振動式核桃采摘機關鍵部件設計與分析*

谷潤潤 ，孫宇杰 ，劉士真 ，鄭白開 ，馮 浩 ，魏中毅 ，吳業北

（新疆理工學院，新疆 阿克蘇 843000）

目前，我國核桃種植面積與產量穩居世界第一，核桃種植分布較廣，主要集中分布在云南和新疆。據統計，2020 年云南與新疆核桃產量分別為1 502 706 t和1 154 114 t[1]。當前核桃的種植面積不斷增多，但核桃機械化采收在核桃產業整體發展過程中存在不足。比如國內當前對核桃進行采摘時，大部分利用拖拉機發動機的動力輸出軸帶動簡單的振動裝置或振動器依靠振動頻率迫使樹干做與之相應的振動，將核桃從樹上振落，如有未掉落的核桃，通常是人工使用棍棒敲打核桃樹枝干，將核桃打落后再通過人工將掉落在地上的核桃收集起來。該方式導致人工撿拾核桃作業勞動強度大，耗費時間多[2]。而國外一些大型的核桃種植園，為了減輕工作人員采摘核桃的勞動負擔，目前通常使用大型的核桃采摘機對核桃進行采摘[3]。由于我國核桃主要種植在山區和丘陵地帶，核桃種植較分散，各個地區在種植模式上有差異，所以國外一些大型核桃采摘機不適合用于國內核桃采摘。因此，本文根據當前我國核桃的實際種植模式與特點，研究了一種小型核桃采摘設備，以提高核桃機械化采收效率[4]。

1 整體結構設計與作業流程

1.1 整體結構設計

振動式核桃采摘機主要由夾持高度調節機構、振動調節機構、收集網、動力輸入單元、行走機構、機架等組成，其總體結構如圖1所示。

圖1 振動式核桃采摘機結構示意圖

1.2 采收作業流程

在采收核桃的過程中，首先用采收夾持爪夾持核桃樹的樹干，然后啟動電機通過減速器減速以后將能量通過傳動軸輸送給振動頭，曲柄的旋轉帶動滑塊移動，從而產生振動，進一步使采收夾持爪產生的機械振動傳遞給樹干。樹干在外加載荷的激勵下將以一定的振幅和周期振動，從而帶動樹干上的果實以一定的振動形式振動并加速運動，當果實所受慣性力大于其果柄拉斷力時，果實受到振動力后在慣性力的作用下脫落至收集裝置中，完成核桃的采收工作[5]。

2 關鍵工作部件的設計

2.1 夾持機構的設計

夾持機構是核桃采收裝置的主要部件，能夾緊樹干，在振動過程中將振動力傳遞給樹干。課題組所設計的夾持機構是在振動場合下工作，夾持機構由伸縮桿、螺桿、夾持爪、彈性帶等組成，夾持機構的開閉動作由電機控制。根據核桃樹干直徑大小，通過伸縮桿調節夾持爪前后相對距離，以滿足夾持爪對樹干的夾持要求；振動臂與曲柄連桿末端的推桿連接，隨著推桿的往復直線運動而達到振動目的；螺桿用于連接和支撐兩個夾持爪，以保證夾持爪的夾持功能；夾持爪是夾持機構的核心部件，可根據核桃樹干直徑大小松開和張緊，實現夾持爪牢牢抱住核桃樹干；彈性帶的主要功能是緩沖振動，以減少采收裝置在振動過程中對樹干外皮的損傷，彈性帶一般使用普通橡膠帶，彈性帶的彈性又可以使夾持爪更穩定地夾持樹干[6]。夾持機構工作時，夾持動作可靠且穩定。夾持機構如圖2所示。

圖2 夾持機構結構示意圖

2.2 曲柄滑塊機構的設計

曲柄滑塊有兩種形式，分別為偏心式與對心式，而偏置曲柄滑塊可將曲柄的圓周運動轉換為滑塊的往復直線運動。本文采用偏心輪式曲柄的偏置曲柄滑塊機構。采收裝置的振動機構即為滑塊，偏心輪式曲柄與傳動軸采用螺紋連接，連桿與推桿和偏心曲柄連接，通過偏心曲柄上的槽實現行程可調，通過控制推桿的長度實現振動機構的往復直線運動，從而有效地實現振動。

2.3 收集裝置及機架的設計

核桃收集裝置主要由支撐桿、集果箱、支架、篷布等組成。果園核桃采收裝置能夠在核桃園自由行走，方便果園核桃的采收作業。由于核桃果園的路面不平整，因此本文采用履帶式行走裝置，該裝置適合在密植型核桃果園行走，而且操作空間要求小，前輪與后輪輪距均為2 000 mm，行駛速度控制在4 km/h～8 km/h，可根據實際工作情況進行變頻調速。固定桿上掛接果實收集篷布，果實收集箱位于收集篷布底部，機架的底座下安裝履帶式行走輪。在作業時，該裝置自動行駛至樹干位置，并且利用夾持機構夾持樹干開始工作。當振落的核桃果實落到果實收集篷布上時，果實會順著傾斜面滾落到果實收集篷布物料出口，進入果實收集箱，果實收集滿之后更換果實收集箱，將果實卸載，完成一次核桃的收集[7]。

3 夾持爪的靜力學分析

夾持機構是核桃采摘機的關鍵部件，在采摘核桃的過程中夾持爪夾持核桃樹干，樹干需承受一定的夾持力，如果夾持力太大，可能會損傷樹干。因此，利用ANSYS 軟件對夾持爪進行應力應變分析來驗證結構設計的合理性，使核桃采摘機夾持機構能夠很好地滿足工作需要。

將夾持機構三維實體模型導入A N S Y S Workbench 中，為了便于分析夾持爪，需要對其進行簡化，刪除無用零件。對其進行材料屬性添加，夾持爪的材料為合金鋼，彈性模量為200 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3。對夾持爪三維模型進行網格劃分，網格大小設置為5 mm，劃分后單元數量為6 732個[8]，網格劃分結果如圖3所示。

圖3 網格劃分結果

對夾持爪施加邊界條件和載荷，其中，在螺栓孔施加固定支撐約束[9]，在夾持爪施加1.4 N的夾緊力，如圖4所示。在對夾持爪施加約束載荷后，對其進行應力應變分析[10]，夾持爪應力應變分析云圖如圖5所示。

圖4 夾持爪施加邊界條件和載荷

圖5 夾持爪應力應變分析云圖

從等效應力云圖可以看出，最大等效應力為0.004 991 8 MPa，遠遠小于中合金鋼的許用應力，由此可見在該工況下夾持爪符合強度要求。由整體變形云圖可知，最大變形為9.794 6×10-7mm，變形量較小，遠遠小于夾持爪的許可變形量，因此夾持爪符合剛度要求。綜上，ANSYS 軟件分析結果表明，夾持爪的設計安全可靠。

4 結論

課題組結合核桃采收的技術要求、核桃園的作業環境以及采摘對象的物理特性，采用樹干振動采收形式，提出了一種自動化夾持核桃樹干的振動式采收方案，研究并設計了一種振動式核桃采摘機，旨在解決人工采收核桃費時、費力、效率低等問題。課題組對所設計的振動式核桃采摘機進行三維建模與靜力學分析，結果表明，該采摘機能夠高效地完成核桃的采收工作，并且采摘效率高、適用范圍廣，具有較高的穩定性，能夠降低人工采摘核桃的勞動強度和采摘成本。本研究可為核桃采收設備的研發提供一定的理論依據與技術支持。