李建友，劉克銘

（遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000）

2014年中國專家把樹莓預測為第三代水果，認為它有無限的發(fā)展前景和市場。樹莓果實柔軟多汁，香味濃郁，色澤宜人，是一種集食、補、藥于一體的珍貴水果。由于機械化的采集種植要求嚴格，目前我國的樹莓采集大多采取人工采摘方式。但是隨著樹莓種植產量逐年升高，而樹莓成熟果實鮮嫩多汁，摘果時間短，保鮮期短，鮮果不宜儲存，人工采摘速度慢，費用高，遠遠不能滿足生產加工需要，制約樹莓產業(yè)進一步快速發(fā)展。

目前，國內外振動式采摘機普遍是利用往復式運動機構或者偏心回轉機構產生的慣性力作用在果樹的樹干、樹枝或樹冠上，但是存在采摘效率低等問題，如把往復式運動和回轉運動復合到一起（即為復合式運動），效率會提高，本文對此展開研究。

1 樹莓振動采摘條件的建立

樹莓采摘機采摘原理如圖1所示，采摘機以一定的頻率拍打樹莓樹枝時，結有果實的樹莓樹枝發(fā)生受迫振動，振動輸出響應f(z,t)為

式中fd(z,t)為樹莓樹枝受迫振動輸出振動響應，fF(z,t)為樹莓樹枝受迫振動輸出穩(wěn)態(tài)解。

結合式（1），得到樹莓果實所受的采摘慣性力

式中m0為樹莓果實質量。

由于樹莓枝葉相互疊連存在阻尼，樹莓樹枝受迫振動輸出瞬態(tài)解fd(z,t)將隨振動時間的延續(xù)而逐漸減少直至趨于0，故忽略fd(z,t)的影響，主要研究樹莓樹枝受迫振動輸出穩(wěn)態(tài)解fF(z,t)所形成的采摘慣性力F（FN）。

圖1 樹莓振動采摘原理

在實際振動過程中，樹莓受到采摘慣性力作用，當采摘慣性力和其與果柄的結合力相等時被振落。設熟果實與樹枝結合力為F1，生果與樹枝結合力為F2，忽略瞬態(tài)振fd(z,t)的影響，考慮到采摘過程要保留生果，采摘熟果。得到實現(xiàn)樹莓振動采摘條件是F1≤FF≤F2。查閱文獻得知[1]，熟果實與樹枝平均結合力F1約為0.47 N，生果與樹枝平均結合力F2約為4.26 N。

2 激振機構

采摘執(zhí)行機構的傳動系統(tǒng)為液壓馬達→激振機構→齒輪箱→振動棒，假設激振機構為差動輪系+偏心塊（圖2），本文所用的差動輪系與汽車后驅動橋上的差速器有所不同，這里的輸入軸為傳統(tǒng)差速器的輸出軸，行星輪上連接偏心塊。液壓馬達與軸1相連，軸1末端裝有錐齒輪2，行星輪3、4繞著錐齒輪2公轉，行星輪3、4與齒輪箱相連，帶動齒輪箱進行旋轉，又因齒輪箱與振動棒相連，振動棒也隨著齒輪箱做旋轉運動。行星輪3、4各連接有偏心塊5，兩個偏心塊旋轉方向相反。

圖2 激振機構運動簡圖

由于液壓馬達作間歇回轉運動，在馬達停歇期間，慣性與重力作用會使偏心塊往復運動，產生振動。旋轉時只產生縱向的激振力，橫向激振力被抵消[2]。

2.1 偏心塊的結構設計

通常，激振器中偏心塊結構有三種形式，分別為半圓式、過半圓式和少半圓式，每一種又分為不帶圓角型和帶圓角形。其中帶圓角型最大總變形和最大等效應力要優(yōu)于不帶圓角型，現(xiàn)在基本上常用半圓式帶圓角型[2]。

偏心塊所產生的激振力可按下式進行計算

式中F為激振力，kN；G為偏心塊質量，kg；rp為偏心塊偏心距，m；ω為回轉軸角速度，rad/s；

根據式（3），激振力可從偏心塊的質量和偏心塊的偏心距兩方面進行調整。常用的調整方法有：（1）通過增減偏重片的數(shù)量來改變偏重塊的重量；（2）移動兩側偏重塊相對于固定軸的位置，改變兩者之間的距離，從而改變整個偏重塊的偏心距[3]。

根據采摘機的特點，由于激振器有尺寸要求，偏心距調整范圍不大，可以不考慮，偏心塊材質一般選用45#鋼，根據結構的大小選取合適數(shù)量的偏重片。

3 激振機構運動仿真

3.1 模型導入

本文研究的樹莓采摘機模型較復雜，不適合在ADAMS中直接建立動力學模型，這里選擇SolidWorks三維建模軟件建立模型，進行裝配，然后導入到ADAMS里，仿真模型如圖3所示。

圖3 分離機構仿真模型

3.2 施加約束和驅動

ADAMS提供了多種運動副和驅動方式，根據機構的實際運動情況，選擇相應的運動副進行添加，并施加合適的驅動，以實現(xiàn)預定的動作[4]。

接觸參數(shù)的值分別為：剛度系數(shù)為269 500N/mm，阻尼系數(shù)為50 N·s/mm，嵌入深度為0.01 mm，動、靜摩擦因數(shù)分別為0.05、0.08，動、靜阻力滑移速度分別為10 mm/s、0.1 mm/s[5]。

表1 仿真所需運動副

4 仿真結果分析

液壓馬達直接驅動偏心塊機構工況下所得到的結果如圖4所示，當工作時間區(qū)域內振動頻率較小時，可以提高轉速來獲得較高的頻率，隨著振動頻率的增加，柔性振動棒的加速度會隨之增加[6]，其作用在植株上的激振力必然增加，當不考慮其他因素時，一定會有一個合適的轉速能達到采摘的要求，考慮到轉速越高對液壓元件的性能要求越高，穩(wěn)定性等問題需要采用其他激振機構解決。

圖4 激振力隨轉速變化規(guī)律圖

液壓馬達經過差動輪系驅動采摘執(zhí)行機構實現(xiàn)復合式運動，當液壓馬達角速度為135 rad/s時仿真結果如圖5所示。最大激振力達到0.83 N，可以達到采摘的要求，進行對比發(fā)現(xiàn)與之前角速度達到180 rad/s時頻率和最大激振力差不多，速度降低，能耗減少，液壓馬達的工作強度也得到緩解，有利于延長馬達的工作壽命。

圖5 激振力隨轉速變化規(guī)律圖

選用斜齒輪液壓馬達時，托架部分加裝一個彈簧，底部再加裝一個板簧，由于斜齒輪液壓馬達會產生一個向下的作用力使采摘執(zhí)行機構產生上下運動，在縱向上就又多了一個激振力。在馬達角速度為135 rad/s時得到的仿真結果如圖6所示。

圖6 加裝彈簧所產生的激振力

由圖6可見，振幅大大增加，最大激振力達到46.5 N，遠遠大于所要的力，可以通過降低轉速達到采摘的要求，但是振動頻率會下降?？梢蕴岣邫M向的振動頻率，來彌補縱向的振動頻率，使能耗得到進一步降低。

5 結語

（1）基于ADAMS的仿真結果比較了兩種激振機構的工作性能，采用差動輪系+偏心塊的復合式激振機構的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的激振機構，而且提高了零件的工作壽命，節(jié)省維護費用，符合當前節(jié)能、環(huán)保、綠色的發(fā)展大趨勢，符合提高機械效率的發(fā)展方向[7]。

（2）在此基礎上研究了復合式激振機構所受到的影響因素，得到振幅和頻率與轉速之間的關系、激振力與偏心塊之間的關系，為今后優(yōu)化設計奠定了基礎。

參考文獻：

[1]王海濱.振動式藍莓采摘的機理分析與仿真[J].農業(yè)工程學報，2013（12）：112-116.

[2]邢曉林.振動時效裝置激振器偏心塊優(yōu)化設計[J].中國新技術新產品，2012（17）：120-121.

[3]吳振卿.慣性振動設備用箱式激振器的設計[J].鄭州工業(yè)大學學報，1999（3）：16-18.

[4]牛國棟，張士新.虛擬樣機技術在農業(yè)機械產品開發(fā)中的應用[J].農機化研究，2008(5)：57-159.

[5]魯磊.基于聯(lián)合仿真技術的差速器齒輪機構動力學分析[J].山東交通學院學報，2012(4)：23-127.

[6]李永強.基于ADAMS的釀酒葡萄植株受迫振動仿真研究[J]. 安徽農業(yè)科學，2015（27）：220-224.

[7]薛燁.振動式林果采摘機虛擬樣機設計及動力學仿真[D].株洲：中南林業(yè)科技大學，2013.