樹冠振動式核桃采收裝置的設計與分析

王真真，坎　雜，付　威，李成松，朱興亮，王麗紅

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子　832000)

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樹冠振動式核桃采收裝置的設計與分析

王真真，坎雜，付威，李成松，朱興亮，王麗紅

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子832000)

摘要：為提高核桃采收效率、降低果樹損傷，針對新疆核桃種植模式，設計了樹冠振動式核桃采收裝置。該裝置通過撥桿圓盤的直線往復運動產生的激振力實現核桃振動采收。通過對曲柄滑塊總成進行運動分析，推導出了滑塊速度和加速度的表達式，并對裝置產生的激振力進行求解，得出振動頻率為2Hz時裝置對核桃最大激振力為134N，驗證了該裝置進行采收作業的可行性。同時，對采收裝置進行慣性力分析，推導出了不同組數曲柄滑塊總成的合力表達式，得出了該裝置所受慣性力最大為8.69N，為新疆核桃收獲機的進一步研究提供了理論基礎。

關鍵詞：核桃；樹冠振動；采收裝置；曲柄滑塊

0引言

核桃是我國廣泛種植的特色堅果之一，其種植面積、產量均居世界第一。新疆是我國核桃生產的第二大省[1]，2014年新疆核桃種植面積突破30萬hm2，主要分布在阿克蘇、喀什及和田地區。目前，新疆核桃普遍采用人工采收，成本高、效率低，人工采收占果園生產過程總用工量的50%左右[2]，適時采收能夠降低核桃霉菌感染的幾率，提高果品質量[3],有利于核桃產業的健康、穩定發展。

核桃采收機械主要采用樹干振動采收方式。根據樹干振動特點可分為抱搖式樹干振動[4]和撞擊式樹干振動[5]。由于樹干長勢傾斜和夾持位置不緊固，抱搖式樹干振動會造成樹干夾持處表皮損傷，撞擊式樹干振動采收機的撞擊部件連續擊樹干，在樹干撞擊位置出現撞擊損傷，同時會造成核桃樹根部損傷。

通過上述分析，本文提出一種基于樹冠振動式的核桃采收裝置，旨在降低果樹損傷，提高采收效率。

1裝置結構及工作原理

1.1　裝置結構

采收裝置主要由液壓馬達、聯軸器、機架、曲軸主軸、曲柄滑塊總成等組成，如圖1所示。其中，曲柄滑塊總成與機架采用螺栓固定，曲軸主軸之間通過鏈式聯軸器連接。

1.液壓馬達　2.聯軸器　3.機架

曲柄滑塊總成主要由曲軸導軌組、撥桿圓盤、導軌架等組成，如圖2所示。每個曲柄滑塊總成由1個曲軸導軌組和2個撥桿圓盤組成。撥桿圓盤繞軸向隨動，降低撥桿對樹枝損傷。

1.2　工作原理

工作時，液壓馬達驅動曲柄滑塊機構實現撥桿圓盤的直線往復運動；撥桿擊打樹枝時，核桃產生的慣性力大于其果柄拉斷力時，核桃掉落，實現核桃采收。本裝置撥桿圓盤受到樹枝阻力后能夠轉動，實現了主動振打與被動旋轉相結合，能夠有效降低采收過程中核桃樹枝的損傷。

1.撥桿圓盤　2.導軌架　3.曲軸導軌組

2關鍵部件結構設計

2.1　曲軸導軌組設計

曲軸導軌組是振動采收裝置的核心部件(見圖3)，主要由曲軸主軸、曲柄板、連桿、連接桿、平行導軌及圓盤軸等組成。曲軸安裝在導軌架的后端，曲軸主軸與曲柄板固結在一起，曲柄板決定采收裝置的振幅,選取曲柄板長度為50mm。連桿的一端與曲軸鉸接，另一端與連接桿鉸接，連接桿用于調整固定板與連桿的距離，本裝置連桿長度取為120mm。圓盤軸、連接桿與直線軸承固接為一體，直線軸承套在平行導軌上，平行導軌焊接在導軌架上。

1.曲軸主軸　2.曲柄板　3.連桿

2.2　撥桿圓盤設計

撥桿圓盤由撥桿、橡膠板及壓板等組成，如圖4所示。兩圓盤之間的距離及相鄰撥桿圓盤的距離對采收率有影響，距離太大或太小都會使采收率降低。依據核桃樹形結構特點，本文取兩圓盤之間的距離為225mm，相鄰導軌架的距離為414mm。工作時，8組撥桿圓盤同時進行振動作業，撥桿圓盤周向均勻分布12個撥桿。撥桿通過橡膠板和壓板壓緊，橡膠板與壓板間通過鎖緊螺母進行緊固，同時壓板壓緊軸承套中間的凸臺，同軸承套固結，既保證了整個周向撥桿的分布，又能防止撥桿在反復振動過程中脫落。為減少振動過程中對樹枝產生破壞性損傷，撥桿選用韌性好、耐磨力強的尼龍棒。

1.撥桿　2.橡膠板　3.壓板

3運動與慣性力分析

3.1　曲柄滑塊總成運動分析

為便于分析曲柄滑塊機構運動過程，將曲柄滑塊機構簡化成運動分析圖，如圖5所示。取O點為坐標原點，取x，y正軸方向為矢量正方向，裝置起始位置位于右側極限位置。

圖5　曲柄滑塊機構運動分析簡圖

由復數矢量法可知

(1)

利用歐拉公式整理并展開，則有

L1cosθ1+L2cosθ2=LOC

(2)

L1sinθ1+L2sinθ2=0

(3)

由式(3)可知

θ2=-arcsin(L1sinθ1/L2)

(4)

求導可得到L2角速度為

(5)

式(2)分別對t進行一次及二次求導，可得到滑塊速度及加速度為

(6)

(7)

因此，裝置產生的激振力為

F1=-maoc

(8)

L1—曲柄板OB的長度；

L2—連桿BC的長度；

Loc—滑塊C沿x軸位移；

voc—滑塊C沿x軸速度；

aoc—滑塊C沿x軸加速度；

t—機構運轉時間；

θ1—t時刻曲柄板轉角；

θ2—t時刻連桿轉角；

ω1—曲柄角速度；

ω2—連桿角速度；

m—滑塊質量。

振動頻率可通過改變液壓馬達轉速進行調整。當振動頻率為2Hz，即馬達轉速n1=120r/min時，代入數據(L1=50mm，m=12kg，L2=120mm)，通過Mathcad軟件計算得出裝置產生的激振力最大為134N>80N[6]，滿足核桃振動分離要求。因此，該裝置能夠將核桃振落。

3.2　采收裝置慣性力分析

機構中的慣性力將導致機構振動，因此需要對裝置慣性力進行分析。設曲柄滑塊總成的組數為N，運動簡圖如圖6所示。

圖6　多組曲柄滑塊總成運動分析圖

由圖6可知

(9)

(10)

由公式(4)可知

tanγi=tan[2π-arcsin(L1sinθ1,i/L2)]

(11)

由于公式(7)中aoc是關于曲柄轉速ω1和時間t的公式，因此不同相位下的加速度等同于不同時間下的加速度。對于第i組有

(12)

(13)

δ—曲柄板排布間角；

θ1，i—第i組曲柄轉角；

γ1，i—第i組連桿與x軸負方向夾角；

aoc，i—第i組滑塊加速度。

由于滑塊在直線上滑動，因此加速度可以按照標量運算進行加減，合加速度為

∑aOC=aOC,1+aOC,2+…+aOC,N

(14)

為明確采收裝置所受各曲柄滑塊機構振動過程中的慣性力，取第i組曲柄滑塊機構進行受力分析，如圖7所示。

圖7　單組曲柄滑塊總成慣性力分析圖

因滑塊質量為m，所以存在慣性力為

Fcx,i=maoc,i

(15)

Fcy,i=Fcx,itanγi

(16)

由OBC系統平衡，得

Fox,i=-Fcx,i=-maoc,i

(17)

Foy,i=-Fcy,i=-Fcx,itanγi

(18)

x方向裝置合力為

∑Fox=Fox,1+Fox,2+…+Fox,N=m∑aOC

(19)

y方向裝置合力為

∑Foy=Foy,1+Foy,2+…+Foy,N

=m(tanγ1Fox,1+tanγ2Fox,2+…+tanγNFox,N)

(20)

將式(11)利用Mathcad軟件計算得max(tanγi)=0.458，因此

∑Foy≤(0.458Fox,1+0.458Fox,2+…+0.458Fox,N)

=0.458∑Fox

(21)

裝置所受合力為

(22)

式中Fcx，i—第i組滑塊在x軸方向慣性力；

Fcy，i—第i組滑塊在y軸方向慣性力；

Fox，i、Foy，i—軸端所受反作用力。

根據核桃樹冠形態，選取4組曲柄滑塊總成，即N=4，代入數據，通過Mathcad軟件得合加速度∑aoC隨時間的變化規律，如圖8所示。

圖8　合加速度曲線

由圖(8)可得：maxΣaoc=0.658m/s2,裝置所受合

慣性力最大值為maxΣF≤1.1maxΣFox=8.69N，可在曲柄板處增加平衡塊以消除慣性力對采收裝置的影響。

4結論

1)設計了一種樹冠振動式核桃采收裝置，可對不同生長形態的果樹進行振動采收作業；撥桿圓盤繞軸向轉動，有效地降低了采收過程中裝置對樹枝的機械損傷。

2)通過對滑塊進行運動分析，得出了振動頻率為2Hz時裝置對核桃最大激振力為134N，驗證了該裝置對核桃振動采收的可行性。

3)通過對裝置慣性力分析，得出了裝置所受最大慣性力為8.69N，為采收裝置結構優化及核桃收獲機的進一步研究提供了基礎。

參考文獻：

[1]李忠新,楊莉玲,阿布力孜·巴斯提，等.中國核桃產業發展研究[J].中國農機化學報,2013,34 (4):23-28.

[2]高團結,坎雜,馬俊貴,等.果園核桃機械化采收裝置的設計[J].中國農機化學報,2013，34(5)：185-189.

[3]佚名.核桃的正確采收與處理[J].果農之友，2011(10):46.

[4]王長勤，許林云，周宏平，等.偏心式林果振動采收機的研制與試驗[J].農業工程學報,2012,28(16):10 -16.

[5]散鋆龍,牛長河,喬圓圓,等.林果機械化收獲研究現狀、進展與發展方向[J].新疆農業科學,2013,50(3):499-508.

[6]喬園園,牛長河,劉向東,等.核桃果柄分離力與其影響因素的相關系數研究[J]. 新疆農業科學,2014,51(3):524-531.

The Design and Analysis of Canopy Shaker Device for Walnut

Wang Zhenzhen, Kan Za, Fu Wei, Li Chengsong, Zhu Xingliang, Wang Lihong

(College of Mechanical and Electrical Engineering， Shihezi University， Shihezi 832000，China)

Abstract：In order to improve the harvesting efficiency of walnut and reduce the damage of walnut tree, a kind of canopy shaker device was designed under the planting of Xinjiang walnut. The exciting force caused by the straight reciprocating motion of disks with driving levers around was used to harvest walnut. Through the analysis of the slider-crank mechanism, the expression of acceleration and velocity were deducted. And the maximum exciting force was solved as 134N by solving mechanism, while the frequency was 2Hz. The feasibility of the mechanism was verified. Meanwhile, the inertia force of mechanism was analyzed to deduct the resultant force expression of different groups slider-crank, and its maximum value was 8.96N. It provides a theoretical basis for the research of Xinjiang walnut harvester.

Key words：walnut ;canopy shaker;device; slider-crank

中圖分類號：S225.93

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0056-04

作者簡介：王真真(1988-)，男，山東平原人，碩士研究生，(E-mail) 970279450@qq.com。通訊作者：坎雜(1963-)，男，新疆精河人，教授，博士生導師，(E-mail)kz-shz@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51465051，51365049)

收稿日期：2015-07-14