基于ADAMS的藍莓采摘機構(gòu)設(shè)計與仿真*

史 亮，范久臣，喬 晗

(北華大學機械工程學院，吉林吉林 132021)

0 引言

近年來藍莓的保健作用和經(jīng)濟、藥用價值越來越得到人們的重視，被稱為“世界水果之王”［1］。各個地區(qū)藍莓的種植面積越來越大，但由于中國藍莓收獲主要依靠人工采摘，采摘費用約占藍莓生產(chǎn)總成本的50% ～70%［2］。為降低成本，國內(nèi)先后提出的藍莓采摘機(如某手推式采摘機對果實損壞率達10%，采摘率不足85%)，其采摘機構(gòu)大多數(shù)是不能保證有穩(wěn)定的采摘慣性力，在采摘成熟果實的同時，會混入生果，不利于采摘，筆者設(shè)計了一種抖動式藍莓采摘機構(gòu)，可提高藍莓采摘效率和收獲過程的自動化水平。

1 采摘機構(gòu)工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

藍莓采摘機主要包括采摘機構(gòu)、采摘機外殼、驅(qū)動帶輪等如圖1所示。

圖1 藍莓采摘機結(jié)構(gòu)簡圖

采摘機構(gòu)是核心部件。采摘機構(gòu)與驅(qū)動帶輪與外殼相連，依靠電動機驅(qū)動帶輪帶動采摘棒。安裝的采摘棒將機械振動傳遞給果樹，成熟的果實在接受了外加的強迫振動后與樹枝分離［3］，果實落入輸送帶送入收集箱內(nèi)，完成對藍莓的采摘。

1.2 振動采摘理論分析

采摘機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，中心軸與殼體相連，殼體中有兩根帶有偏心塊的短軸。帶有偏心塊的軸隨中心軸轉(zhuǎn)動。同時，偏心塊的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了一對等大反向的平衡力偶，等效成轉(zhuǎn)矩作用在采摘機構(gòu)上。偏心塊旋轉(zhuǎn)一周完成一個采摘周期，藍莓灌木叢受到采摘棒的受迫振動，使得成熟藍莓果實脫落。

圖2 采摘機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

植株樹枝受到采摘棒的振動沖擊對果實形成的采摘慣性力為Fc。假設(shè)成熟果實與樹枝結(jié)合力為Fa，生果與樹枝結(jié)合力為Fb，考慮到采摘過程保留生果，采摘熟果［4］。得到采摘慣性力滿足條件:

以結(jié)有果實的藍莓植株作為研究對象，求解采摘力與偏心塊轉(zhuǎn)速之間的響應(yīng)關(guān)系。偏心塊產(chǎn)生的離心力F為:

式中:rc=4r1/3π為偏心質(zhì)量塊的質(zhì)心，r1為偏心塊的半徑。ω為偏心塊轉(zhuǎn)速，M=ρlπr12/2偏心塊的質(zhì)量。等效后整個偏心機構(gòu)獲得的周期性轉(zhuǎn)矩T為:

式中:R為兩個短軸到中心主軸的距離。

式中:J為采摘機構(gòu)相對于中心軸的轉(zhuǎn)動慣量，K為等效后的模型阻尼，B為等效后的剛度。采摘部分力學模型簡化圖如圖3所示。

采摘機構(gòu)相對于中心軸的轉(zhuǎn)動慣量J，殼體相對于中心軸的轉(zhuǎn)動慣量Jb，采摘桿相對于中心軸的轉(zhuǎn)動慣量Jr，偏心軸相對于中心軸的轉(zhuǎn)動慣量Js，即:

圖3 采摘部分力學模型圖

在采摘過程中，由于Js做周期性的變化，從而使得整個采摘裝置的轉(zhuǎn)動慣量J也呈現(xiàn)周期性變化，應(yīng)用上述的微分方程求解比較困難，因而通過軟件進行仿真分析，以確立合理的組合參數(shù)。

2 模型建立及仿真分析

2.1 采摘機構(gòu)模型建立

CATIA中建立藍莓采摘機構(gòu)零件模型，完成無干涉裝配，并將裝配好的機構(gòu)模型導(dǎo)入ADAMS中。由于ADAMS中所使用MNF格式的柔性體文件，須借助有限元軟件來完成［5］。通過ANSYS把采摘棒柔性化處理后，導(dǎo)入ADMAS中，替換藍莓采摘機構(gòu)模型中的剛性采摘棒。創(chuàng)建約束、定義接觸、設(shè)定驅(qū)動，得到藍莓采摘機的剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D4所示。

2.2 測量點的設(shè)置

藍莓在慣性力下會與樹枝分離，筆者以樹枝上采樣點的加速度作為測量對象，以此衡量藍莓能否與樹枝分離。在青果時，平均結(jié)合力約為3 N，當果實達到八成熟時，結(jié)合力為 0.5 ～1 N［6－7］。在樹枝上取點進行測量，仿真的采摘參數(shù)見表1。

圖4 采摘機構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

表1 采摘對象參數(shù)表

2.3 采摘機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)選

根據(jù)采摘機構(gòu)的仿真結(jié)果，找出對落果效率影響最大的參數(shù)，進而確定合理的組合參數(shù)。本機構(gòu)主要參數(shù)有偏心塊轉(zhuǎn)速和偏心塊的半徑。考察偏心塊轉(zhuǎn)速過程中，保持其他參數(shù)不變，進行仿真分析。如圖5(a)～(d)分別對應(yīng)中心塊轉(zhuǎn)速為100 r/min、200 r/min、300 r/min、400 r/min測量點的加速度曲線。

由仿真結(jié)果可看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，測量點加速度呈現(xiàn)周期性變化，有效幅值有所增加，但是當轉(zhuǎn)速達到400 r/min以后，加速度的有效幅值變得不穩(wěn)定，采摘慣性力不易控制，不利于采摘機的正常工作，因此將偏心塊的轉(zhuǎn)速定為300 r/min。

確定了轉(zhuǎn)速后，對不同偏心塊的半徑進行分析，保證落果質(zhì)量。以4 mm為間隔，定義4組的半徑分別為20 mm ，24 mm，28 mm ，32 mm的偏心塊，進行4組仿真分析實驗，如圖6(a)～(d)為仿真分析結(jié)果，圖6(c)為偏心塊半徑為28 mm的測量點加速度曲線，明顯的看出在每個周期內(nèi)的最大幅值位于－80000～－100000 mm/s2之間，有效落果率達到90%左右，提高了采摘效率。

圖5 偏心軸不同轉(zhuǎn)速下測量點的加速度曲線

3 結(jié)論

(1)通過對采摘機構(gòu)的設(shè)計與原理分析，建立采摘機構(gòu)CAD模型。結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了從采摘到裝箱的一體化，節(jié)省了采摘時間，節(jié)約采摘成本。

(2)通過對采摘振動過程進行理論分析，得出采摘過程的基本要求。使用ADAMS對模型進行簡化，建立剛?cè)狁詈夏Ｐ停瑢Σ煌膲K轉(zhuǎn)速與偏心塊半徑進行動力學仿真。通過對比仿真結(jié)果，確立了在一定范圍內(nèi)落果率隨偏心塊轉(zhuǎn)速的增加而提高，轉(zhuǎn)速為300 r/min和偏心塊半徑為28 mm時，能夠保證穩(wěn)定的采摘慣性力，達到合理的采摘效果。為今后我國藍莓采摘機構(gòu)的研究提供理論依據(jù)。

圖6 不同偏心塊半徑的測量點的加速度曲線

［1］ 陸 巖，王樹進.藍莓產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及開發(fā)前景［J］.農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2010，11(5):12－15.

［2］ 郭艷玲，鮑玉冬.手推式從采摘機設(shè)計與實驗［J］.農(nóng)業(yè)工程報，2012，28(7):40－45.

［3］ 陳 度，杜小強，王書茂，等.振動式果品收獲技術(shù)機理分析機研究進展［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27(8):195－200.

［4］ 王海濱，郭艷玲.振動式藍莓采摘的機理分析與仿真［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29(12):40－46.

［5］ 楊綺云，趙玉龍，馮硯博.基于ADMAMS的藍莓采摘機構(gòu)動力學性能仿真研究［J］.包裝與食品機械，2014，32(3):28－31

［6］ 何培莊，朱 海.基于ADAMS的藍莓采摘機構(gòu)的仿真分析［J］.現(xiàn)代科學儀器，2012(1):32－38.

［7］ 孔德剛，劉 魏.藍莓成熟期結(jié)合力變化規(guī)律的測試與分析［J］.東北農(nóng)業(yè)大學學報，2014，45(4):99－106.

［8］ 賈長治，殷軍輝，薛文星.MD ADAMS虛擬樣機從入門到精通［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.