采摘機－核桃樹系統(tǒng)的仿真與試驗

劉夢飛 鄭甲紅 高 警

LIU Meng－fei ZHENG Jia－h(huán)ong GAO Jing

（陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an，Shaanxi 710021，China）

中國是核桃生產(chǎn)大國，也曾是核桃出口大國，然而國內(nèi)核桃采摘仍基本采用人工采摘方法［1］，用竹竿或長木桿敲擊核桃所在的枝條或直接將其擊落，勞動強度大、具有一定危險性、用工量多、效率低，且容易損傷枝條，成本高。國外的核桃采摘的機械化、標準化程度較高，通過大型拖拉機驅(qū)動液壓激振裝置進行振動采收，適用在平原，具有較大的工作空間的稀疏型莊園［2］。隨著中國核桃產(chǎn)量的迅速增加和農(nóng)村勞動力的減少，核桃產(chǎn)業(yè)對機械化、標準化的需求將越來越迫切，因此研制適應(yīng)核桃產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展的相關(guān)機械是當務(wù)之急［3］。南京林業(yè)大學(xué)發(fā)明了一種偏心式林果振動采摘機，該機通過電控履帶車驅(qū)動，采摘率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，機動性能差，不適宜在丘陵山區(qū)作業(yè)［4］；新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所引進并改進設(shè)計了意大利ERREP－PI公司生產(chǎn)的 VIBROLIV 干果采收機［5，6］，進行了紅棗、沙棗采收試驗和性能測試，采摘效果良好，但這種采收機適用于平原中樹冠較大、樹干直徑較粗且操作空間較大的稀疏果園。本試驗根據(jù)中國丘陵山區(qū)密植矮化核桃種植的特點，設(shè)計一種便攜式核桃采摘機，通過運用Workbench建立采摘機－核桃樹系統(tǒng)的仿真，并在核桃基地進行實際采摘試驗。

1 采摘機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

針對目前密植矮化核桃林模式下采收作業(yè)空間小、機械化作業(yè)條件差的現(xiàn)狀，設(shè)計了便攜式振動采摘機，采用樹干或枝干振搖的方式。核桃采摘機的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整機主要由汽油機、聯(lián)軸器、軟軸、連接筒、激振器、支架、鏈輪、手柄、銷軸、鏈條組成。采用汽油機相比拖拉機、履帶車移動更加方便，適合密植核桃林的移動。汽油機的動力通過聯(lián)軸器傳至軟軸，軟軸又通過聯(lián)軸器傳至激振器的輸入軸。其中激振器的下殼體和夾持裝置固定在一起，將激振器的振動施加在樹干或枝干上。

圖1 核桃采摘機總體結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Walnut picking machine overall structure

采摘工作時，將支架圓弧部分貼靠在樹干或枝干，用鏈條繞著樹干或枝干掛在支架的掛鉤上，通過手柄帶動鏈輪的轉(zhuǎn)動來拉緊鏈條從而實現(xiàn)夾緊要求。支架和激振器是固定在一起的，工作時汽油機將動力由軟軸傳至激振器，激振器產(chǎn)生振動作用于核桃樹樹干或枝干，果枝在強迫振動下以一定的頻率與振幅振動［7］，核桃在果枝的振動下獲得加速度，加速運動的核桃產(chǎn)生慣性力，當慣性力大于果枝與核桃的結(jié)合力時，核桃與果梗分離，從而實現(xiàn)振動式采摘。采摘中可通過調(diào)節(jié)汽油機的油門來控制激振器中偏心軸的轉(zhuǎn)速，從而控制激振器的頻率。

2 核桃樹的三維模型的建立和模態(tài)分析

2.1 核桃樹的實體模型（Pro／E）

根據(jù)實際的測量，在Pro／E中建立核桃樹的三維模型見圖2。

圖2 核桃樹的三維實體模型Figure 2 3D solid model of the walnut tree

2.2 樹體的模態(tài)分析（ANSYS workbench）

在Pro／E中建立與ANSYS Workbench的關(guān)聯(lián)，直接就可將樹體的三維模型導(dǎo)入到Workbench中并建立模態(tài)分析項目。設(shè)置樹體的材料屬性，包括密度、彈性模量和泊松比。設(shè)置網(wǎng)格質(zhì)量屬性后采用自動網(wǎng)格劃分法，在樹體的根部施加固定約束，獲得樹體的6階模態(tài)響應(yīng)，見表1。

從模態(tài)分析動畫和固有頻率表可以看出樹體的固有頻率和振型［8］，前兩階主要為主干枝振動，三、四階主要是側(cè)枝振動，其最大變形發(fā)生在側(cè)枝的二級枝干上，五、六階主要為主干枝振動。這對采摘機的激振頻率的選擇具有一定的指導(dǎo)參考價值，在設(shè)計激振力的激振頻率時應(yīng)當避開樹體的固有頻率［9］，從而減少或避免振動對樹體的損傷。

表1 核桃樹體的固有頻率表Table 1 Walnut tree natural frequency table

3 采摘機－核桃樹系統(tǒng)的仿真

3.1 激振裝置力的模型

核桃采摘機的激振裝置［10］主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：雙軸對稱偏心激振裝置和單軸單偏心激振裝置。雙軸對稱偏心激振裝置如圖3（a）所示，當兩軸作反方向等速回轉(zhuǎn)時，兩軸的偏心塊的離心慣性力產(chǎn)生激振力。該激振力是兩者在Y方向上疊加的合力，在X方向上兩軸的激振力是相互抵消的。因此，雙軸對稱偏心激振裝置產(chǎn)生的振動輸出是一個直線上的，大小隨偏心轉(zhuǎn)角的變化而變化的簡諧激振力。激振力計算公式見式（1）。

式中：

F—— 激振力，N；

m—— 質(zhì)量塊的質(zhì)量，kg；

e——質(zhì)量塊的偏心半徑，m。

單軸單偏心激振裝置如圖3（b）所示，當軸作等速回轉(zhuǎn)時，偏心塊的離心慣性力產(chǎn)生激振力。該激振力F在X方向和Y方向會分別產(chǎn)生一個分力，在一定的轉(zhuǎn)速下，設(shè)慣性力F與X 軸方向的夾角為θ，則FY＝F sinθ，F(xiàn)Y＝F cosθ＝F sin（90°－θ）。因此，單軸單偏心激振裝置產(chǎn)生的振動輸出是一個在圓周方向上大小不變，方向時刻變化的圓周激振力。在XOY平面內(nèi)等效于FX和FY兩分力的作用，也就是在X和Y方向的兩簡諧激振力的等效作用。

3.2 采摘機－核桃樹系統(tǒng)振動特性的對比仿真分析

為了得到、突出和對比單軸單偏心激振裝置和雙軸對稱偏心激振裝置輸出不同形式的激振力對樹體的振動特性的不同響應(yīng)，設(shè)定偏心激振力大小都為2 000 N，激振力作用于樹體的位置都為距地面1 000 mm，激振頻率都為0～60 Hz，對樹體進行諧響應(yīng)分析［11］。

由3.1所述，雙軸對稱偏心激振裝置產(chǎn)生的振動輸出是條直線上的簡諧激振力。設(shè)激振力作用在X軸的方向，垂直于樹體表面，得到核桃樹體整體變形圖和頻率與振幅關(guān)系圖見圖4、5。

由3.1所述，單軸單偏心激振裝置產(chǎn)生的振動輸出是圓周激振力，等效為作用在X和Y軸的兩簡諧激振力，兩激振力相位相差90°，將兩力施加在垂直于樹體表面，得到樹的整體變形圖和頻率與振幅關(guān)系圖見圖6、7。

圖3 單／雙軸偏心激振裝置原理圖Figure 3 Single／Double Eccentric vibrating mechanism schematics

圖4 核桃樹體的整體變形圖Figure 4 Walnut tree’s overall deformation maps

圖5 頻率和振幅關(guān)系圖Figure 5 Figure frequency and amplitude

通過采摘機－核桃樹系統(tǒng)的虛擬仿真分析，動畫仿真的結(jié)果顯示，單軸單偏心激振裝置產(chǎn)生的激振力使樹體作近似圓周的振動，而雙軸對稱偏心激振裝置產(chǎn)生的激振力使樹體作沿著一條直線方向的來回振動。這與3.1中激振裝置力的理論分析相吻合，同時由圖5、7可以得出在一定頻率下單軸比雙軸產(chǎn)生的激振力對樹的振幅影響更加的顯著，但隨著頻率的增加兩者相差不大。核桃采摘時的激振頻率一般取16～18 Hz［12，13］采摘效果最好，所以相比之下，單軸激振裝置比雙軸激振裝置理論上采摘效果更好。

圖6 核桃樹體的整體變形圖Figure 6 Walnut tree’s overall deformation maps

圖7 頻率和振幅關(guān)系圖Figure 7 Figure frequency and amplitude

4 采摘機－核桃樹系統(tǒng)的對比試驗分析

4.1 設(shè)計對比試驗

分別對單軸單偏心激振裝置和雙軸對稱偏心激振裝置試制兩臺樣機，在陜西省商洛市商州區(qū)上河村的千畝核桃基地，選取有7年的樹齡，外形和主干直徑相差不大的核桃樹進行實際采摘試驗。試驗在夾持高度120 cm、激振力400 kg、作用時間5 min的條件下，對單軸和雙軸的樣機分別選取5棵香玲品種的核桃樹進行對比采摘試驗。本試驗以采摘率（式（2））為評價指標進行對比試驗，試驗設(shè)計及結(jié)果見表2。

4.2 試驗結(jié)果分析

由表2可知，在夾持高度、激振力、作用時間都相同的條件下，單軸的平均采摘率為0.924，而雙軸的平均采摘率僅為0.422，結(jié)果顯示單軸單偏心激振裝置的采摘率明顯高于雙軸對稱偏心激振裝置的采摘率，這與上面的采摘機－核桃樹系統(tǒng)的理論仿真分析相吻合；同時在實際采摘操作中發(fā)現(xiàn)隨著夾持高度和作用時間的增加，采摘率在一定范圍內(nèi)有所上升，但最終趨向水平；隨著激振力的增加采摘率在不斷的上升，但從樹體的損傷來看，核桃樹表皮的損傷越大，同時樹體根部的振動越大。所以實際在采摘過程中選用單軸單偏心激振機構(gòu)，一般對于有3～6年樹齡，用300 kg的激振力，有7～10年樹齡，用400 kg的激振力，夾持高度在120 cm左右，作用時間在5～7 min，采摘率可以達到90%，采摘效率約達到10棵／h，同時也能減少或避免對樹體的損傷。

表2 試驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Experimental design and results

5 總結(jié)

通過對目前新型矮化密植核桃林采摘環(huán)境分析，設(shè)計了一種新的便攜式核桃采摘機；運用Pro／E和 Workbench的協(xié)同作用，對核桃樹體進行建模和分析；采摘機－核桃樹系統(tǒng)在虛擬環(huán)境下單軸和雙軸偏心激振裝置產(chǎn)生的不同的激振力對樹體振動特性的對比分析，得出兩種不同形式的激振力對樹體的振動軌跡、振幅影響不同；同時通過實際的采摘對比試驗，反映出在夾持高度、激振力、作用時間相同的條件下，單軸和雙軸對核桃采摘率的影響的大小關(guān)系，驗證了采摘機－核桃樹系統(tǒng)仿真分析中單軸單偏心激振裝置比雙軸對稱偏心激振裝置對核桃樹的振動特性影響更大的結(jié)果。

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