紅棗采收激振器的設計與運動仿真

張志元，婁朝霞，張慧明，坎 雜，付 威

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2. 新疆兵團農業機械重點實驗室，新疆 石河子 832000)

0 引言

紅棗源產自我國，是我國分布最廣的栽培果樹之一，對提高當地居民收入、保護生態環境具有重要意義[1-4]。新疆氣候干燥，光照充足，有利于種植高產優質的紅棗，是全球最適宜種植紅棗的地區之一[5-7]。據統計，2015年底新疆紅棗栽植面積已突破52萬hm2，居于全國首位[8-9]。新疆紅棗種植面積迅猛發展，不僅提高新疆棗農的經濟效益，也加速了紅棗機械化的需求[10]。

近年來，為降低紅棗人工采收成本、提高收獲效率、促進紅棗產業的健康發展，科研院所對林果機械化收獲開展了相關研究。2007年，新疆農墾科學院從意大利進口一臺成套的干果收獲機，適合采摘樹干直徑介于120～400mm的果樹[11]。2009年，新疆農墾科學院機械裝備研究所研制4YS-24型紅棗收獲機，采用抱搖式收獲方法，激振器通過1個偏心塊產生全方位振動[12-13]。2010年，新疆農業科學院農業機械化研究所研制了手持式振動林果收獲機，采用樹枝振動式收獲方法，適于收獲樹高在3m左右的棗樹，采凈率大于85%[14]。2011年，南京林業大學機械電子工程學院王長勤、許林云研究的抱搖式林果收獲機，采用對稱布置的偏心塊[15]。2014年，新疆農業大學機械交通學院楊宛章研制了振動式林果采摘機，采用雙偏心塊式激振機構，采摘果樹直徑范圍為80～120mm[16-17]。2014年，石河子大學機械電氣工程學院設計出一種自走式矮化密植紅棗收獲機，激振器由曲柄滑塊機構和撥桿滾筒組成[18-19]。2014年，浙江理工大學機械與自動控制學院杜小強設計出一種可調振幅單向拽振式林果采收機，變幅機構由曲柄搖桿滑塊機構和調幅機構組成[20]。

目前，針對紅棗連續性采收作業的林果收獲機研究較少，本文以紅棗為研究對象，設計出一種由3個偏心塊組成的激振器，可以實現連續性采收作業，為紅棗收獲機整機的設計提供了理論依據和技術支持。

1 結構組成及工作原理

1.1 結構組成

該偏心塊式激振器主要由激振裝置、旋轉滾筒裝置和阻尼裝置組成，如圖1所示。激振裝置主要由殼體、同步帶輪和3個質量相等且均勻分布的偏心塊組成；旋轉滾筒裝置由旋轉滾筒和撥桿組成；阻尼裝置由彈簧、阻尼帶和阻尼輪組成。其中，激振裝置和旋轉滾筒裝置通過法蘭固定在一起，旋轉滾筒裝置和阻尼裝置通過平鍵連接，激振器由兩個立式軸承座固定在機架上。

1.2 工作原理

該偏心塊式激振器是紅棗收獲機的主要部件之一，通過液壓馬達驅動。其處于工作狀態時，通過液壓馬達驅動公轉軸及公轉軸上的同步帶輪轉動；同步帶輪分別驅動3個均勻分布的偏心塊以恒定的角速度同步轉動，偏心塊轉動產生離心力，在離心力作用下產生力偶矩驅動殼體和旋轉滾筒裝置的轉動；通過調節馬達轉速控制旋轉滾筒裝置的振幅和頻率，從而達到要求的振動效果。

1.偏心塊 2.軸承座 3.同步帶輪 4.殼體 5.調節薄板 6.法蘭 7.旋轉滾筒 8.撥桿 9.阻尼裝置圖1 激振器示意圖Fig.1 The schematic of vibrator

2 運動分析

激振裝置的激振力來自于3個偏心塊以ω0同步轉動產生的離心力F，通過自轉軸O1、O2和O3作用在殼體上，并在殼體產生一力偶驅動旋轉滾筒裝置繞公轉軸O的振動。為簡化模型，除去阻尼裝置，將旋轉滾筒裝置與激振裝置的殼體簡化為一體，其運動分析如圖2所示。其中，圖2(a)為激振裝置參數示意圖，圖2(b)為激振裝置受力示意圖。圖中偏心塊的質量為m(kg)；殼體及旋轉滾筒裝置裝置的質量為M(kg)；偏心塊自轉軸與公轉軸之間的距離為d(m)；偏心塊質心與自轉軸的距離為r(m)；偏心塊轉動角速度為ω0(rad/s)；殼體及旋轉滾筒裝置振動的角速度為ω(rad/s)；在初始狀態，偏心塊繞自轉軸轉過的角度為θ(rad)；偏心塊轉動產生的離心力為F(N)。

激振器處于工作狀態時，在t時刻偏心塊轉過的角度為θ，計算公式為

θ=ω0·t

(1)

其中，t為時間(s)。

偏心塊轉動產生的離心力為F，計算公式為

(2)

圖2 運動分析Fig.2 Kinematic analysis

由于3個偏心塊材質、幾何尺寸和轉動角速度都相同，故在處于工作狀態時產生的離心力F均相同，即

F1=F2=F3=F

(3)

其中，F1、F2、F3分別為3個偏心塊繞自轉軸O1、O2和O3產生的離心力。當3個偏心塊與殼體的相對位置如圖2(a)所示時，忽略偏心塊質心與其自轉軸的距離r，將各自產生的離心力分別平移到相對應的自轉軸處，以公轉軸O為坐標原點建立笛卡爾坐標系O-xy，其離心力的分解示意圖2(b)所示。此時，F1、F2、F3可分解為x軸方向上的F1x、F2x、F3x和y軸方向上的F1y、F2y、F3y，則

(4)

(5)

(6)

聯立式(4)～式(6)，分別對x軸和y軸的各分力進行求和得

(7)

由式(7)可得偏心塊產生的離心力的合力為0?，F對各離心力的分力分別對公轉軸O求力偶，取與ω相同的方向為正方向可得

∑MO(F)=F1x·a-F1y·b-F2x·a+

F2y·b+F3x·d

(8)

其中，a、b為距離(m)。

由圖2(b)中三角關系可得

(9)

聯立以上各式可得

(10)

由式(10)分析可以得到：在驅動力偶距的作用下，殼體的運動符合簡諧運動的規律，即當θ在(0，π)范圍內時，驅動力偶矩逆時針方向驅動殼體及旋轉滾筒裝置做逆時針加速振動；當θ在(π，2π)范圍內時，驅動力偶矩順時針方向驅動殼體及旋轉滾筒裝置做逆時針減速振動。

3 運動仿真

為驗證理論分析的正確性，運用SolidWorks軟件繪制簡化模型作為仿真模型，并將其保存為 *.x_t格式導入ADAMS軟件。設置公轉軸與地面為固定副連接，公轉軸與殼體、殼體與各自轉軸之間加轉動副連接，對該裝置進行運動模擬仿真，如圖3所示。

圖3 激振器仿真分析

該仿真主要是對簡化后的激振裝置殼體的運動狀態進行分析，M=100kg，m=10kg，d=0.28m，r=0.12m，ω0=3rad/s，設置仿真時間為5 s，得到殼體和同步帶輪的角速度和角加速度隨時間變化曲線，如圖4所示。

圖4 仿真角速度和角加速度隨時間變化曲線Fig.4 The simulation of angular velocity and angular acceleration with time

由圖4可知：在0-0.07s內，3個偏心塊的運動尚未達到同步狀態，故選取0.07-5s作為仿真結果。從ADAMS軟件仿真圖的角速度和角加速度曲線可看出：在1.2 s的時間周期內，其運動曲線是規律的簡諧曲線，角速度隨著角加速度增大而增大；但角加速度最大時，角速度并未達到最大值。圖4中，由于仿真時偏心塊的初始位置(即相位角)不同，會引起仿真曲線與理論分析曲線的差別，但總體運動趨勢基本一致。由角速度圖可以看出：波峰處的角速度值在逐漸變大，是由于在仿真時忽略了激振器阻尼裝置；阻尼裝置的剛度系數和阻尼系數對角速度曲線和角加速度曲線影響明顯，從而證明了激振器設計阻尼裝置的合理性。因此，從ADAMS軟件運動分析得到的曲線和理論公式推導的曲線基本一致。

4 結論

1)通過對激振器的運動分析得到激振器殼體的理論運動規律為簡諧運動。

2)將激振器的三維模型導入ADAMS進行運動仿真，結果表明仿真曲線和理論曲線基本一致，證明了理論分析的正確性。

3)該仿真結果驗證了激振器阻尼裝置在本設計中的合理性和重要性。