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。
