許 威, 尹遜春

(哈爾濱商業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150028)

我國(guó)已經(jīng)成為世界上核桃產(chǎn)量最大的國(guó)家之一,據(jù)統(tǒng)計(jì),2020年全國(guó)核桃的總種植面積達(dá)到267萬(wàn)hm2,年產(chǎn)量達(dá)到300萬(wàn)t[1-2]。核桃具有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,核桃果仁含有豐富的蛋白質(zhì)和不飽和脂肪酸以及多種人體必需的氨基酸和礦物質(zhì)元素,是重要的藥用植物,經(jīng)濟(jì)價(jià)值高[3-4]。

在整個(gè)核桃生產(chǎn)作業(yè)中,成熟核桃的及時(shí)、無(wú)損、高效采收是關(guān)鍵,直接影響核桃的儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、加工以及銷售等后續(xù)環(huán)節(jié)。核桃采摘也是生產(chǎn)鏈中最為耗時(shí)、費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié),采摘費(fèi)用約占成本的35%～45%[5-6],因此實(shí)現(xiàn)核桃的機(jī)械化采摘對(duì)于核桃產(chǎn)業(yè)有著重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的采摘機(jī)械可以分為四種:氣流沖擊振動(dòng)采摘,樹(shù)冠振動(dòng)采摘,樹(shù)枝振動(dòng)采摘以及樹(shù)干振動(dòng)采摘[7]。1961年以來(lái),Jutras與Whitney等人等首次嘗試?yán)霉娘L(fēng)機(jī)產(chǎn)生沖擊氣流進(jìn)行果實(shí)采摘的試驗(yàn)和測(cè)試[8-12]。Coppock等較早地研究了樹(shù)枝振動(dòng)采摘技術(shù),他們將旋轉(zhuǎn)的偏心錘產(chǎn)生振動(dòng)施加在果枝上,對(duì)樹(shù)枝振動(dòng)采摘技術(shù)的可行性進(jìn)行了研究[13-15]。陜西科技大學(xué)研發(fā)了一種背負(fù)式、振動(dòng)方式為樹(shù)枝振動(dòng)的核桃采摘機(jī)[16]。東北林業(yè)大學(xué)針對(duì)藍(lán)莓研究了一種旋轉(zhuǎn)撥盤式的樹(shù)冠振動(dòng)采摘機(jī)[17],Amirante 等對(duì)橄欖樹(shù)進(jìn)行樹(shù)干采摘研究[18-20]。

根據(jù)目前核桃采摘的復(fù)雜性,本文根據(jù)對(duì)核桃進(jìn)行的振動(dòng)特性研究,提出一種具有自動(dòng)對(duì)心功能的,能夠?qū)崿F(xiàn)分批采摘的振動(dòng)式核桃采摘機(jī)。

1 振動(dòng)式核桃采摘機(jī)的整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

振動(dòng)式核桃采摘機(jī)械主要是由驅(qū)動(dòng)裝置、升降裝置、激振裝置、夾持裝置組成。其中,驅(qū)動(dòng)裝置由車體1與液壓站2構(gòu)成;升降裝置由液壓缸2、大臂4、立柱5、小臂6、連接頭底座7、連接頭8、鉸鏈機(jī)構(gòu)9、支撐架10、鐵鏈12組成;激振裝置由激振器框架21、偏心輪23、軸22、汽油機(jī)11、聯(lián)軸器13等組成;夾持裝置由液壓缸14、采摘夾手15、固定支座16、固定爪17以及橡膠墊18等組成,如圖1所示。

圖1 采摘機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

工作時(shí),采摘機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)液壓缸3的伸縮程度,利用機(jī)械臂將執(zhí)行機(jī)構(gòu)移動(dòng)到合適的夾持位置,機(jī)械臂由大臂4、立柱5、小臂6以及連接頭8組成。其中自平衡鉸鏈連接機(jī)構(gòu)9與支撐架10用螺栓連接并通過(guò)四條鐵鏈12與激振裝置連接。當(dāng)樹(shù)干位于夾持裝置內(nèi)時(shí),控制液壓缸14伸長(zhǎng),從而可以使采摘夾手15收縮,在固定爪17的固定下使采摘夾手15收縮抱緊樹(shù)干。在夾持裝置抱緊樹(shù)干后,啟動(dòng)汽油機(jī)11,通過(guò)聯(lián)軸器13的連接帶動(dòng)偏心輪支撐軸22旋轉(zhuǎn),從而使偏心輪23旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生激振力。偏心輪產(chǎn)生的激振力使果樹(shù)受到強(qiáng)迫振動(dòng),振動(dòng)使核桃做加速度運(yùn)動(dòng),當(dāng)核桃產(chǎn)生的慣性力足夠大時(shí)就會(huì)脫落。此外,夾持裝置末端安裝有橡膠墊18,當(dāng)發(fā)生振動(dòng)時(shí),可以有效地減輕夾持裝置對(duì)樹(shù)體的損傷。

1.3 設(shè)計(jì)要求

(1)采摘要求:主要針對(duì)魯中地區(qū),適合行列距3 m以上的核桃果園進(jìn)行采摘;

(2)夾持要求:主要針對(duì)樹(shù)干直徑范圍在80～180 mm,最低主干高度在600～1 200 mm的核桃樹(shù);

(3)驅(qū)動(dòng)要求:利用汽油機(jī)驅(qū)動(dòng);

(4)振動(dòng)要求:選用對(duì)稱偏心輪產(chǎn)生振動(dòng),振動(dòng)單棵樹(shù)的時(shí)間大約在30～60 s。

1.4 設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)采摘機(jī)的激振頻率:激振頻率控制在0～28 Hz;

(2)激振力的范圍:激振力在2 500～4 000 N;

(3)選用汽油機(jī)型號(hào):選用宗申GB200型汽油機(jī),額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min,額定功率為4.2 kW,質(zhì)量為16 kg;

(4)夾持高度:夾持高度在350～450 mm。

2 振動(dòng)式核桃采摘機(jī)關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 激振裝置的設(shè)計(jì)

激振裝置最核心的部件是偏心輪以及偏心輪支撐軸。偏心輪在此處選擇半圓式偏心輪,相比非半圓式偏心輪在占據(jù)相同空間下具有更大的偏心距。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)可知激振力的范圍在2 500～4 000 N,確定偏心輪的偏心半徑。

(1)

式中:ρ——偏心輪所用材料的密度,kg/m3;

n——偏心輪的轉(zhuǎn)速,r/min;

h——偏心輪的厚度,mm;

R1——偏心輪的圓弧半徑,mm。

此處先將偏心輪的厚度確定為40 mm,汽油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min,設(shè)計(jì)參數(shù)中的激振力范圍為2 500-4 000 N,代入公式得到偏心輪的半徑在69.67～81.48 mm,此處先將偏心輪的半徑確定為82 mm,具體激振力通過(guò)調(diào)節(jié)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),然后對(duì)偏心輪支撐軸的最小軸徑進(jìn)行計(jì)算。

(2)

計(jì)算得到偏心輪軸的直徑為16.712 mm,根據(jù)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[21]可知對(duì)于軸徑d<100 mm,存在一個(gè)鍵槽時(shí),軸徑增加5%～7%,由于計(jì)算出的軸徑為16.311 mm,因此增加7%后得到偏心輪支撐軸的最小軸徑為17.882 mm,圓整為18 mm。

根據(jù)計(jì)算得到偏心輪的示意圖如圖2所示,偏心輪支撐軸的示意圖如圖3所示。

圖2 偏心輪結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 軸的結(jié)構(gòu)示意圖

確定了軸的最小直徑后對(duì)偏心輪支撐軸的軸承進(jìn)行選型,如表1所示。

表1 偏心輪支撐軸軸承型號(hào)

2.2 夾持裝置的設(shè)計(jì)

(1)采摘夾手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一組接觸方式為面接觸的采摘夾手,面接觸會(huì)使采摘夾手與樹(shù)干之間接觸面積增大,接觸應(yīng)力減小,這種結(jié)構(gòu)可以減小對(duì)樹(shù)皮的損傷以及對(duì)樹(shù)體造成的傷害。

此處設(shè)計(jì)的采摘夾手分別具有一個(gè)夾指與兩個(gè)夾指,工作時(shí),兩個(gè)采摘夾手在液壓缸的調(diào)節(jié)下,向內(nèi)收縮夾緊樹(shù)干,如圖4所示。所研究核桃樹(shù)的樹(shù)干直徑范圍是80～180 mm,因此兩采摘夾手夾持時(shí)最大范圍應(yīng)大于180 mm,此處將采摘夾手的圓弧部分半徑設(shè)為200 mm,采摘夾手寬度40 mm,厚度為45 mm,筋板的厚度為20 mm,筋板與采摘夾手之間的角度為20°,采摘夾手接受示意圖如圖5所示。

圖4 夾持裝置示意圖

圖5 采摘夾手結(jié)構(gòu)示意圖

(2)固定夾手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在夾持核桃樹(shù)干過(guò)程中,并不能限制其發(fā)生左右移動(dòng),因此采摘機(jī)與核桃樹(shù)之間可能會(huì)發(fā)生摩擦造成樹(shù)皮的損傷,為了避免這一情況,本文在夾持裝置中設(shè)計(jì)一種輔助固定夾手,可以起到固定樹(shù)干以及自動(dòng)定心的作用,避免核桃樹(shù)干左右移動(dòng),減少核桃樹(shù)的損傷,如圖6所示。

圖6 固定夾手示意圖

圖中浮動(dòng)塊4與支座3之間用球螺母連接,因?yàn)楹颂覙?shù)樹(shù)干的形狀存在誤差,而球螺母連接的能自動(dòng)找到合適的角度固定樹(shù)干,以保證最大的接觸面積,降低接觸應(yīng)力,防止夾持過(guò)程對(duì)樹(shù)干產(chǎn)生損傷。

2.3 升降裝置的設(shè)計(jì)

(1)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證采摘機(jī)振動(dòng)夾持裝置在采摘過(guò)程中與地面平行,以便于對(duì)樹(shù)干進(jìn)行準(zhǔn)確夾持,保證激振力的有效傳遞,因此本文將機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)選擇為平行四邊形機(jī)構(gòu),如圖7所示。其中大臂尺寸規(guī)格為1050×50×70(長(zhǎng)×寬×高,單位:mm),小臂規(guī)格為650×50×70(長(zhǎng)×寬×高,單位:mm),立柱規(guī)格為800×120×100(長(zhǎng)×寬×高,單位:mm)。

圖7 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖

(2)自平衡鉸鏈連接機(jī)構(gòu)

由于核桃果園的地勢(shì)不平,采摘機(jī)在采摘過(guò)程中容易發(fā)生傾斜,為了使采摘機(jī)在夾持時(shí)更加平穩(wěn),本文設(shè)計(jì)了一種具有自平衡功能的連接裝置,此裝置由鉸鏈機(jī)構(gòu)、銷軸、連接板組成。當(dāng)?shù)孛娌黄綍r(shí),鉸鏈機(jī)構(gòu)可以使連接板與地面平行,不會(huì)發(fā)生傾斜,自平衡鉸鏈連接機(jī)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 自平衡鉸鏈連接機(jī)構(gòu)示意圖

(3)撓性鐵鏈吸振機(jī)構(gòu)

為了防止激振裝置產(chǎn)生的激振力引起采摘機(jī)的整機(jī)共振,本文選用撓性鐵鏈作為采摘機(jī)的隔振裝置,每節(jié)鏈節(jié)為長(zhǎng)80 mm、直徑5 mm的橢圓形圓環(huán),鐵鏈由五節(jié)鏈節(jié)組成,鐵鏈的總長(zhǎng)度為340 mm,結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 撓性鐵鏈吸振機(jī)構(gòu)示意圖

2.4 振動(dòng)式核桃采摘機(jī)的總體裝配圖

利用SolidWorks軟件繪制振動(dòng)式核桃采摘機(jī)各個(gè)零部件的三維模型,將各個(gè)零部件的三維模型進(jìn)行裝配得到振動(dòng)式核桃采摘機(jī)的裝配圖,如圖10所示。

圖10 振動(dòng)式核桃采摘機(jī)總體裝配圖

3 振動(dòng)式核桃采摘機(jī)的優(yōu)化

3.1 振動(dòng)式核桃采摘機(jī)激振裝置的優(yōu)化

偏心輪是激振裝置的核心,采摘機(jī)主要是靠偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生激振力,因此要對(duì)偏心輪進(jìn)行強(qiáng)度分析,驗(yàn)證偏心輪是否能承受在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變。

將偏心輪的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析[22],如圖11所示。偏心輪的材料為Q235,對(duì)應(yīng)的彈性模量為190 GPa,密度為7 800 kg/m3,泊松比0.3,屈服強(qiáng)度為185 MPa。材料特性設(shè)置完成后將偏心輪三維實(shí)體模型劃分為尺寸大小為5 mm的網(wǎng)格。

圖11 Workbench偏心輪模型

偏心輪在采摘機(jī)工作過(guò)程中繞偏心輪支撐軸旋轉(zhuǎn),因此只存在一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度,添加圓柱約束。在ANSYS中離心力無(wú)法加載,所以施加旋轉(zhuǎn)載荷Rotational Velocity代替離心力,根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)可知汽油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min,因此旋轉(zhuǎn)載荷確定為1 800 rpm,分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 偏心輪強(qiáng)度分析結(jié)果圖

從圖12中可以看出偏心輪的最大變形發(fā)生在偏心輪的邊緣處,并且最大變形量約為5.5×10-4mm,最大塑性變形量約為1.6×10-5mm,這兩個(gè)變形都相對(duì)較小,不會(huì)影響偏心輪的正常旋轉(zhuǎn)。從等效應(yīng)力圖中可以看出最大應(yīng)力發(fā)生在偏心輪與偏心輪支撐軸連接的位置,最大應(yīng)力約為3.089 8 MPa,遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度,偏心輪滿足強(qiáng)度與安全性要求。

在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅僅要滿足設(shè)計(jì)要求,還要在滿足要求的前提下盡可能地節(jié)約材料,盡可能的降低生產(chǎn)成本,此處將偏心輪的厚度減小到30 mm,又因?yàn)槠妮喌暮穸扔绊懠ふ窳Φ拇笮?根據(jù)激振力計(jì)算公式:

(3)

在偏心輪厚度減小的情況下,激振力不變的最有效方法是增大偏心輪的半徑,通過(guò)計(jì)算得到偏心輪的半徑為89.6 mm,將其圓整為90 mm,對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析,結(jié)果可知優(yōu)化后的偏心輪受到的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度,并且偏心輪的體積423.741 cm3變成382.647 cm3,質(zhì)量由3.326 kg減少為3.004 kg,質(zhì)量與體積都減少了9.7%,在不降低激振力的前提下,降低了生產(chǎn)成本,節(jié)約了材料。

3.2 振動(dòng)式核桃采摘機(jī)夾持裝置的優(yōu)化

在夾持過(guò)程中,采摘夾手受到液壓缸的推力以及激振力的反作用力,因此我們需要對(duì)采摘夾手進(jìn)行強(qiáng)度分析。

將采摘夾手的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench,如圖13所示。由于兩個(gè)采摘夾手受到的載荷相同,本文對(duì)其中一個(gè)進(jìn)行分析。對(duì)其進(jìn)行材料屬性添加,采摘夾手的材料為合金鋼,彈性模量為210 GPa,密度為7 800 kg/m3,泊松比0.3,屈服強(qiáng)度為620 MPa。對(duì)采摘夾手的三維實(shí)體模型劃進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖13 采摘夾手三維實(shí)體模型

對(duì)銷軸處施加圓柱約束,采摘夾手受到的激振力的反作用力為4 000 N,液壓缸的推力為2 250 N,因此對(duì)采摘夾手施加約束載荷分析,結(jié)果如圖14所示。

從圖14采摘夾手的最大變形發(fā)生在筋板與采摘夾手連接處以及采摘夾手的末端,最大變形量分別為7.7×10-2mm、1.8×10-4mm,此兩者發(fā)生的變形較小,不會(huì)對(duì)采摘夾手造成損傷。從圖中c可以看出采摘夾手受到的最大應(yīng)力發(fā)生在筋板與圓弧部分的連接處,最大應(yīng)力約為24.249 MPa,小于材料的許用應(yīng)力,采摘夾手不會(huì)發(fā)生變形、斷裂,滿足設(shè)計(jì)要求。

機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中,在能夠達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)的情況下,還要降低材料的浪費(fèi),減少成本。在此處將采摘夾手的寬度改為30 mm,厚度改為40 mm,筋板厚度改為10 mm,并且對(duì)筋板與采摘夾手之間的角度進(jìn)行研究,對(duì)角度為15°、18°、20°、23°、25°、27°時(shí)采摘夾手受到的最大應(yīng)力進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖15所示。

圖15 筋板角度不同時(shí)采摘夾手受到的最大應(yīng)力

根據(jù)圖15可知筋板與采摘夾手之間的角度為23°時(shí)采摘夾手受到的最大應(yīng)力最小,因此將筋板與采摘夾手之間的角度設(shè)置為23°,優(yōu)化后的采摘夾手受到的最大應(yīng)力小于材料的許用值。采摘夾手的質(zhì)量由10.198 kg減少到6.468 kg,體積由1 324.378 cm3減少到839.935 cm3,體積質(zhì)量均減少了36.6%,在不降低采摘夾手強(qiáng)度的前提下,降低了生產(chǎn)成本,節(jié)約了材料。

4 振動(dòng)式核桃采摘機(jī)振動(dòng)效果驗(yàn)證

將采摘機(jī)模型轉(zhuǎn)為.x-t格式并導(dǎo)入ADAMS中[23],各零件之間進(jìn)行固定連接,偏心輪與軸之間也為固定連接;將樹(shù)干設(shè)置為柔性體;在偏心輪軸處加旋轉(zhuǎn)副,如圖16所示。

圖16 ADAMS采摘機(jī)模型圖

4.1 振動(dòng)式核桃采摘機(jī)工作平穩(wěn)性驗(yàn)證

對(duì)旋轉(zhuǎn)副處添加馬達(dá)motion,此處轉(zhuǎn)速的單位是d*time,意為1秒鐘轉(zhuǎn)多少度,根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)汽油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min,因此將轉(zhuǎn)速確定為10 800*time,對(duì)采摘機(jī)進(jìn)行仿真,得到偏心輪在轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反時(shí),樹(shù)干質(zhì)心在X與Y方向的速度曲線,如圖17所示,質(zhì)心的軌跡變化圖如圖18所示。

圖17 樹(shù)干質(zhì)心處的速度曲線圖

圖18 樹(shù)干質(zhì)心處的軌跡變化圖

在圖中可以看出在X方向兩偏心輪主要做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng);Y方向僅在靠近Y軸處產(chǎn)生較小的力,有較小的速度產(chǎn)生;振動(dòng)開(kāi)始時(shí)核桃樹(shù)的質(zhì)心波動(dòng)范圍較大,當(dāng)振動(dòng)穩(wěn)定后,質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡變得平穩(wěn)。

可見(jiàn),本研究所設(shè)計(jì)的振動(dòng)式核桃采摘機(jī)工作時(shí),振動(dòng)穩(wěn)定后核桃樹(shù)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡平穩(wěn),采摘機(jī)工作平穩(wěn)性較好。

4.2 振動(dòng)式核桃采摘機(jī)采摘性能驗(yàn)證

激振力能否滿足條件是使核桃脫落的重要前提,因此需要驗(yàn)證偏心輪產(chǎn)生的激振力能否達(dá)到采摘的需求。觀察偏心輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力大小,如圖19所示。

圖19 偏心輪慣性力曲線圖

根據(jù)圖19可知偏心輪產(chǎn)生的激振力大致分布于3 900～4 100 N之間,基本符合理論計(jì)算中所設(shè)計(jì)偏心輪產(chǎn)生4 000 N的力,此時(shí)核桃果梗處受到的拉斷力大于九成熟核桃的果梗結(jié)合力,小于七成熟核桃的拉斷力,能夠?qū)崿F(xiàn)分批采摘。

綜上所述,本研究所設(shè)計(jì)的振動(dòng)式采摘機(jī)能夠完成分批采摘的要求,采摘效果較好。

5 結(jié)論

本文依據(jù)采摘機(jī)、核桃樹(shù)體和核桃果實(shí)的振動(dòng)特性,結(jié)合采摘機(jī)的作業(yè)環(huán)境和采摘對(duì)象的物理特性等,設(shè)計(jì)了一種樹(shù)干振動(dòng)式核桃采摘機(jī)。該采摘機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)核桃果實(shí)的分批次采摘,并且采摘過(guò)程中不會(huì)對(duì)樹(shù)體和樹(shù)根造成損傷,采摘效率高、適用范圍廣。該采摘機(jī)有效提升了核桃果實(shí)的采摘效率,降低了核桃果實(shí)采摘的勞動(dòng)強(qiáng)度和采摘成本,提升了核桃果實(shí)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,增加了農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入。本研究所運(yùn)用的設(shè)計(jì)方法也可以為其他林果采摘機(jī)械設(shè)備的開(kāi)發(fā)與研究提供借鑒。