枣园残枝粉碎装置优化设计

张洪洲，刘媛杰，王宪磊，李　勇，周　丹,苏海飞，郑　浩，肖豪杰

(塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔　843300)

0　引言

我国新疆南部地区是红枣的主产区，该地区是以红枣和棉花为主要种植作物的地区[1-3]，且红枣主要是以传统的种植、采收和修剪体系为主，为实现红枣的高产和枣农的增产增收做出了重要的贡献。同时，也带来了一些急需解决的问题，如忽视资源与环境保护、残枝焚烧造成资源浪费环境污染、枣园土壤清理环节多及生产成本高等严重问题[4-18]。

随着大农业的迅速发展，新疆生产建设兵团南疆垦区内矮化密植红枣被大面积种植，红枣的产量直线上升，红枣的采收多采用机械化作业，这种采收方式节省了大量的劳动力，且生产效率大大提高，但伴随着红枣的机械化采收，红枣树的残枝量也大量增加[10-25]；另外，在春季枣农要对枣树进行修枝，将不健康的树枝剪掉，这样就出现大量的残枝；红枣成熟后，枣树叶自然脱落，这些枯叶和残枝覆盖于地表，不易降解，现今采用的就地焚烧方法效果不佳，不利于环境的保护，并且造成资源的浪费[22-30]。因此，将枣园内的残枝和枯叶等残留物粉碎还田是解决这一问题的一条可持续发展的途径。枣园残枝粉碎机具的研究时间还很短，主要问题是在枣园粉碎残枝覆盖地残枝和枯叶数量比较大，容易出现机具的堵塞问题，造成粉碎机的性能下降，致使粉碎性能不佳。

针对枣园残枝粉碎机具易堵塞且我国现有的枣园残枝枯叶粉碎机具无法用于矮化密植枣园的现状，基于农业机械自动化技术，设计开发了一款枣园粉碎装置，提出了残枝收集与粉碎一体机构的理论，解决了原有枣园残枝粉碎装置的问题，降低了生产成本。经过一系列的试验，该粉碎机具有较强的实用性，能够实现枣园残枝和枯叶的粉碎还田，为矮化密植枣园的残枝粉碎还田提供了一种新的机具。

1　枣园残枝粉碎装置的设计原理及机构

1.1设计原理

针对枣园残枝覆盖量大、机具易堵塞等问题，设计开发了枣园残枝粉碎装置。枣园残枝粉碎装置主要由残枝收集部分、残枝粉碎部分和调速部分组成，如图1所示。具体结构：装有柴油机及转向轮和动力轮的机架，在机架的上端后部分装有扶手，在机架前端底部分竖向并排间隔设置5块楔形板，楔形板上方的机架前端横向设置防护罩和残枝收集辊，残枝收集辊的中心轴上均匀分布轮片，残枝收集辊的后方机架上装有履带输送装置，在履带下方依次为料斗、粉碎机和出料口等，粉碎机、残枝收集辊及动力轮均由柴油机通过皮带带动。

工作时，通过调速部分设定粉碎装置的行走速度和粉碎转速等参数；柴油机启动，通过皮带带动后轮行走，设备前行；楔形板将地表的残枝铲起，残枝收集辊在柴油机的带动下逆时针转动，残枝收集轮片将楔形板上的残枝刮起，送至履带，履带将其送至料斗内；粉碎机工作，将残枝粉碎成细小碎片，碎片通过筛网和出料口还田；工人通过扶手实现粉碎装置转向。

1.防护罩　2.残枝收集辊　3.楔形板　4.转向轮　5.底壳　6.出料口　7.筛网　8.动力轮 9.皮带　10.柴油机　11.机架　12.扶手　13.调速控制器　14.料斗　15.中心轴及锤片　16.履带输送装置

该装置需要配备12kW及以上的柴油机使用。该装置的主要技术参数如下:

外形尺寸/mm：2 100×1 000×900

收集幅宽/mm：1 000

收集深度/mm：0～50

作业速度/km·h-1：1.08～3.6

辊轮转速/r·min-1：54～108

粉碎中心轴转速/r·min-1：270～1 620

1.2残枝收集部分

残枝收集部分包含楔形板、防护罩和残枝收集辊。在收集辊上等间隔安装刮片，共4片。这样避免了在旋转时残枝的阻塞，使辊轴受力较为均匀，动力消耗小。残枝收集辊结构示意图如图2所示。

图2　残枝收集辊示意图

1.3残枝粉碎部分

残肢粉碎部分包含料斗、中心轴及锤片、筛网和出料口。在粉碎机的中心轴上等间隔地安置刀片和锤片。粉碎中心轴结构示意图如图3所示。

图3　粉碎中心轴示意图

1.4调速部分

调速部分是以单片机为核心的调速控制器，主要由单片机、电瓶、电启动、发电机、电源变换电路、键盘、显示屏、步进电机及角速度传感器等组成。调速部分系统框图如图4所示,系统软件采用汇编语言编程流程图如图5所示。

图4　调速部分系统框图

图5　调速部分系统软件流程图

2　田间试验与结果

2.1试验条件及依据

田间试验地点为新疆生产建设兵团农一师九团13连。该地区大面积种植矮化密植红枣。枣园春季修枝之后开始进行残枝粉碎还田试验。残枝覆盖量180kg/100m2。试验时，每次对100m2的试验田，以粉碎率为考核指标，进行粉碎试验，试验因素为作业速度U、辊轮转速V和中心轴转速W。3个参数的详细指标如表1所示。

2.2正交试验与数据分析

进行组合试验，每次试验以100m2的试验田为单位，将其地表上的残枝粉碎还田，测定其粉碎率。将试验结果指标依次填入正交表中，如表2所示。

表1　主要参数指标

表2　正交试验数据表

续表2

由表2可以看出：当作业速度为1.5km/h、辊轮速度为108r/min、中心轴速度为1 450r/min时，粉碎效果最佳。

3　结论

通过试验验证了所设计的枣园残枝粉碎装置的有效性，为枣园的清田整地及残肢枯叶粉碎还田工作提供了参考。

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