柔性梳刷式枸杞采收機械結構設計與建模仿真分析

姜彥武 韓長杰 郭俊先 馬俊貴

摘要 設計了一種以柔性回轉梳刷式采收為工作原理的騎跨式枸杞采收機械，該機械主要由采摘裝置、收集裝置、傳動結構、行走裝置、機架等部分組成，理論上可一次性實現枸杞的摘落、低損收集、清選等功能。運用SolidWorks 2022軟件完成了三維建模，Ansys Workbench 2022軟件對核心構件——梳刷組件進行了有限元仿真試驗，結果表明機架的最大應力為58.79 MPa，小于材料的最大強度極限，最大應變量約0.000 3 mm，滿足材料強度要求。自由模態分析結果發現，前3階模態固有頻率幾乎為0，表現為剛體模態，從第4階開始表現為彈性模態，前10階模態的頻率呈逐漸升高的趨勢，且最高頻率約9.470 0 Hz，與機器頻率相差較大，驗證了整機結構方案和選材設計的合理性。該采收機械的設計可為后期進一步研究低損傷枸杞機械化采收提供參考。

關鍵詞 枸杞；采收；三維建模；有限元分析

中圖分類號 S 225? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）12-0192-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.12.040

Structure Design and Modeling Simulation Analysis of Flexible Brush Type Wolfberry Harvesting Machinery

JIANG Yan-wu1，2，3， HAN Chang-jie1，3，GUO Jun-xian1，3 et al

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University，Urumqi，Xinjiang? 830052；2.College of Mechanical and Electronic Engineering，Northwest A＆F University， Yangling， Shaanxi 712100;3.Xinjiang Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment，Urumqi， Xinjiang? 830052）

Abstract A kind of riding straddle type wolfberry harvesting machinery with flexible rotary comb brush harvest as the working principle was designed， which was composed of picking device， collection device， transmission structure， walking device， frame and other parts.Theoretically， it can? implement picking wolfberry， low-loss collection， cleaning and other functions at once. SolidWorks software 2022 was used to complete the 3D modeling，and Ansys Workbench 2022 software was used to conduct the finite element simulation experiment on the core component brush component.The results showed that the maximum strain of the frame was 58.79 MPa， which was smaller than the yield strength limit of the materials.And the maximum strain variable was 0.000 3 mm， which could meet the strength requirements of the materials.The free mode analysis results showed that the inherent frequency of the first 3 modes was almost zero， which was manifested as rigid body mode.Starting from the fourth mode， it was manifested as elastic mode.The frequency of the first 10 modes gradually increased， and the highest value was about 9.470 0 Hz， which was quite different from the machine frequency， which verified the rationality of the structure scheme and material selection design of the whole machine.The design of the harvester could provide references for further study of low-damage mechanized harvesting of wolfberry.

Key words Wolfberry;Harvesting;Three-dimensional modeling;Finite element analysis

基金項目 新疆維吾爾自治區自然科學基金項目（2022D01B29）；新疆維吾爾自治區科協青年人才托舉工程項目（XHXM2021058）。

作者簡介 姜彥武（1989—），男，甘肅定西人，副教授，在讀博士，從事林果智能化采收與果園智能作業裝備。

收稿日期 2023-07-11

枸杞兼具生態、經濟、文化與健康產業等功能，對產業結構優化、農民增收及鄉村振興發展具有重要意義［1］。近年來，在市場需求和地方政府產業政策扶持的帶動下，全國枸杞種植規模逐步擴大。2020年，我國枸杞產量為44.12萬t，同比增長10.2%。我國枸杞年產量占全世界枸杞總產量的95%以上，不僅滿足了國內市場需求，而且能滿足日益增長的國際市場需求［2］。枸杞屬于無限花序漿果類果實，在采收成熟果實的過程中極易捏爛，采摘時要輕采、輕拿、輕放，同時要保護好未成熟的果實、花、葉和枝干，且不能影響成熟果實的品質，因此采收難度大，對采收人員的專業要求較高。枸杞收獲環節基本是人工采收，缺乏機械化采收機械。枸杞采摘季節性強，勞動力需求大，目前采摘已經成為枸杞產業發展的一個重大瓶頸。高額的成本不僅會制約枸杞產業的增效，而且會影響枸杞產業規模化、集約化發展，嚴重制約了枸杞產業的發展［3］。

近年來，國內眾多學者針對枸杞機械化采收開展了多方面的研究。陳軍等［4］融合振動和梳刷原理，設計了一種便攜振刷式枸杞采收機；徐麗明等［5］采用梳刷、振動相結合的采收方式，設計了一種梳刷振動式枸杞收獲裝置；梅松等［6］研制了基于往復振動方法的枸杞低損采收裝備；萬芳新等［7］研制了能夠一次性完成枸杞果實采摘、輸送、清選、收集工作的自走式枸杞振動采摘機。現階段研制出的手持式和自走式枸杞采收機工作效率高，損傷率和誤采率也較高，但目前還沒有任何一種機型得到全面推廣應用。枸杞采收機械化的相關問題仍需要深入研究。筆者結合現有技術基礎，設計了一種柔性梳刷式枸杞采收裝置，完成了三維虛擬樣機設計，利用有限元軟件對關鍵構件梳刷組件進行了仿真試驗分析，并對整機原理設計和選材合理性進行了理論驗證，以期為枸杞采收機械化提供一定的借鑒。

1 整機結構與工作原理

1.1 新疆枸杞種植情況

新疆枸杞主要種植地區——精河縣2022年枸杞種植面積達0.67萬hm2。枸杞種植業已成為精河縣最具特色的主導產業，年產值約6億元，枸杞產業收入占農牧民純收入的21%。當地枸杞示范田踐行“良種良法，良種先行”的發展理念，主栽品種精杞1號、精杞2號、精杞4號、精杞5號、新疆黑枸杞5個枸杞自主品種，采用高產栽培模式，株行距為1 m×3 m，種植密度4 995株/hm2，統一種植、統一品種、統一管理、統一銷售，大力推廣枸杞新品種、高效節水滴灌、機械化栽培、生物防控等技術［8］。

1.2 整機結構與工作原理

設計的柔性梳刷式枸杞采收機是由發動機提供動力，主體結構由采摘機構、收集裝置、行走機構、傳動裝置、轉向操控裝置等組成（圖1），能完成枸杞的采摘、收集作業。采摘機構是該機的核心部件，位于整機中間位置，發動機通過鏈傳動方式將動力傳遞給凸輪，凸輪作用于梳刷桿使其進行上下振動，機器行進過程中枸杞枝條與梳刷元件之間產生相互作用，梳刷元件回轉與凸輪作用梳刷桿軸的上下振動聯合作用，達到柔性采摘枸杞的目的。收集裝置位于梳刷桿下方，由第一收集板和第二收集板組成，收集板通過與車架連接的彈簧使落在收集板的枸杞向后運動，落入兩側收集箱中，收集板可進行軸向運動，保證枸杞進入采收區域時其莖稈不受損傷。第一、二收集板材質選用柔性橡膠，保證枸杞落到收集板后盡可能減少摔落損傷。轉向操控裝置由轉向操控桿、轉向桿組成，需人工輔助實現方向位置變換。工作時采摘機構騎跨于枸杞叢縱向行駛，枸杞進入采摘機構會帶動梳刷桿形成上下往復配合、梳齒間隔分布的回轉運動，進而將成熟枸杞梳刷振落于收集板上，收集板與機架經彈簧固接形成傾斜角度，便于適應枸杞主桿粗細度以及枸杞掉落的緩沖收集，最終枸杞下落到兩側收集箱中，完成采收。

1.3 主要設計參數

柔性梳刷式枸杞采收機的主要性能參數如下：配套動力 35 kW，作業速度3～5 km/h，作業寬度1 500 mm，騎跨高度1 700 mm，長、寬、高分別為3 303、2 799和2 209 mm。

2 關鍵結構與技術參數分析

2.1 采摘裝置

采摘裝置是枸杞采收機械的核心部件。主體部件由梳刷軸、梳刷齒、軸承、梳刷組件穩固座、彈簧和梳刷固定盤組成。間隔等距分布的柔性梳刷齒由直徑5 mm，高分別為608、460 mm的圓柱形長條組成，呈圓周排列在外徑72 mm、厚5 mm的梳刷齒固定盤上，梳刷齒固定盤橫向均勻分布在梳刷軸上。梳刷齒選用柔性高彈性軟橡膠材質，保證工作時不會損傷枸杞，達到柔性梳刷的目的。梳刷軸通過螺栓連接的方式固定在車架上。每個梳刷固定盤內部安裝軸承，保證采摘裝置在碰到樹枝后能產生自轉，從而將樹枝產生的阻力化解，實現連續采收。梳刷組件穩固座安裝在車架上，內部裝有彈簧，保證梳刷軸上下振動時有一定的緩沖力。采收裝置結構如圖2所示。

此外，在梳刷組件軸體的頂端，機體分別設有第一凸輪和第二凸輪，軸體頂端設計有頂板，與凸輪相接觸，形成梳刷組件動力的傳遞。應用達朗伯原理，把動態構件化為順時靜態構件分析是力學中的常用方法［9］。動力傳輸凸輪振動的動力學模型如圖3所示。圖中：m為梳刷軸的等效質量，k2為推桿剛度，k3為壓縮彈簧剛度；考慮到構建彈性，推桿位移y≠yc，y為推桿的實際位移，yc為凸輪輪廓線產生的位移。

2.2 收集裝置

收集裝置為枸杞采收的核心部件之一，共2排，收集板傾角按照30°相對放置。收集板設計長度為712 mm，總寬560 mm。收集板均包括第一板體。第二板體和彈性件。第二板體相對于第一板體可擺動；彈性件的一端與機架相連，彈性件的另一端與第二板體相連，具有一定的回彈特性。枸杞經梳刷原件作用落到收集板上，之后滑入兩側收集箱中。收集板材料選用柔性橡膠板，橡膠耐磨、耐寒、彈性大，在自身作用力解除后能很快恢復原來的形狀，并能最大限度地減少對枸杞外觀的損壞。收集裝置三維結構如圖4所示。

2.3 弧形防護罩

在機組行進過程中，采收梳刷組件會產生轉動梳刷。為了保障安全以及減少枸杞枝條的晃動，故在機體兩側設計弧形防護罩，弧形板分別與機架相連，設置在梳刷組件的外側，機體兩側的弧形防護罩相對端面敞開。弧形防護罩結構如圖5所示。

2.4 收集箱

對于自走式枸杞采收裝置，其收集箱的設計位置要經過綜合考慮。按照放置位置的不同，分成2種：一是收集裝置與采收裝置呈上下式結構，將收集箱放在機體板上面，用傳送裝置將掉落到地上的枸杞輸送到上方收集箱中；二是將收集箱置于收集板兩側，使振落下來的枸杞在收集板作用下掉落到收集箱中。為了機器的便捷使用，采用第2種設計方式，設計思路選用一體式結構，由收集箱和抽屜兩部分組成。機體梳刷組件下端位置對稱布置收集裝置，分為第一收集箱和第二收集箱，在機架寬度方向上間隔布置，收集箱上端均敞開，便于接收枸杞果實。收集箱示意圖如圖6所示。

2.5 動力裝置

動力裝置包括動力源、變速箱、第一驅動軸和第二驅動軸，動力源與機架相連，動力源輸送軸與變速箱輸入軸相連，第一驅動軸通過第一鏈條與變速箱輸出軸相連，第二驅動軸通過第二鏈條與變速箱輸出軸相連。第一驅動軸用于帶動第一梳刷軸和第二梳刷軸在機架高度方向上移動，第二驅動軸帶動行走輪轉動。

通過查閱文獻等方式，對枸杞采收機的使用情況進行了解。枸杞采收機的動力源由柴油發動機提供，因此該柔性梳刷式枸杞采收機選擇ZH4102D系列柴油機，最大輸出功率為36 kW，轉速為1 500 r/min，能夠滿足枸杞采收機的工作要求。柴油發動機主要參數如下：

汽油機型號為恒通-ZH4102，汽油機形式為四沖程，額定轉速1 500 r/min，額定轉矩2 285 N/mm，功率36 kW，油箱容積6 L。

3 三維模型構建

根據前文主要部件設計以及關鍵參數分析，運用SolidWorks 2022軟件對枸杞采摘機械進行了虛擬樣機三維模型的構建，如圖7所示。建模結果表明，各機構裝置關鍵參數符合設計要求，各構件之間未產生干涉現象。

4 梳刷元件的有限元仿真試驗

該設計中柔性梳刷組件是核心部件，其強度必須符合設計要求。梳刷軸采用Q235結構鋼，運用Ansys Workbench 2022軟件對梳刷組件進行靜態和模態分析，驗證設計的合理性及可靠性。

4.1 靜力學仿真

對梳刷組件的模型簡化后對梳刷軸體進行靜態結構分析［10］，前處理中的分析類型選擇，材料加載，約束、載荷及接觸以及后處理中的求解，得到位移云圖，如圖8所示。靜力學仿真結果表明：最大應力約58.79 MPa，最大應變量約0.000 3 mm，產生應力應變位置均在軸體固定梳刷元件軸承的卡槽位置，與預估位置相符合，產生的應力值小于結構鋼的最大屈服極限，能滿足設計要求。

4.2 模態分析

動力學分析的目的是尋求結構的振動特性（固有頻率和主振型），以更好地利用或者減少振動；分析結構的動力響應特性，以計算結構振動時的動力響應和動力位移的大小。模態分析是用來確定結構的振動特性（固有頻率和振型），是其他動力學分析的基礎，其作用是使結構設計避免共振，或以特定頻率進行振動，通過模態分析可以認識到結構對不同動力載荷的響應特性［11-12］。

針對梳刷組件模型進行自由模態分析，得到固有頻率和振型，分析結果只與其材料本身特性有關，與所受外力無關，結果更具普遍性［13］。梳刷組件自由模態分析不需要施加任何載荷和約束，因其結構容易受到低階振動的影響，所以基于Ansys Workbench 2022軟件對機架前10階固有頻率進行求解，分析結果如表1所示。

通過對梳刷組件進行自由模態分析發現，前3階模態固有頻率幾乎為0，表現為剛體模態；從第4階開始表現為彈性態。前10階模態的頻率呈逐漸升高的趨勢，最高約9.470 0 Hz。固有頻率隨著模態階數的增加而遞增，符合剛體結構自由模態分析特征，模態振型云圖如圖9所示。此采摘機正常工作時的振動頻率為15～20 Hz，可以有效避免采收過程中產生的共振，為驗證設計的合理性提供理論依據。

5 結論

（1）結合目前國內外枸杞機械化采收相關的研究進展，該研究設計了結構合理、可行的柔性梳刷式枸杞采收機械，采用1個動力源驅動2個梳刷組件運轉，可以實現摘果和收集的一體化操作，實現枸杞的低損耗采收，從而減少人工成本，提高枸杞采摘效率。

（2）該研究介紹了采摘機械的整機結構和工作原理，在主要結構設計和關鍵參數分析的基礎上，運用SolidWorks 2022軟件對設計的枸杞采摘機械進行了虛擬樣機三維模型構建，經檢測發現各構件之間無干涉現場產生。

（3）運用Ansys Workbench 2022 軟件對機架進行了靜力學分析，結果表明機架的最大應力約58.79 MPa，小于材料的最大屈服極限，最大應變量約0.000 3 mm，能滿足材料強度要求；模態分析中最高頻率約9.470 0 Hz，驗證了整機結構方案和選材設計的合理性。該采收機械的設計可為后期進一步研究高效、低損傷枸杞機械化采收裝置提供參考。

參考文獻

［1］ 梅松，石志剛，宋志禹，等.枸杞機械化采收技術現狀與發展趨勢預測［J］.農業開發與裝備，2021（12）：12-14.

［2］ 陳云.脈沖氣流式枸杞采摘機理研究與試驗［D］.楊凌：西北農林科技大學，2022.

［3］ 趙健.枸杞振刷采收關鍵技術研究［D］.楊凌：西北農林科技大學，2022.

［4］ 陳軍，趙健，陳云，等.振刷式枸杞采收機設計與試驗優化［J］.農業機械學報，2019，50（1）：152-161.

［5］ 徐麗明，陳俊威，吳剛，等.梳刷振動式枸杞收獲裝置設計與運行參數優化［J］.農業工程學報，2018，34（9）：75-82.

［6］ 梅松，肖宏儒，石志剛，等.基于往復振動方法的枸杞低損采收技術裝備設計與試驗［J］ .中國農機化學報，2019，40 （11）：100-105，208.［7］ 萬芳新，孫浩博，杜小龍，等.自走式枸杞振動采收機設計與試驗［J］.干旱地區農業研究，2021，39（5）：231-238.

［8］ 王曉莉，孫天罡，王洪嬌.助力鄉村振興 推進精河枸杞全產業鏈發展——精河枸杞產業發展的調查研究［J］.新疆林業，2023（5）：4-7.

［9］ 張春林，趙自強.高等機構學［M］.北京：機械工業出版社，2023.

［10］ 姜彥武，艾力·哈斯木，郭俊先，等.馬鈴薯起壟鋪膜聯合作業機結構設計與機架仿真分析［J］.農機化研究，2022，44（9）：68-73.

［11］ 孫浩博，胡明明，胡忠強，等.枸杞采摘機機架有限元分析［J］.林業機械與木工設備，2021，49（7）：30-35.

［12］ 李萍.基于振動式采收的枸杞跌落損傷機理及枝條振動特性研究［D］.銀川：寧夏大學，2021.

［13］ 姜彥武，衛乃碩，郭俊先，等.馬鈴薯撿拾機結構設計與仿真分析［J］.農業裝備與車輛工程，2023，61（9）：1-6.