可變參數雙動力果秧分離裝置設計與仿真

郝朝會+楊學軍+周軍平+劉立晶+顏華+張志杉

摘要：針對加工番茄果秧振動分離裝置非可調，不能滿足番茄產量變化的需要，造成能耗的浪費和不匹配，設計可變參數雙動力果秧分離裝置。對可變參數激振器進行受力分析和設計，對滾筒主體進行分析設計，并設計橡膠圈的夾板，使其易于安裝、可靠，并對阻尼減振器進行設計計算、選型，最后利用SOLIDWORKS軟件進行三維建模仿真。基于ADAMS軟件運動仿真，結果表明：該可變參數果秧振動分離裝置運行平穩可靠，加速度曲線和位移曲線運動規律，振動桿能夠產生一定振幅的振動，結構設計合理，能夠滿足番茄因產量變化節約能耗的要求。

關鍵詞：番茄收獲機；雙動力；果秧分離；振動式；激振器

中圖分類號：S225.92

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0380-04

我國番茄種植主要集中在新疆維吾爾自治區、內蒙古自治區、甘肅省等地，每年的種植面積略有波動，但總體種植面積穩定增長，隨著近年的發展，中國已成為全球第二大番茄生產國。番茄收獲期比較短而集中，人工采收成本高、效率低等問題凸顯，番茄機械化收獲很好地解決了這一矛盾。番茄的果秧振動分離是番茄機械化采收的重要環節之一，直接影響番茄的采收效果和效率。番茄果秧振動分離裝置是將番茄果實和番茄秧分離的裝置，通過兩個偏心輪產生交變的加速度，使得分離滾筒振動，番茄果實克服生物力和番茄秧分離，實現果秧分離的目的。石河子大學坎雜等對番茄果秧振動分離裝置進行受力和運動過程分析，設計出彈簧阻尼型振動滾筒分離裝置。石河子貴航農機裝備有限責任公司和意大利CRF公司合作，成功研制出番茄收獲機，其果秧分離為振動滾筒式分離裝置。隨后，現代農裝科技股份有限公司也成功研制出帶振動滾筒分離裝置的番茄收獲機。但國產番茄收獲機還未在番茄收獲市場上取得成效，整機可靠性較進口機器差，番茄收獲機的國產化還需要做更多的研究和改進工作[1-3]。新疆地區番茄收獲機主要是進口機器，番茄果秧振動分離裝置是非可調機構，不能很好地滿足對于天氣等原因而引起的番茄產量變化的需要，造成能耗的浪費或不匹配。為此，本研究在現有番茄果秧振動分離裝置的基礎上，設計了可變參數的番茄果秧振動分離裝置，并進行三維建模、干涉檢查以及仿真分析。

1 總體方案及設計原理

1.1 總體方案

可變參數番茄果秧振動分離裝置主要由可變參數激振器和可變參數滾筒，以及阻尼動力吸振器組成。可變參數激振器和可變參數滾筒通過螺栓固定在一起（圖1）。

1.2 設計原理

番茄果秧振動分離裝置動力從兩端輸入，激振器端動力輸入用于激振器工作產生一定頻率的振動，阻尼器端動力輸入用于果秧振動分離裝置的自轉。在工作過程中，被切割掉的番茄果秧由輸送柵格輸送到振動分離滾筒，隨著滾筒較慢速度的自轉，滾筒上的振動棒插在番茄果秧中間，同時振動棒由激振器產生一定頻率和振幅的變速周期振動，帶動果秧振動，從而使番茄果實和番茄秧分離，分離后的番茄果實落在振動滾筒下方的果實柵格鏈上，而番茄秧隨滾筒自轉拋甩到番茄秧輸送鏈上，完成番茄的果秧分離[4-6]。

2 關鍵零部件設計

2.1 可變參數激振器設計

可變參數激振器主要由激振器支架、主軸套、可變質量偏心輪、張緊輪、調節輪、主軸、激振器蓋板等組成（圖2）。

激振器在運轉過程中，動力通過主軸帶動調節輪，調節輪通過同步帶傳遞到兩端的可變質量偏心輪上，從而產生變速周期的振動，兩端可變質量偏心輪的安裝是相對主軸對稱安裝，且質量和轉速相同，受力分析見圖3[2，7-8]。

以激振器可變質量偏心輪的兩個瞬時位置狀態分析受力情況（圖3），利用達朗貝爾原理，所受慣性力可分解為平行于兩偏心輪圓心連線的分力和垂直于兩偏心輪圓心連線的分力，受力分析不作詳述，對O1和O2坐標系進行受力分析：

在O1坐標系中，平行于偏心輪圓心連線的分力Fa1和Fb1相互抵消，分力Fa2和Fb2產生逆時針運動的趨勢；同理，在O2坐標系中，平行于偏心輪圓心連線的分力Fc1和Fd1相互抵消，分力Fc2和Fd2產生順時針運動的趨勢，如此交替變換產生變速振動。

2.1.1 可變質量偏心輪設計 偏心輪的作用是產生變加速度，對于振動趨勢的大小起決定作用。由扭矩公式M=F×L可知，為使扭矩M變化，可變偏心輪質量m和力臂L，考慮結構緊湊性，設計改變偏心輪質量m以改變扭矩M的大小。偏心輪主體為厚度40 mm的鋼板，和同步帶輪以及套筒軸焊合而成，同時配置外形相同厚度為10 mm的偏心塊，用螺栓固定在偏心輪主體上，以改變配重塊的數量來改變偏心輪質量（圖4）。

2.1.2 調節輪設計 因同步帶輪存在加工誤差和安裝精度誤差，以及傳動帶的自身精度誤差等，設計的調節輪為兩部分組成，子口配合保證同心度，由6條螺栓固定在一起，設計長圓孔以便微調相位角達到微調兩端偏心輪相位角的目的，使兩端偏心輪相對于主軸對稱，避免因偏心輪不對稱而產生的沖擊和振動，對主軸造成損害，而使番茄果秧振動分離裝置失效（圖5）。

2.2 可變參數滾筒設計

可變參數滾筒由滾筒主體、橡膠夾緊圈、振動棒、夾板和側軸組成，主體法蘭盤和激振器支架上子口配合，通過螺栓固定在一起；右側側軸通過鍵聯接阻尼減振器（圖6）。

2.2.1 滾筒主體設計 現有的番茄機果秧振動分離滾筒軸向上振動棒間距是固定距離，考慮番茄品種的多樣性，本研究設計了1種可調滾筒軸向振動棒間距的滾筒主體，以滾筒軸向一圈振動棒組合體（以下稱振動圈）為單位，每相鄰2個振動圈交錯一定相位角，每間隔1個振動圈的相位角相同，振動圈通過4條螺栓固定在圓周上焊接有小圓管的滾筒上，使振動圈和滾筒主體保持相對固定位置。以單組振動圈滾筒主體為研究對象，在從法蘭端到側軸段同一振動圈上用于固定的4個圓管中，逆時針方向相鄰2個圓管之間的夾角為86.4°，相鄰2個振動圈的相位角以4個固定圓管中的第一個圓管逆時針旋轉50.4°夾角而確定（圖7-a）。本研究設計可調3種間距的滾筒主體，為避免圓管之間的干涉，2種可調振動圈間距的單組軸向剖視圖逆時針旋轉14.2°（圖7-b）。圖7-c為滾筒圓周展開圖，從圖中可看出沒有干涉的圓管，但有9組是挨在一起的圓管（圖7-b）。

2.2.2 夾板設計 可調3種滾筒軸向振動圈間距的滾筒主體，夾板的設計要考慮安裝的可操作性和可靠性，鑒于滾筒主體結構形式，夾板要從滾筒的側軸端套入，同時要和滾筒主體上焊接的圓管相位角對應，夾板設計見圖8。

2.3 阻尼減振器設計

番茄果秧振動分離裝置在工作過程中，產生周期性變速振動，對側軸自轉端的沖擊比較大，為減少沖擊和振動帶來的損傷，同時使振動棒產生一定的振幅，設計了彈性阻尼減振器。為工作可靠性考慮，設計轉速n=400 r/min，偏心輪質量m=50 kg，假設偏心塊克服重力產生轉動，則單個偏心輪旋轉的最大扭矩為：

將偏心輪導入Solidworks軟件，可得到質心到轉軸中心L=0.103 m，帶入得到M=50 kg×9.8 N/kg×0.103 m=5047 NM。則2個偏心輪的扭矩為：M激振器=2×M=2×50.47 NM=100.94 NM。對于自轉端轉速較小，取n=30 r/min，裝配完成導入Solidworks軟件中，得到m=335.4 kg，因滾筒裝配后是不規則的滾筒體，近似為r1=0.131 m，r2=0.166 m圓環柱體，由轉動慣量可知，I=m×（r22-r12）/2=1.74 kg·m2，經理論推導，a最大瞬時值約為170 rad/s2，則M自轉=I×a=295.8 NM。最大瞬時扭矩為：M總=M激振器+M自轉=100.94 NM+295.8 NM=396.74 NM。考慮阻尼減振器的可靠性與經濟性，選用輪胎聯軸器UL6，具體參數見表1。

3 三維建模與仿真分析

3.1 三維建模

經過詳細設計計算，進行結構優化，二維出圖，并基于Solidworks軟件進行三維建模、裝配、干涉檢查，可變參數果秧分離裝置模型見圖9。

3.2 仿真分析

將裝配好的番茄果秧振動分離裝置Solidworks建模導入ADAMS軟件，在偏心輪上和振動桿最外端設置MARKER點，添加好約束，設定y軸負方向為重力加速度方向，施加載荷添加驅動，當激振器端主軸轉速n激振器=380 r/min，自轉端 n自轉=0 r/min 時進行仿真得到z軸加速度曲線和位移曲線（圖10、圖11），可以看出偏心輪z軸加速度變化周期約為 0.1 s，曲線振幅平穩規律；振動桿z軸位移來回擺動幅度約為 28.5 mm，變化周期約為0.19 s，運動較為規律，但振幅有些減小。

當激振器端主軸轉速n激振器=380 r/min，自轉端n自轉=20 r/min 時進行仿真得到振動桿z軸位移曲線，可以看出振動桿的運動振幅及周期較為規律、平穩，和實際運動趨勢基本吻合（圖12）。

4 結論

設計1種可變參數的番茄果秧振動分離裝置，對可變參數激振器和可變參數滾筒進行分析設計。對可變參數果秧分離裝置進行三維建模，干涉檢查，并進行仿真分析，結果顯示此裝置運行平穩正常，能夠滿足番茄的采收需求。但在實際的生產過程中，滾筒的軸向振動圈間距調節較為困難，不能很好地滿足操作的簡便性，還需要進一步研究，設計出易操作、可靠的機構。

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