王朋輝，李立君，高自成，閔淑輝，肖 靜

（中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410004）

林果收獲是林果種植業(yè)中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，所需勞動(dòng)力較大，季節(jié)依賴性強(qiáng)［1-3］。隨著我國(guó)林果種植的規(guī)范化與規(guī)模化，實(shí)現(xiàn)林果的機(jī)械化采收成為亟需解決的熱點(diǎn)問(wèn)題［4-6］。針對(duì)這一現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)多處林果種植基地的實(shí)地考察，在進(jìn)行了一系列資料查找與試驗(yàn)后，設(shè)計(jì)了適用于林果采收的擺動(dòng)式林果采摘頭。

論述的擺動(dòng)式林果采摘頭與中南林業(yè)科技大學(xué)李立君［7］等設(shè)計(jì)研發(fā)的油茶果采摘機(jī)配套使用，平原、山地地區(qū)均能作業(yè)，可采摘油茶果、板栗、核桃等經(jīng)濟(jì)林堅(jiān)果。

本文介紹了擺動(dòng)式林果采摘頭的工作原理及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開(kāi)展了動(dòng)力學(xué)分析工作，并對(duì)該采摘頭進(jìn)行了動(dòng)力選型。

1 原理與結(jié)構(gòu)

如圖1所示，擺動(dòng)式林果采摘頭由基座、曲柄、導(dǎo)桿/右?jiàn)A頭、左夾頭與夾緊液壓缸等構(gòu)成。

圖1 擺動(dòng)式林果采摘頭三維模型Fig.1 The 3Dmodel of oscillating fruit picking head

工作時(shí)，先通過(guò)夾緊液壓缸進(jìn)油，使左、右?jiàn)A頭夾緊樹(shù)干，再利用由曲柄、導(dǎo)塊和固連再右?jiàn)A頭上的導(dǎo)桿構(gòu)成的擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)［8-10］實(shí)現(xiàn)其振動(dòng)采摘。擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)Fig.2 Realization of the swinging rod mechanism

通過(guò)實(shí)地考察及試驗(yàn)分析可知，采摘對(duì)象的樹(shù)干直徑不同所需的振幅和頻率不同。為滿足這一需要，本文論述的擺動(dòng)式林果采摘頭設(shè)計(jì)了振幅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（圖3），其振動(dòng)頻率則由液壓系統(tǒng)流量控制。

圖3 振幅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig.3 Amplitude adjusting mechanism

工作時(shí)，振幅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由雙螺母鎖緊。當(dāng)作業(yè)目標(biāo)變化需調(diào)節(jié)振幅時(shí)，可松開(kāi)鎖緊螺母，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿左端扁方，調(diào)整調(diào)節(jié)滑塊軸線與振動(dòng)曲柄主體上部軸孔軸線的間距即可實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)節(jié)功能。

擺動(dòng)式林果采摘頭參數(shù)如表1所示。

表1 采摘頭參數(shù)Table 1 The parameter table of picking head

2 采摘頭動(dòng)力學(xué)分析

擺動(dòng)式林果采摘頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖中，a為曲柄與Y軸夾角，β為導(dǎo)桿與Y軸夾角，h為機(jī)架長(zhǎng)度，H為曲柄與滑塊鉸點(diǎn)距導(dǎo)桿回轉(zhuǎn)中心長(zhǎng)度，R為夾持距離，L為樹(shù)干變形長(zhǎng)度。

圖4 采摘頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Structure diagram of the picking head

由圖4可知，β與ɑ的關(guān)系為：

式中：p為振動(dòng)頻率，t為運(yùn)行時(shí)間。

式（1）兩端同時(shí)對(duì)時(shí)間求二次偏導(dǎo)可得導(dǎo)桿角加速度為：

故驅(qū)動(dòng)導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)所需扭矩為：

由圖4可知樹(shù)干變形長(zhǎng)度為：

由多次實(shí)地考察可知，掛果率較高的經(jīng)濟(jì)林樹(shù)干直徑范圍為40～50mm，可簡(jiǎn)化為彈性系數(shù)k=5N/mm的彈簧模型。則樹(shù)干變形產(chǎn)生的彈力及力矩為：

故馬達(dá)所需提供的扭矩為：

式中：T為關(guān)于曲柄長(zhǎng)度l、振動(dòng)頻率p、夾持距離R及運(yùn)行時(shí)間t的四元函數(shù)。

對(duì)式（4）做降維處理，通過(guò)MATLAB軟件可得馬達(dá)扭矩T隨l、R、p的變化曲面［11-17］（圖5）。

由圖5可知，隨著振幅和頻率的增大，馬達(dá)所需提供的扭矩逐漸增大；隨著夾持長(zhǎng)度增大，馬達(dá)所需提供的扭矩減小。

因在同一狀態(tài)下，振幅l增大（即力臂增大），馬達(dá)需提供的力矩T應(yīng)相應(yīng)增大才能保證曲柄作用于導(dǎo)桿上的力不變；頻率p增大，則導(dǎo)桿的角加速度增大，即T0增大，故馬達(dá)所需提供的扭矩T也應(yīng)相應(yīng)增大；夾持長(zhǎng)度R增大，則樹(shù)干產(chǎn)生的力矩T1增大，故馬達(dá)所需提供的扭矩T應(yīng)減小。

圖5 馬達(dá)扭矩變化Fig.5 Variation of motor torque

3 采摘頭動(dòng)力選型

為滿足采摘頭在不同條件下工作，馬達(dá)輸出扭矩應(yīng)大于采摘頭所需提供的最大扭矩。故取曲柄長(zhǎng)度25mm，振動(dòng)頻率10Hz，夾持長(zhǎng)度160mm，代入式（4），得出馬達(dá)扭矩變化曲線（圖6）。

圖6 馬達(dá)扭矩變化Fig.6 Change of the torque from the motor

馬達(dá)扭矩最大值為：

Tmax=47.0663N·m

查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》［15］，選取液壓馬達(dá)型號(hào)為CM-C32C，輸出轉(zhuǎn)矩52.1Nm，輸出轉(zhuǎn)速1 800 r/min，滿足使用要求。

4 結(jié)論

介紹了擺動(dòng)式林果采摘頭的工作原理及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開(kāi)展了動(dòng)力學(xué)分析工作，揭示了采摘頭工作時(shí)馬達(dá)扭矩隨曲柄長(zhǎng)度、振動(dòng)頻率及夾持長(zhǎng)度的變化規(guī)律，為采摘頭動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果驗(yàn)證提供了理論依據(jù)，并基于動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果對(duì)該采摘頭進(jìn)行了動(dòng)力選型。

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