， ，*

(1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 10083)(2塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院/新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 阿拉爾 843300)

紅棗原產(chǎn)于中國(guó)，是我國(guó)特有的水果之一，并且其在中國(guó)已經(jīng)有數(shù)千年的栽培歷史[1-2]。紅棗因其口感香甜和富含營(yíng)養(yǎng)豐富等特點(diǎn)而廣受市場(chǎng)歡迎，是一種常見(jiàn)的滋補(bǔ)養(yǎng)生食材[3]。據(jù)有關(guān)資料記載，我國(guó)紅棗品種眾多且種植規(guī)模龐大，全世界90%以上的紅棗產(chǎn)自中國(guó)[4-5]。我國(guó)紅棗種植主要分布在新疆、山西、河南、陜西、河北和山東等地。新疆地區(qū)光照時(shí)間長(zhǎng)、晝夜溫差大和空氣稀薄，種植的紅棗深受廣大市場(chǎng)消費(fèi)者追捧。新疆紅棗種植規(guī)模僅次于該地區(qū)第一大經(jīng)濟(jì)作物棉花的種植面積，已經(jīng)發(fā)展成為促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的特色林果產(chǎn)品。為了便于田間管理，目前新疆紅棗種植普遍采用矮化密植種植模式。該種植模式下的棗樹(shù)矮小且種植密集，常見(jiàn)的林果收獲機(jī)械難以滿足其收獲要求。導(dǎo)致目前新疆大面積的紅棗采收依然通過(guò)人工撿拾的方式來(lái)完成，嚴(yán)重制約新疆紅棗產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

為了實(shí)現(xiàn)新疆紅棗的機(jī)械化采收，解決矮化密植紅棗收獲難題。新疆農(nóng)墾科學(xué)院的湯智輝等通過(guò)對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的引進(jìn)和消化吸收，設(shè)計(jì)研制出我國(guó)第一款基于樹(shù)干搖振采收原理的紅棗收獲機(jī)械。但是該機(jī)型要求有較大的作業(yè)工作空間，難以適應(yīng)矮化密植種植模式[6]。石河子大學(xué)的坎雜等設(shè)計(jì)研發(fā)出一種基于樹(shù)冠振動(dòng)采收的騎跨式紅棗收獲機(jī)械，該機(jī)具收獲過(guò)程中對(duì)棗樹(shù)損傷較大且難以對(duì)落地紅棗進(jìn)行收獲，目前仍處于研發(fā)階段[7-8]。塔里木大學(xué)史高昆等設(shè)計(jì)研發(fā)出氣吸式紅棗收獲機(jī)械，但受風(fēng)機(jī)負(fù)壓限制和棗園作業(yè)環(huán)境影響，該機(jī)具作業(yè)效率和機(jī)具可靠性仍有待提高，目前機(jī)具處于改進(jìn)完善階段[9]。由于國(guó)外種植紅棗規(guī)模較小，導(dǎo)致國(guó)外對(duì)紅棗收獲機(jī)械的研究較少。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料記載，目前僅有韓國(guó)忠南國(guó)立大學(xué)的S．W．Lee et al設(shè)計(jì)了一種基于樹(shù)冠振動(dòng)的液壓自走式紅棗收獲機(jī)械[10]。該機(jī)具適用于高大棗樹(shù)種植模式，對(duì)于矮化密植種植模式并不適用。

針對(duì)目前紅棗收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀，并充分考慮新疆紅棗種植采用的矮化密植種植模式。本文設(shè)計(jì)研制出一種基于清掃收獲原理的清掃式紅棗收獲機(jī)械，并對(duì)機(jī)具的關(guān)鍵工作部件V型布置清掃輥刷支撐架進(jìn)行相應(yīng)的理論計(jì)算及有限元分析。為清掃式落地果收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供參考依據(jù)。

1 整機(jī)機(jī)構(gòu)及工作原理

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

清掃式紅棗收獲機(jī)械主要由清掃裝置、液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、紅棗仿形收集裝置、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、紅棗輸送裝置、柴油機(jī)、機(jī)架、紅棗收集箱、去雜篩、控制系統(tǒng)和行走機(jī)構(gòu)等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.清掃裝置 2.液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置 3.紅棗仿形收集裝置 4.機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 5.紅棗輸送裝置 6.柴油機(jī) 7.機(jī)架 8.紅棗收集箱 9.去雜篩 10.控制系統(tǒng) 11.行走機(jī)構(gòu)

1.2工作原理

清掃式紅棗收獲機(jī)械的全部輸出動(dòng)力均由1臺(tái)7. 5 kW的柴油機(jī)進(jìn)行提供。通過(guò)該柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)橫向清掃輥刷和紅棗輸送裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)作業(yè)，同時(shí)柴油機(jī)還為液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)具的電動(dòng)行走機(jī)構(gòu)提供原始的動(dòng)力來(lái)源。作業(yè)時(shí)，機(jī)具通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)在棗樹(shù)行間進(jìn)行自動(dòng)行走收獲作業(yè)，V型布置清掃輥刷將地面分散的落地紅棗清掃集中形成長(zhǎng)條狀，再利用橫向清掃輥刷和紅棗仿形收集裝置的相互配合將形成的長(zhǎng)條狀紅棗清掃至紅棗輸送裝置，最終經(jīng)過(guò)紅棗輸送裝置和去雜篩將紅棗輸送到紅棗收集箱，從而完成落地紅棗的收獲作業(yè)過(guò)程。

2 V型布置清掃輥刷支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其受力分析

2.1 V型布置清掃輥刷支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清掃裝置是清掃式紅棗收獲機(jī)對(duì)地面紅棗進(jìn)行清掃撿拾收獲的關(guān)鍵工作部件，清掃裝置的基本結(jié)構(gòu)與其受力變形和應(yīng)力分布直接相關(guān)。并且清掃裝置的受力變形直接影響清掃輥刷與地面的接觸情況，從而影響清掃裝置的清掃收集效果。清掃裝置主要由3根清掃輥刷組成，其中2根清掃輥刷呈V型布置并且采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的支撐架進(jìn)行固定。該V型布置清掃輥刷采用液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)落地紅棗的清掃聚攏。另外一根清掃輥刷采用橫向布置，主要配合紅棗仿形收集裝置完成地面紅棗的收集過(guò)程。由于懸臂結(jié)構(gòu)的V型布置清掃輥刷支撐架受力變形較大，因此有必要對(duì)懸臂結(jié)構(gòu)的V型布置清掃輥刷支撐架進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，V型布置清掃輥刷支撐架的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 V型布置清掃輥刷支撐架基本結(jié)構(gòu)

2.2 V型布置清掃輥刷支撐架受力分析

由分析可知，V型布置清掃輥刷支撐架在工作過(guò)程中，主要承受由機(jī)架和清掃輥刷自重引起的均勻分布載荷q1和液壓馬達(dá)自重引起的均勻分布載荷q2。另外，在清掃輥刷作業(yè)的過(guò)程中，清掃輥刷還受到由清掃輥刷旋轉(zhuǎn)與地面摩擦引起切向摩擦力Ff2和清掃輥刷向前行走過(guò)程中與地面摩擦引起的摩擦力Ff1，在分析過(guò)程中分別將Ff1和Ff2簡(jiǎn)化為清掃輥刷中點(diǎn)的集中載荷，具體的受力分析簡(jiǎn)圖如圖2所示。根據(jù)清掃輥刷、機(jī)架及液壓馬達(dá)自重可分別計(jì)算得出均勻分布載荷系數(shù)q1和q2(q1=307 N/m，q2=340 N/m)，再根據(jù)測(cè)得清掃輥刷與地面之間的摩擦系數(shù)及其與地面之間的壓力可分別計(jì)算得出摩擦力Ff1和Ff2(Ff1=348 N，F(xiàn)f2=275 N)。

由于V型布置清掃輥刷支撐架兩側(cè)對(duì)稱(chēng)，在實(shí)際受力過(guò)程中兩側(cè)的清掃輥刷機(jī)構(gòu)變形情況基本一致。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，只取一側(cè)的清掃輥刷支撐架進(jìn)行受力分析。并且將各種載荷均分解到平行于清掃輥刷支撐架的平面內(nèi)和垂直于清掃輥刷支撐架的平面內(nèi)進(jìn)行分析，如圖3所示。

a. 平行于清掃輥刷平面

b. 垂直于清掃輥刷平面

為了計(jì)算得出清掃輥刷支撐架在各處的最大彎曲變形，根據(jù)圖3中的受力情況分別計(jì)算上述兩面內(nèi)清掃輥刷支撐架的撓度。在平行于清掃輥刷支撐架的平面內(nèi)，AB、BC和CD段內(nèi)各處的撓度分別為：

(1)

(2)

(3)

在垂直于清掃輥刷支撐架的平面內(nèi)，AB和BD段內(nèi)各處的撓度為：

(4)

(5)

式中，乘積EI為清掃輥刷支撐架橫截面的彎曲剛度，其中E為彈性模量，I為慣性矩；C1、C2、C3、C4和D1、D2、D3、D4為常數(shù)。

3 V型布置清掃輥刷支撐架有限元分析

3.1有限元分析模型建立

在運(yùn)用ANSYS Workbench對(duì)V型布置清掃輥刷支撐架進(jìn)行有限元分析之前，采用三維建模軟件Solidworks建立其三維分析模型。將建立的三維模型保存為x_t格式，再通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將建立的三維模型導(dǎo)入到NASYS Workben軟件中，從而完成有限元三維分析模型的建立及導(dǎo)入過(guò)程。為簡(jiǎn)化模型的運(yùn)算規(guī)模，對(duì)V型布置清掃輥刷的刷絲部分進(jìn)行簡(jiǎn)化，最終建立的三維模型如圖4所示。

圖4 V型布置清掃輥刷支撐架有限元分析簡(jiǎn)化模型

3.2模型網(wǎng)格劃分及加載

將Solidworks建立的V型布置清掃輥刷支撐架的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench分析軟件中，選擇Tetrahedrons網(wǎng)格單元并運(yùn)用Automatic Method的方法進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分。再通過(guò)Details of Mesh進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格單元的尺寸進(jìn)行約束。采用上述方法對(duì)建立的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該模型最終劃分的網(wǎng)格數(shù)量和節(jié)點(diǎn)分別為17 440和36 565，網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好的滿足模型分析精度要求。根據(jù)V型布置清掃輥刷實(shí)際作業(yè)時(shí)受到的載荷情況，對(duì)網(wǎng)格劃分后的模型進(jìn)行載荷施加，如圖5所示。

圖5 V型清掃輥刷支撐架網(wǎng)格劃分及加載

3.3有限元結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果

為了得到更加清晰表達(dá)V型布置清掃輥刷支撐架在靜載作用下的變形和應(yīng)力應(yīng)變情況，對(duì)V型布置清掃輥刷支撐架進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。在ANSYS Workbench靜力學(xué)結(jié)果顯示中，選擇總變形、等效應(yīng)力和等效應(yīng)變作為的求解結(jié)果。最終，分別求解得到V型布置清掃輥刷支撐架的Total Deformation、Equivalent Elastic Strain和Equivalent Stress云圖，如圖6所示。

a.總變形 b.等效應(yīng)變 c.等效應(yīng)力

圖6 V型布置清掃輥刷支撐架靜力學(xué)分析結(jié)果

由圖6可知，V型布置清掃輥刷支撐架最大的總變形、等效應(yīng)變和等效應(yīng)力分別為60. 432 mm、0. 009 547 7和484. 22 MPa。分析圖6a可知，V型布置清掃輥刷支撐架的最大變形出現(xiàn)在支撐架遠(yuǎn)離固定的一端，并且V型布置清掃輥刷支撐架固定端和遠(yuǎn)離固定端的變形量差異明顯，在實(shí)際作業(yè)的過(guò)程中容易引起清掃輥刷清掃作業(yè)質(zhì)量不穩(wěn)定和清掃輥刷刷絲磨損不均勻現(xiàn)象。而由圖6c可知，V型布置清掃輥刷支撐架最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支撐架固定的一端，并且該最大應(yīng)力值超過(guò)支撐架材料的屈服極限。因此，V型布置清掃輥刷支撐架存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理之處。為了減小V型布置清掃輥刷支撐架的最大變形和保證V型布置清掃輥刷支撐架的支撐強(qiáng)度，在現(xiàn)有V型布置清掃輥刷支撐架的基礎(chǔ)上增加支撐桿來(lái)增加其強(qiáng)度。再根據(jù)上述步驟，對(duì)改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，其分析得到的總變形、等效應(yīng)變和等效應(yīng)力分布情況如圖7所示。

a.總變形 b.等效應(yīng)變 c.等效應(yīng)力

由圖7可知，改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架的最大總變形、等效應(yīng)變和等效應(yīng)力值分別為6. 935 mm、0. 003 260 8和199. 2 MPa。對(duì)比圖6a和圖7a中的有限元分析結(jié)果可知，改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架的總變形由原來(lái)的60. 432 mm減小至6. 935 mm，支撐架的強(qiáng)度增加明顯。并且改進(jìn)后的最大總變形仍然出現(xiàn)在相同位置。從支撐架的等效應(yīng)力分析結(jié)果可知，改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架出現(xiàn)的最大等效應(yīng)力小于支撐架材料的屈服極限。綜上所述，V型布置清掃輥刷支撐架的改進(jìn)設(shè)計(jì)合理。

3.4有限元結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

為了避免V型布置清掃輥刷在作業(yè)時(shí)出現(xiàn)較大的振動(dòng)影響V型布置清掃輥刷清掃采收作業(yè)的質(zhì)量，對(duì)改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中的模態(tài)分析。通過(guò)模態(tài)分析計(jì)算V型布置清掃輥刷支撐架的低階固有頻率和振型，避免因各低階固有頻率與機(jī)具的自激振動(dòng)頻率相同而出現(xiàn)共振現(xiàn)象。據(jù)文獻(xiàn)資料記載，低階振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)影響較為顯著，并且低階振型直接影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性[11]。因此，采用模態(tài)分析得出V型布置清掃輥刷支撐架前三階固有頻率和振型，具體結(jié)果如圖8所示。

a.1階振型 b. 2階振型 c. 3階振型

由圖8可知，改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架的前三階固有頻率分別為7. 721 2 Hz、9. 136 1 Hz和17. 44 1 Hz。該紅棗收獲機(jī)械選用柴油機(jī)的自激振動(dòng)頻率為33. 3～50 Hz，清掃輥刷的自激振動(dòng)頻率為0～3. 3 Hz。改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架的固有頻率與機(jī)具的自激振動(dòng)頻率存在明顯差異，因此改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架在清掃收獲作業(yè)過(guò)程中不存在共振現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)論

4.1 針對(duì)新疆普遍采用的矮化密植種植模式，設(shè)計(jì)了一種清掃式紅棗收獲機(jī)械。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了V型布置清掃輥刷的支撐架，并對(duì)支撐架進(jìn)行了相應(yīng)的力學(xué)分析。

4.2 對(duì)V型布置的清掃輥刷支撐架進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，并通過(guò)分析結(jié)果對(duì)V型布置的清掃輥刷支撐架進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架的最大總變形由改進(jìn)前的60. 432 mm減小至6. 935 mm，最大等效應(yīng)力由改進(jìn)前的484. 22 MPa降低至199. 2 MPa，改進(jìn)設(shè)計(jì)合理。

4.3 通過(guò)模態(tài)分析得出V型布置清掃輥刷支撐架前三階固有頻率分別為7. 721 2 Hz、9. 136 1 Hz和17. 441 Hz。模態(tài)分析結(jié)果表明，V型布置清掃輥刷支撐架的固有頻率與機(jī)具的自激振動(dòng)頻率存在明顯差異，故V型布置清掃輥刷支撐架在作業(yè)時(shí)不存在共振現(xiàn)象。進(jìn)一步表明V型布置清掃輥刷支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。