的风选进行了相关研究和试验[18]；
侯华铭等研究了利用气吹清选粮油作物[19]。利用气力进行花椒的收集也是一种非常好的方法。
针对目前花椒采摘机械存在的问题，运用气吸收集技术，设计一款高效气吸式收获机：负压式收集装置实现采收一体，收集过程无机械挤压大大减少对花椒的损伤，提高采摘效率的同时保证花椒质量；
高效采摘头对花椒快速采摘；
柔性收集管实现采摘头不同方向的转换和花椒传输，具有高度适应性。
1.1 花椒果实物理特性
研究花椒的物理特性，为后续设计、计算提供理论依据。对花椒果实进行试验测试，测试对象选取处于成熟期的新鲜花椒，分别测试花椒果实的外形尺寸和重量。
测外形尺寸时，随机选取10粒花椒。经观察和测量，花椒果实的形状近似椭球形，分别用游标卡尺测量花椒的长a、宽b和厚c，如图1。结果记录如下表1。
分10组进行测量，每组随机选取30粒新鲜花椒。对每组花椒进行称重，记录于表2。
图 1 花椒果实外形
表 1 花椒果实外形尺寸和重量
根据测量数据得花椒果实的平均长5.66 mm，平均宽5.12 mm，平均厚4.96 mm。根据测量数据得到每粒花椒的平均重量0.075 g。
由花椒果实的重量和外形尺寸计算得到密度=997kg/m3。
1.2 花椒果实悬浮风速计算
1.2.1 花椒果实受力计算竖直管道中，气流的动力与物料的重力处于同一直线。水平管道中，气流的动力方向与花椒重力方向垂直，运动状态更复杂。在计算气流速度时，一般以竖直管道中的悬浮速度为依据[20]。在竖直管道中，花椒果实受到重力、向上的气流压力、空气浮力1。根据前面测量结果，当花椒果实迎风截面最小时，受到的气流动力最小。
式中：C-阻力系数，-截面积，-花椒宽，-花椒厚，-气流流速，-空气密度。
式中：V-花椒果实体积，-花椒长，-重力加速度。
临界状态下，花椒果实悬浮于流场中，受力达到平衡既=1。得到：
1.2.2 阻力系数确定阻力系数Cd的取值根据雷诺系数和颗粒直径来确定[15,18,21]。
式中：d-花椒果实直径，取5.5 mm，-流体速度，取12 m/s，-空气动力粘度，取0.018 mPa‧s。计算得到=4437。
得到0.13≤d≤7.15。前面得到花椒果实小径4.96 mm，大径5.66 mm。符合Newton区粒径条件。
根据雷诺系数和粒径范围，得到阻力系数为常数，C=0.44。
将速度公式中各参数，气=1.21 Kg/m3，=5.66 mm，=5.12 mm，=4.96 mm，=0.075 g，=9.8 m/s2，代入公式，得花椒果实理论悬浮风速为=11.72 m/s。
1.3 模拟仿真计算
FLUENT在流体仿真方面具有很大的优势，能够大大缩减多次试验成本，在物料的运输模拟、烘干模拟、筛选等多方面都可以进行相关的应用[22-24]。为了了解花椒在收集管路中运动状态，运用FLUENT软件对花椒在收集管中运动轨迹进行仿真模拟实验，观察花椒粒的运动规律。为了更好地在FLUENT中进行仿真，将椭球型花椒粒简化为等效的球体，简化原则：重量不变、球体的截面积与椭球型花椒最小迎风截面积相等。得到简化后等效球体的直径5.04 mm，密度1119 kg/m3。
设置入口风速12.6 m/s情况下分别对直管和弯管进行竖直、倾斜、水平等状态下进行仿真，模拟不同状态不同管路中花椒粒的运动轨迹。通过仿真得到花椒粒的运动轨迹如下。
不同状态直管中花椒粒的运动轨迹如下图2。
图 2 直管中运动轨迹
由上述结果得到，竖直向下管道中花椒粒运动最快，最易被收集，斜向下的管道中运动速度次之，在竖直向上管道中花椒粒运动最慢；
倾斜管和水平管中花椒和管壁的摩擦碰撞比竖直管要多，倾斜向上管道比水平和斜向下管道碰撞多。
不同状态弯管中花椒粒的运动轨迹如下图3。
图 3 弯管中运动轨迹
由上述结果得到，花椒粒在管道中运动速度与直管中类似，竖直向下部分最快，然后依次斜下、水平、斜上，竖直向上最慢；
先向上再向下运动的管内比先向下再向上运动的管内运动更快，更易收集；
花椒粒在管道中与管壁的碰撞情况与直管类似；
花椒粒在弯管拐角处易与管壁发生碰撞。
综上，在花椒收获时尽量减少收集管的拐角，同时尽量使收集管竖直向下或斜向下。
2.1 工作原理与总体结构
2.1.1 工作原理采摘头将花椒快速采摘，收集仓中的风机工作使收集仓和收集管内形成负压气流将采摘下的花椒吸进收集管，最终到达收集仓内进行收集和存储，实现花椒快速采收。
2.1.2 总体结构如图4所示，主要包括：采摘头总成、负压收集仓总成、收集管等主要部分。
1.采摘头总成 2.收集管 3.收集仓总成
2.2 收集仓设计
工作原理：风机工作将仓体和管路内空气带走，使收集仓、收集管内形成负压气流，采摘下来的花椒被收集、储存到收集仓内，收集仓满以后，打开卸料口倒出花椒。
收集仓主要由：仓体、背架总成（含软垫和背带）、风机总成（包含电机、风机、除尘、密封等）、电池等构成。收集仓的风机入口等各外接口都有密封装置保正仓体的密封性能。
2.3 收集管选择
内壁光滑，减少风阻和花椒摩损；
软管，利于采摘头灵活操作；
有足够抗外压能力，防止被压扁；
有足够刚性，确保收集管不会出现对折造成管路堵塞。
2.4 采摘头设计
设计两种结构的采摘头：方案1如图5、方案2如图6所示。
图 5 方案1
图 6 方案2
（1）方案1：梳割一体式采摘头，如图5，主要由：电机1、本体2、梳割装置总成3（传动轴上均布有3组带气流通孔的梳齿和刀片）、切割刀片4侧盖5等组成。
工作原理：电机带动梳割装置旋转，花椒在梳割装置旋转拉扯下进入采摘头，在切割和梳刷作用下被采摘。
采摘头的采摘方式为切割和梳刷。切割：花椒进入采摘头，梳割装置上的刀片单独或与本体上的切割刀片配合对花椒梗切割；
梳刷：花椒受到梳齿的拉力，拉断花椒梗或连接花椒果实的细枝。花椒簇的大小和形状不尽相同，在采摘时两种切割动作和梳刷动作配合进行也可能单独进行。
（2）方案2：旋切式采摘头，如图4，主要由本体1、电机2、花椒通道3、动刀4、定刀5、固定块6等组成。
工作原理：电机带动动刀高速旋转，花椒进入采摘头被高速旋转的动刀与定刀配合切下。
为了验证设计的合理性，以及测试不同方案采摘头的采摘效果，根据前面的设计原理和方案，制作试验样机并在花椒园实地进行相关试验，样机如图7。
首先，测试整体方案的合理性，操作人员背负试验样机，手持采摘头在花椒园实地进行采摘试验。其次，根据不同的采摘头方案，分别进行试验。如图8。
图 7 试验样机
图 8 实地试验
通过试验，得到结果如下：
1）收获机能够实现花椒快速采摘并同步收集，采收效率大大高于人工。
2）方案1试验结果如图9a)，能快速采摘；
部分花椒成小簇采摘下来，部分花椒为粒状；
只有极少花椒果实掉出，可以忽略。
3）方案2试验结果如图9b)，能快速采摘；
破损量很少；
采摘的花椒大多为粒状；
有很小部分花椒从采摘头飞出未被收集。
图 9 试验结果
综上所述，两种方案都能实现快速采摘花椒；
质量方面：方案1比方案2花椒破损少；
收集方面：方案1比方案2掉落未被收集起来的花椒果实少。综合来看方案1采摘效果最优。
（1）测试研究了花椒果实的物理特性，得到花椒果实为平均长5.66 mm、宽5.12 mm、厚4.96 mm的椭球形，平均重0.075 g。计算花椒悬浮风速11.72 m/s，FLUENT仿真得到运动轨迹显示花椒粒在竖直、向下的收集管中与管壁摩擦碰撞少，在弯管拐角处易与管壁发生碰撞；
（2）设计了一款能快速采摘，同时运用负压气吸实现同步收集的花椒收获机，包括背负式收集仓，柔性收集管，两种快速采摘头。样机实地试验，表明气吸式花椒收获机设计合理可行，采摘效率大大高于人工，对试验结果进行分析和对比，得到了效果最优的采摘头方案；
（3）花椒收获机的设计，大大减少了人工采摘时间、降低了劳动强度、避免了扎伤等伤害、大大提高生产效率，在社会效益和经济效益都起到显著效果；
花椒收获机的研究、设计和试验，为以后花椒采收设备的进一步深入研究和制作，提供了依据和借鉴。
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Analysis of Suspension Characteristics of Pepper and the Harvester Design
ZHANG Xi-feng1, GONG Bin1, GONG Yu-min1, CHEN Jin-li1, SI Ai-li2, ZHAI Feng-qi2
1.,255086,2.,255100,
Aiming at the problems of low picking efficiency, difficult collection of pepper, an efficient air suction pepper picking device was designed. The physical characteristics of Zanthoxylum bungeanum’s dimensions and weight were tested, and the suspension velocity was calculated. FLUENT was used to simulate the movement trajectories of Zanthoxylum bungeanum in different states of straight pipes and curved pipes. Two kinds of picking heads and light negative pressure collection bin of backpack were designed. A prototype was made and test. The test results show that the Zanthoxylum bungeanum is an ellipsoid with average length of 5.66 mm, width of 5.12 mm, and thickness of 4.96 mm, with an average weight of 0.075 g. The theoretical calculated suspension velocity is 11.72 m/s. The simulation test shows that the Zanthoxylum bungeanum have less friction and collision with the pipe wall in the vertical and downward collecting pipes, and collisions are easy to occur at the corners of the elbows. The prototype test shows that the picking efficiency is much higher than Manual, and can be collected synchronously. Two kinds of picking heads were compared to obtain the optimal solution. The method and design can meet the needs of pepper picking, The research results can provide a theoretical basis for the development and optimization of pepper picking equipment.
Pepper; suspension; harvester
S225.93
A
1000-2324(2022)06-0963-06
2022-03-27
2022-04-15
张希峰(1988-),男,硕士,工程师,主要从事农业装备研发. E-mail:852213260@qq.com
10.3969/j.issn.1000-2324.2022.06.024
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