王真真，坎　雜，付　威，李成松，朱興亮，王麗紅

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000)

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樹冠振動(dòng)式核桃采收裝置的設(shè)計(jì)與分析

王真真，坎雜，付威，李成松，朱興亮，王麗紅

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000)

摘要：為提高核桃采收效率、降低果樹損傷，針對新疆核桃種植模式，設(shè)計(jì)了樹冠振動(dòng)式核桃采收裝置。該裝置通過撥桿圓盤的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的激振力實(shí)現(xiàn)核桃振動(dòng)采收。通過對曲柄滑塊總成進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，推導(dǎo)出了滑塊速度和加速度的表達(dá)式，并對裝置產(chǎn)生的激振力進(jìn)行求解，得出振動(dòng)頻率為2Hz時(shí)裝置對核桃最大激振力為134N，驗(yàn)證了該裝置進(jìn)行采收作業(yè)的可行性。同時(shí)，對采收裝置進(jìn)行慣性力分析，推導(dǎo)出了不同組數(shù)曲柄滑塊總成的合力表達(dá)式，得出了該裝置所受慣性力最大為8.69N，為新疆核桃收獲機(jī)的進(jìn)一步研究提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：核桃；樹冠振動(dòng)；采收裝置；曲柄滑塊

0引言

核桃是我國廣泛種植的特色堅(jiān)果之一，其種植面積、產(chǎn)量均居世界第一。新疆是我國核桃生產(chǎn)的第二大省[1]，2014年新疆核桃種植面積突破30萬hm2，主要分布在阿克蘇、喀什及和田地區(qū)。目前，新疆核桃普遍采用人工采收，成本高、效率低，人工采收占果園生產(chǎn)過程總用工量的50%左右[2]，適時(shí)采收能夠降低核桃霉菌感染的幾率，提高果品質(zhì)量[3],有利于核桃產(chǎn)業(yè)的健康、穩(wěn)定發(fā)展。

核桃采收機(jī)械主要采用樹干振動(dòng)采收方式。根據(jù)樹干振動(dòng)特點(diǎn)可分為抱搖式樹干振動(dòng)[4]和撞擊式樹干振動(dòng)[5]。由于樹干長勢傾斜和夾持位置不緊固，抱搖式樹干振動(dòng)會(huì)造成樹干夾持處表皮損傷，撞擊式樹干振動(dòng)采收機(jī)的撞擊部件連續(xù)擊樹干，在樹干撞擊位置出現(xiàn)撞擊損傷，同時(shí)會(huì)造成核桃樹根部損傷。

通過上述分析，本文提出一種基于樹冠振動(dòng)式的核桃采收裝置，旨在降低果樹損傷，提高采收效率。

1裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1　裝置結(jié)構(gòu)

采收裝置主要由液壓馬達(dá)、聯(lián)軸器、機(jī)架、曲軸主軸、曲柄滑塊總成等組成，如圖1所示。其中，曲柄滑塊總成與機(jī)架采用螺栓固定，曲軸主軸之間通過鏈?zhǔn)铰?lián)軸器連接。

1.液壓馬達(dá)　2.聯(lián)軸器　3.機(jī)架

曲柄滑塊總成主要由曲軸導(dǎo)軌組、撥桿圓盤、導(dǎo)軌架等組成，如圖2所示。每個(gè)曲柄滑塊總成由1個(gè)曲軸導(dǎo)軌組和2個(gè)撥桿圓盤組成。撥桿圓盤繞軸向隨動(dòng)，降低撥桿對樹枝損傷。

1.2　工作原理

工作時(shí)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)撥桿圓盤的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；撥桿擊打樹枝時(shí)，核桃產(chǎn)生的慣性力大于其果柄拉斷力時(shí)，核桃掉落，實(shí)現(xiàn)核桃采收。本裝置撥桿圓盤受到樹枝阻力后能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)振打與被動(dòng)旋轉(zhuǎn)相結(jié)合，能夠有效降低采收過程中核桃樹枝的損傷。

1.撥桿圓盤　2.導(dǎo)軌架　3.曲軸導(dǎo)軌組

2關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　曲軸導(dǎo)軌組設(shè)計(jì)

曲軸導(dǎo)軌組是振動(dòng)采收裝置的核心部件(見圖3)，主要由曲軸主軸、曲柄板、連桿、連接桿、平行導(dǎo)軌及圓盤軸等組成。曲軸安裝在導(dǎo)軌架的后端，曲軸主軸與曲柄板固結(jié)在一起，曲柄板決定采收裝置的振幅,選取曲柄板長度為50mm。連桿的一端與曲軸鉸接，另一端與連接桿鉸接，連接桿用于調(diào)整固定板與連桿的距離，本裝置連桿長度取為120mm。圓盤軸、連接桿與直線軸承固接為一體，直線軸承套在平行導(dǎo)軌上，平行導(dǎo)軌焊接在導(dǎo)軌架上。

1.曲軸主軸　2.曲柄板　3.連桿

2.2　撥桿圓盤設(shè)計(jì)

撥桿圓盤由撥桿、橡膠板及壓板等組成，如圖4所示。兩圓盤之間的距離及相鄰撥桿圓盤的距離對采收率有影響，距離太大或太小都會(huì)使采收率降低。依據(jù)核桃樹形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文取兩圓盤之間的距離為225mm，相鄰導(dǎo)軌架的距離為414mm。工作時(shí)，8組撥桿圓盤同時(shí)進(jìn)行振動(dòng)作業(yè)，撥桿圓盤周向均勻分布12個(gè)撥桿。撥桿通過橡膠板和壓板壓緊，橡膠板與壓板間通過鎖緊螺母進(jìn)行緊固，同時(shí)壓板壓緊軸承套中間的凸臺，同軸承套固結(jié)，既保證了整個(gè)周向撥桿的分布，又能防止撥桿在反復(fù)振動(dòng)過程中脫落。為減少振動(dòng)過程中對樹枝產(chǎn)生破壞性損傷，撥桿選用韌性好、耐磨力強(qiáng)的尼龍棒。

1.撥桿　2.橡膠板　3.壓板

3運(yùn)動(dòng)與慣性力分析

3.1　曲柄滑塊總成運(yùn)動(dòng)分析

為便于分析曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程，將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡化成運(yùn)動(dòng)分析圖，如圖5所示。取O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，取x，y正軸方向?yàn)槭噶空较颍b置起始位置位于右側(cè)極限位置。

圖5　曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析簡圖

由復(fù)數(shù)矢量法可知

(1)

利用歐拉公式整理并展開，則有

L1cosθ1+L2cosθ2=LOC

(2)

L1sinθ1+L2sinθ2=0

(3)

由式(3)可知

θ2=-arcsin(L1sinθ1/L2)

(4)

求導(dǎo)可得到L2角速度為

(5)

式(2)分別對t進(jìn)行一次及二次求導(dǎo)，可得到滑塊速度及加速度為

(6)

(7)

因此，裝置產(chǎn)生的激振力為

F1=-maoc

(8)

L1—曲柄板OB的長度；

L2—連桿BC的長度；

Loc—滑塊C沿x軸位移；

voc—滑塊C沿x軸速度；

aoc—滑塊C沿x軸加速度；

t—機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間；

θ1—t時(shí)刻曲柄板轉(zhuǎn)角；

θ2—t時(shí)刻連桿轉(zhuǎn)角；

ω1—曲柄角速度；

ω2—連桿角速度；

m—滑塊質(zhì)量。

振動(dòng)頻率可通過改變液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)振動(dòng)頻率為2Hz，即馬達(dá)轉(zhuǎn)速n1=120r/min時(shí)，代入數(shù)據(jù)(L1=50mm，m=12kg，L2=120mm)，通過Mathcad軟件計(jì)算得出裝置產(chǎn)生的激振力最大為134N>80N[6]，滿足核桃振動(dòng)分離要求。因此，該裝置能夠?qū)⒑颂艺衤洹?/p>

3.2　采收裝置慣性力分析

機(jī)構(gòu)中的慣性力將導(dǎo)致機(jī)構(gòu)振動(dòng)，因此需要對裝置慣性力進(jìn)行分析。設(shè)曲柄滑塊總成的組數(shù)為N，運(yùn)動(dòng)簡圖如圖6所示。

圖6　多組曲柄滑塊總成運(yùn)動(dòng)分析圖

由圖6可知

(9)

(10)

由公式(4)可知

tanγi=tan[2π-arcsin(L1sinθ1,i/L2)]

(11)

由于公式(7)中aoc是關(guān)于曲柄轉(zhuǎn)速ω1和時(shí)間t的公式，因此不同相位下的加速度等同于不同時(shí)間下的加速度。對于第i組有

(12)

(13)

δ—曲柄板排布間角；

θ1，i—第i組曲柄轉(zhuǎn)角；

γ1，i—第i組連桿與x軸負(fù)方向夾角；

aoc，i—第i組滑塊加速度。

由于滑塊在直線上滑動(dòng)，因此加速度可以按照標(biāo)量運(yùn)算進(jìn)行加減，合加速度為

∑aOC=aOC,1+aOC,2+…+aOC,N

(14)

為明確采收裝置所受各曲柄滑塊機(jī)構(gòu)振動(dòng)過程中的慣性力，取第i組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，如圖7所示。

圖7　單組曲柄滑塊總成慣性力分析圖

因滑塊質(zhì)量為m，所以存在慣性力為

Fcx,i=maoc,i

(15)

Fcy,i=Fcx,itanγi

(16)

由OBC系統(tǒng)平衡，得

Fox,i=-Fcx,i=-maoc,i

(17)

Foy,i=-Fcy,i=-Fcx,itanγi

(18)

x方向裝置合力為

∑Fox=Fox,1+Fox,2+…+Fox,N=m∑aOC

(19)

y方向裝置合力為

∑Foy=Foy,1+Foy,2+…+Foy,N

=m(tanγ1Fox,1+tanγ2Fox,2+…+tanγNFox,N)

(20)

將式(11)利用Mathcad軟件計(jì)算得max(tanγi)=0.458，因此

∑Foy≤(0.458Fox,1+0.458Fox,2+…+0.458Fox,N)

=0.458∑Fox

(21)

裝置所受合力為

(22)

式中Fcx，i—第i組滑塊在x軸方向慣性力；

Fcy，i—第i組滑塊在y軸方向慣性力；

Fox，i、Foy，i—軸端所受反作用力。

根據(jù)核桃樹冠形態(tài)，選取4組曲柄滑塊總成，即N=4，代入數(shù)據(jù)，通過Mathcad軟件得合加速度∑aoC隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖8所示。

圖8　合加速度曲線

由圖(8)可得：maxΣaoc=0.658m/s2,裝置所受合

慣性力最大值為maxΣF≤1.1maxΣFox=8.69N，可在曲柄板處增加平衡塊以消除慣性力對采收裝置的影響。

4結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種樹冠振動(dòng)式核桃采收裝置，可對不同生長形態(tài)的果樹進(jìn)行振動(dòng)采收作業(yè)；撥桿圓盤繞軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，有效地降低了采收過程中裝置對樹枝的機(jī)械損傷。

2)通過對滑塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得出了振動(dòng)頻率為2Hz時(shí)裝置對核桃最大激振力為134N，驗(yàn)證了該裝置對核桃振動(dòng)采收的可行性。

3)通過對裝置慣性力分析，得出了裝置所受最大慣性力為8.69N，為采收裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化及核桃收獲機(jī)的進(jìn)一步研究提供了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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The Design and Analysis of Canopy Shaker Device for Walnut

Wang Zhenzhen, Kan Za, Fu Wei, Li Chengsong, Zhu Xingliang, Wang Lihong

(College of Mechanical and Electrical Engineering， Shihezi University， Shihezi 832000，China)

Abstract：In order to improve the harvesting efficiency of walnut and reduce the damage of walnut tree, a kind of canopy shaker device was designed under the planting of Xinjiang walnut. The exciting force caused by the straight reciprocating motion of disks with driving levers around was used to harvest walnut. Through the analysis of the slider-crank mechanism, the expression of acceleration and velocity were deducted. And the maximum exciting force was solved as 134N by solving mechanism, while the frequency was 2Hz. The feasibility of the mechanism was verified. Meanwhile, the inertia force of mechanism was analyzed to deduct the resultant force expression of different groups slider-crank, and its maximum value was 8.96N. It provides a theoretical basis for the research of Xinjiang walnut harvester.

Key words：walnut ;canopy shaker;device; slider-crank

中圖分類號：S225.93

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0056-04

作者簡介：王真真(1988-)，男，山東平原人，碩士研究生，(E-mail) 970279450@qq.com。通訊作者：坎雜(1963-)，男，新疆精河人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)kz-shz@163.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465051，51365049)

收稿日期：2015-07-14