詹 超，曹成茂，婁帥帥，丁 冉，畢海軍，李贊松

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，合肥 230036 )

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高空便攜式山核桃拍打采摘機設(shè)計

詹 超，曹成茂，婁帥帥，丁 冉，畢海軍，李贊松

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，合肥 230036 )

針對當(dāng)前我國山核桃采摘過程作業(yè)難、機械化程度低及存在安全隱患的現(xiàn)狀，設(shè)計研制了一款適用于復(fù)雜地形車輛無法進入的山高、坡陡的多功能高空便攜式山核桃采摘設(shè)備。為此，闡述了采摘機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，給出了采摘伸縮桿、采打機構(gòu)等關(guān)鍵部件的設(shè)計過程，并利用abaqus軟件對采摘桿進行有限元模態(tài)分析，獲得了該系統(tǒng)的前6階的固有頻率及各階振型圖。研究結(jié)果表明：系統(tǒng)的 1～2 階(54.1～55.2 Hz)模態(tài)主要表現(xiàn)為采摘桿整體平動；3～6階(107.3～184.3Hz)模態(tài)表現(xiàn)為采摘桿各部位沿各個方向的振顫及扭轉(zhuǎn)振動，上述系統(tǒng)模態(tài)屬性，可為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動特性的描述及整機作業(yè)性能的優(yōu)化提供依據(jù)。

山核桃；采摘機；便攜式；高空；模態(tài)分析

0 引言

山核桃屬于我國特有的經(jīng)濟樹種,營養(yǎng)價值高，果仁中含有20多種礦物元素，以及對人體有重作用的鈣、鎂、磷和鐵等微量元素[1-2]，是一種健康美味、營養(yǎng)豐富的天然綠色食品。其主要分布在天目山山區(qū)的海拔50～1 200m、5°～30°的中緩坡的一帶[3]。山核桃樹高達10m以上，樹徑粗大，且生長在山高、坡陡的山上，其采摘作業(yè)極為困難，需投入的勞動力占整個生產(chǎn)過程總勞動力的30%～50%[4-6]。

國外林果采摘機械多是大型振動自走式，研究表明：通過果樹樹干采收果樹最有效，且激振頻率對采摘效果有很大的影響[7-8]。國外采摘機主要應(yīng)用于扁桃、杏、油橄欖及開心果等，采收效率高，采凈率高達90%以上[9-15]；但其造價昂貴，且為大型機械，作業(yè)要求較高，不適合我國果園密植模式的采摘。國內(nèi)林果采摘機械還處于起步階段，王業(yè)成等[16]研究了便攜式小漿果采收器，該裝置限制于小漿果的采收。陸懷民等[17]研究了林木球果采集機器人，采摘效率及采凈率高；新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所[18-20]研究生產(chǎn)出VIBROLIV干果采收機，對于紅棗、沙棗采收切實可行，但這兩款機具機型較大，不適于密植型果園采摘。

針對我國山區(qū)密植模式作業(yè)環(huán)境存在的作業(yè)空間小及機械化程度差的特點，設(shè)計了一款便攜式山核桃拍打采摘機，并對機具采摘桿進行了有限元模態(tài)分析，對該機具的模態(tài)屬性進行深入研究，為采摘機的研制提供理論基礎(chǔ)和實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 設(shè)計要求與主要技術(shù)參數(shù)

1.1 設(shè)計要求

1)采摘對象：適用于機采的林果為采摘質(zhì)量要求不高、果皮較為堅硬而不易損傷的大多數(shù)干果、堅果和部分鮮食水果,如紅棗、沙棗、核桃和杏等。

2)適合機采的果樹的高度≥10m。

3) 采摘設(shè)備滿足高空作業(yè)、攜帶方便及持續(xù)工作4h以上等條件。

4) 用機械拍打的方式仿人工拍打果樹樹枝，使果實在瞬間慣性力作用下脫落。

5) 采摘生產(chǎn)率≥20棵 / h，采凈率≥90% ( 成熟度較好) 。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

電源/kW:≥ 0.24

外形尺寸(長×寬×高)/mm:3 000×50×50

采摘生產(chǎn)率/棵·h-1:≥ 20

采凈率/%:≥90

整機質(zhì)量/kg:≤2

振動頭質(zhì)量/kg:≤0.5

伸縮桿最大伸縮范圍/mm:9 000

采打果樹高度范圍/m:3～10

電機輸出轉(zhuǎn)矩/N·cm:13.8

2 采摘機的總體機構(gòu)與工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

高空便攜式山核桃采摘裝置主要由電源、調(diào)速機構(gòu)、伸縮桿、過流保護裝置、線架、固定支架、微型直流電機及采打機構(gòu)等組成，總體布局如圖1所示。線架安裝在伸縮桿底端，微型直流電機通過固定支架安裝在伸縮桿頂端；線架上纏繞著能夠?qū)崿F(xiàn)最長伸縮高度的電線，電線的一端與調(diào)速機構(gòu)、過流保護裝置和電源連接，另一端與微型直流電機相連，實現(xiàn)電源、過流保護裝置、調(diào)速機構(gòu)及微型直流電機四者串聯(lián)；采打機構(gòu)通過螺絲固定在電機軸上。

采摘機構(gòu)采用電機驅(qū)動，要求采摘機構(gòu)本身的固有頻率應(yīng)避開電機驅(qū)動時桿的振動頻率。同時，由于外界荷載隨機作用，使得系統(tǒng)所受激勵的頻率范圍加大，引發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生較為復(fù)雜的動態(tài)響應(yīng)，直接影響著機具的作業(yè)性能，因此需對系統(tǒng)的模態(tài)屬性進行深入分析，為實施系統(tǒng)優(yōu)化提供方案。

1.電源 2.過流保護裝置 3.調(diào)速機構(gòu) 4.線架

2.2 工作原理

作業(yè)時，采摘者將電源束在腰間，并握住伸縮桿，將采打機構(gòu)放在山核桃果或樹枝枝干上，采打機構(gòu)為柔性材料，可避免對樹干、枝芽的損傷；之后，通過調(diào)速裝置開啟動力源，并調(diào)節(jié)微型直流電機轉(zhuǎn)速，動力通過電線傳輸給微型直流電機，使得微型直流電機高速轉(zhuǎn)動，帶動采打機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，使得采打機構(gòu)偏離伸縮桿一定角度，從而拍打山核桃枝干，使得果實在受到的力大于果實與果枝的結(jié)合力時將會脫落，從而完成采摘工作。

當(dāng)采摘高度不夠時可以旋轉(zhuǎn)線架放長電線，同時按住錐狀連接套上的彈性按鈕，并拉伸直徑較大的管狀伸縮桿節(jié)，使得錐狀連接套上的螺栓卡死在直徑較小的管狀伸縮節(jié)上的下一個孔內(nèi)，從而使伸縮桿伸長，實現(xiàn)高空采摘。

3 主要部件設(shè)計

為了實現(xiàn)高空樹冠果實采摘，采摘桿的長度一般應(yīng)達到10m以上，解決這個問題必須使用伸縮桿，來實現(xiàn)操作的可行性和設(shè)備攜帶的方便性[21-23]。

伸縮桿在設(shè)計時應(yīng)考慮質(zhì)量輕、強度高，方便拆卸更換?；谏鲜隹紤]，管狀伸縮桿節(jié)材料選用為碳素纖維桿，每節(jié)桿長3m，完全伸長達9m以上，與固定支架、線架采用可拆卸連接，方便更換。如圖2所示，伸縮桿包括3節(jié)的相互套接在一起的管狀伸縮桿節(jié)，直徑較小的一個管狀伸縮桿節(jié)套置于直徑較大的一個管狀伸縮桿節(jié)內(nèi)，在直徑較大的管狀伸縮桿節(jié)端部固定有一個錐狀連接套，在錐狀連接套的頂端設(shè)置有螺栓，在錐狀連接套的中間設(shè)有彈性按鈕，彈性按鈕一端與螺栓固定在一起；在直徑較小的管狀伸縮桿節(jié)上設(shè)置有多個與螺栓直徑相同的孔，調(diào)節(jié)伸縮桿長度時，彈簧按鈕上的螺栓卡死在伸縮桿節(jié)孔上[24]。

1.直徑較大的管狀伸縮桿節(jié) 2.錐狀連接套

3.2 采打機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

采打機構(gòu)結(jié)構(gòu)由球頭、彈簧、橡膠管和底座組成，彈簧一端用螺栓緊固在球頭里，一端與底座焊接在一起，底座開有小孔，通過螺絲與電機軸卡死連接，如圖3所示。

1.球頭 2.彈簧 3.橡膠管 4.底座 5.電機

3.3 電源及電機的選擇

果實能否被拍打下來不僅取決于拍打力，還與電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩有關(guān)。本設(shè)計中電機選用直流無刷電機，該電機體積小、質(zhì)量輕、工作電壓低、轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩大；電機工作電壓12～24V，3V時空載轉(zhuǎn)速2 500r/min，輸出轉(zhuǎn)矩13.8N·cm，電源選用鋰電池。

研究區(qū)由于受多期造山事件影響，巖漿活動頻繁，總出露面積65%左右?；浴⒊?、中—酸性巖漿侵入活動和火山噴發(fā)活動都有，成因類型復(fù)雜。近年來的研究進一步表明，東昆侖造山帶印支晚期是一個重要的成礦期，也是最具找礦潛力的成礦期，與區(qū)內(nèi)已知礦床點成礦期大致相當(dāng)[3]。

4 采摘桿的模態(tài)分析

4.1 模態(tài)分析理論

根據(jù)采摘桿系統(tǒng)的材料及結(jié)構(gòu)的剛性特質(zhì)，將其描述為多自由度無阻尼自由振動系統(tǒng)，則

(1)

其中，M為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣；K為系統(tǒng)剛度矩陣；u為系統(tǒng)節(jié)點位移。

由模態(tài)分析理論可知，彈性體自由振動由一系列簡諧振動的疊加而成。結(jié)構(gòu)簡諧運動方程可表示為

x=Asin(ωn+φ)

(2)

其中，A為節(jié)點振幅(mm)；ωn為固有頻率(Hz)；φ為相位角(°)。

將式(2)帶入到式(1)中，可得

(3)

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生自由振動時，存在位移節(jié)點，式(3)存在非零解，系統(tǒng)的特征值方程為

(4)

4.2 采摘桿有限元模型建立與網(wǎng)格劃分

利用有限元前處理模塊進行建模工作，對模型中分析影響不重要的幾何因素進行了簡化，忽略螺紋和倒角特征及次要的空臺特征，簡化各種連接，將螺栓連接簡化為面接觸，將質(zhì)量進行等效分布，簡化后模型并不影響分析所要求的精度。定義采摘桿的材料為硬鋁合金,密度為2 760kg/m3，彈性模量E為7e4MPa，泊松比為0.3。對于模態(tài)分析，在Abaqus中定義一個線性攝動步的頻率提取分析步，模態(tài)提取系統(tǒng)前10階固有頻率；分析系統(tǒng)為自由振動，所以忽略外部載荷。為保證計算精度，節(jié)省計算耗時，指派單元類型為C3D8R(八結(jié)點線性六面體單元，減縮積分，沙漏控制)對整機實施非均勻網(wǎng)格劃分，最終生成的有限元模型如圖4所示。所得有限元模型單元為5 200,節(jié)點數(shù)為10 452。

圖4 采摘桿的有限元網(wǎng)格劃分

4.3 模態(tài)計算與分析

由于系統(tǒng)網(wǎng)格單元數(shù)量較多，因此選擇計算速度相對較快的 Reduced方法提取，求解了系統(tǒng)前10 階固有頻率(見圖5)及結(jié)構(gòu)振型(見圖6)，并對系統(tǒng)的模態(tài)屬性進行分析。

圖5 模態(tài)系統(tǒng)頻率變化曲線

1)當(dāng)系統(tǒng)受到1、2階固有頻率振動時，系統(tǒng)主振型主要表現(xiàn)為采摘桿整體剛體平動，并沒有單獨產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。

2)當(dāng)系統(tǒng)受到3、4階固有頻率振動時，系統(tǒng)主振型主要表現(xiàn)為采摘桿中間部位在y軸方向向外擴張，在x軸方向向內(nèi)擠壓變形。

3)當(dāng)系統(tǒng)受到5階、6階固有頻率振動時，系統(tǒng)主振型主要表現(xiàn)為采摘桿沿各個方向發(fā)生連續(xù)擺動振顫，并且頭部和中部呈現(xiàn)縱向扁平狀，中部呈現(xiàn)軸向扁平狀。

圖6 計算模態(tài)的固有頻率及對應(yīng)振型云圖

通過對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，可以看出：采摘桿的固有頻率范圍較大，在使用電機驅(qū)動過程中容易產(chǎn)生振動；電機驅(qū)動的采打頭額定轉(zhuǎn)速為2 500r/min，頻率為41.7Hz，低于第1階模態(tài)頻率，可避免結(jié)構(gòu)受到破壞，提高了裝置的使用安全性[30-31]。

5 結(jié)論

1)針對山區(qū)作業(yè)環(huán)境，設(shè)計了一款高空山核桃采摘裝置，其采摘效率高，有效地解決了采摘高度受限的問題，結(jié)構(gòu)簡單，操作靈便，拆卸和安裝都極為便利，而且質(zhì)量輕，便于移動攜帶，因此特別適合應(yīng)用于重型或車輛機械無法進入的山高、坡陡的采摘作業(yè)。

2)高空便攜式山核桃采摘裝置并不局限于采摘山核桃，還可用于其他高大堅果樹木的采摘，如香榧、銀杏和板栗等。

3)通過對采摘桿的模態(tài)分析，得到了采摘桿系統(tǒng)的機械特性，驗證了采摘機構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的合理性，為下一步動力學(xué)的研究提供了支持。

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Design of an Portable and High Altitude Walnut Picking Machine

Zhan Chao， Cao Chengmao， Lou Shuaishuai， Ding Ran， Bi Haijun， Li Zansong

(College of Engineering， Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China)

In order to solve the problems of the operational,security and the poor mechanization of the walnut picking work, we developed a multifunctional walnut picking equipment which adapt to the mountain area that the trucks unable to enter. In this paper, we present the design scheme of the prototype for the machine, and give the design parameters for the key parts like telescopic rod and picking mechanism . The finite element modal analysis of the picking rod was developed using the software ABAQUS, the modal figure and first 6 nature frequency of the model was achieved. The results indicated that, the 1-2(54.1-55.2Hz) modal frequency mainly performance as overall vibration of the pick rod, 3-6(107.3-184.3Hz) modal frequency performance as vibration and torsional vibration of the pick rod parts though different directions. The research would help to described the vibration characteristics of the system and could be referred by the similar study in order to improve the working performance.

walnut; picking machine;portable; high altitude; modal analysis

2016-08-02

國家自然資金面上項目(51475002)

詹 超(1990-)，男，安徽黃山人，碩士研究生，(E-mail)840782503@qq.com。

曹成茂(1964-)，男，安徽六安人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)caochengmao@sina.com。

S225.93

A

1003-188X(2017)10-0119-05