丁 凱，張炳成，刁雪洋，張慧明，付 威，坎 雜

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.農業(yè)部西北農業(yè)裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000)

0 引言

紅棗在我國有著3 000年多栽植歷史，品種豐富多樣，其栽植面積和產量均占世界99.9%[1]。紅棗含有大量的維生素和人體必需的多種氨基酸，具有補氣養(yǎng)血、健脾養(yǎng)胃等多種作用，藥用價值和營養(yǎng)價值極高[2-3]。棗樹抗旱耐鹽堿，對環(huán)境適應性強，大面積栽植能防風固沙，有利于改善生態(tài)環(huán)境[4]。截止2015年，新疆紅棗栽植面積已突破53.3萬hm2[5]，因采收主要以人工為主，嚴重制約了新疆紅棗產業(yè)的快速發(fā)展，為保證新疆紅棗產業(yè)健康有序的發(fā)展，應大力推廣機械化作業(yè)。

目前，林果收獲機械主要以振動采收為主，影響收獲機械作業(yè)效果的參數(shù)有激振頻率、振幅和激振位置等[6-9]。Polat等人采用不同的激振頻率和幅度對開心果進行機械化采收試驗，結果表明：當激振頻率為20Hz、振幅為50mm時，機器收獲的果實分離率可以達到95.5%[10]。Fábio L. Santos等人使用電磁振動機在實驗室內對咖啡果實振動收獲進行試驗，結果得出激振頻率為26.67Hz、振幅為7.5mm時收獲效率較高[11]。王業(yè)成等人對黑加侖采收率進行試驗研究，結果顯示：激振頻率為945～1 135r/min、振幅25～33mm、激振位置0.60(果枝長度與采收機夾持果枝位置距離地面的高度比值)時黑加侖采收率可達95%以上。杜小強等人設計了一種振幅可連續(xù)調節(jié)的單向拽振式林果采收機構，對山核桃試驗結果表明：曲柄轉速為7r/min、振搖曲柄轉動頻率在5～14Hz范圍內連續(xù)變化時，平均采收率為63.9%。王長勤等人設計了一種偏心式林果振動采收機對核桃進行采收實驗，結果顯示：激振頻率控制在19～20Hz時，平均采凈率約達89.5%～92.6%。

石河子大學機械電氣工程學院自主研制了一種矮化密植紅棗收獲機，采用機械強迫振動。為提高激振器振動采收效果，通過建立振動動力學模型、ADAMS運動學仿真及田間試驗等，對激振裝置的激振頻率進行優(yōu)化，為紅棗收獲機激振頻率設定提供理論依據(jù)和技術支持。

1 激振裝置結構及工作原理

1.1 激振裝置結構組成

激振裝置主要由軸承座、主曲軸、曲柄、連桿、直線軸承、激振圓盤，以及撥桿組成的曲柄連桿機構組成，如圖1所示。

軸承座和直線軸承固定于紅棗收獲機機架；主曲軸端部與鏈式聯(lián)軸器連接有液壓馬達驅動主軸轉動；連桿靠直線軸承提供導向做直線往復運動；連桿端部與激振圓盤用深溝球軸承連接，激振圓盤可自由回轉。

1.軸承座 2.主曲軸 3.曲柄 4.連桿 5.直線軸承 6.激振圓盤 7.撥桿

1.2 工作原理

工作時，紅棗收獲機液壓系統(tǒng)為液壓馬達轉動提供驅動力，通過曲柄連桿機構推動激振圓盤做往復直線運動，圓盤在運動過程中產生慣性力，擊打樹枝，使樹枝產生受迫振動，當紅棗振動所受慣性力大于棗柄連接力時，紅棗振落。作業(yè)過程中，激振圓盤和撥桿與棗樹枝接觸時可自由回轉，在一定程度上降低了對棗樹的損傷。

2 激振裝置動力學模型建立與求解

2.1 模型建立

作業(yè)過程中，激振裝置和棗樹振動系統(tǒng)模型如圖2所示[7,12]。系統(tǒng)可簡化為等行程質量—彈簧—阻尼器往復運動，建立模型假設條件如下：①忽略振動裝置的振動阻尼；②激振裝置和棗樹枝接觸為剛性接觸；③棗樹力學特性用等效彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)表示。

圖2 激振裝置—棗樹動力學模型

圖2中，M1為激振裝置質量(kg)；M2為振動過程中棗樹與激振圓盤接觸位置棗樹枝的等效質量(kg)；l為連桿長度(m)；r為曲柄長度(m)；ω為曲柄轉動角頻率(rad/s)；c為棗樹枝等效阻尼系數(shù)(N·s/m)；k為棗樹枝等效彈性系數(shù)(N/m)；x為x軸方向棗樹枝偏移平衡位置的位移(m)。

以激振裝置曲柄轉動中心點o為原點、棗樹水平位移x為橫坐標建立振動系統(tǒng)坐標系，系統(tǒng)受力分析如下：

激振裝置慣性力為

(1)

棗樹枝慣性力為

(2)

阻尼力為

(3)

彈性力為

fkx=kx

(4)

根據(jù)達朗貝爾原理，振動系統(tǒng)每一瞬間，以上式(1)～式(4)合力為0，即

(5)

整理式(5)可得系統(tǒng)振動微分方程為

(6)

式中M1—激振裝置質量(kg)；

M2—振動過程中棗樹與激振圓盤接觸位置棗樹枝的等效質量(kg)；

l—連桿長度(m)；

r—曲柄長度(m)；

ω—曲柄轉動角頻率(rad/s)，其中φ=ωt，lsinθ=rsinφ；

c—棗樹枝等效阻尼系數(shù)(N·s/m);

k—棗樹枝等效彈性系數(shù)(N/m)；

x—x軸方向棗樹枝偏移平衡位置的位移(m)；

F1—激振裝置在x軸方向的慣性力(N)；

F2—振動過程中棗樹與激振圓盤接觸位置的棗樹枝在x軸方向的慣性力(N)；

fcx—系統(tǒng)在x軸方向的阻尼力(N)；

fkx—系統(tǒng)在x軸方向的彈性力(N)。

2.2 分析求解

方程(6)為二階常系數(shù)非齊次微分方程，其解由方程(6)的齊次方程通解和非齊次方程的特解組成。求解過程從簡，求得最終結果為

(7)

式(7)為棗樹紅棗運動規(guī)律方程，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應為

(8)

根據(jù)式(8)可求得棗樹紅棗加速度為

(9)

M—M=M1+M2(kg)；

A—樹枝在x方向的振幅(m)；

α、β1、β2—相位角(rad)。

則棗樹紅棗所受慣性力為

(10)

式中m—單個紅棗質量(kg)；

忽略系統(tǒng)中棗樹枝等效阻尼力(c=0)，測得單個駿棗平均質量m=0.015kg；根據(jù)對激振裝置設計參數(shù)選擇，選取曲柄長度r=120mm，連桿長度l=465mm；激振裝置質量M1=12.5kg，矮化密植紅棗樹(樹高1 500～2 000mm)高度1 200mm處樹枝樣本等效質量M2估算為0.5 kg[13]，則M=M1+M2=13kg；棗樹枝橫截面直徑為30mm處的彈性系數(shù)k取395N[14]；紅棗擊落所需最大慣性力F=6N[15]。將以上數(shù)據(jù)帶入式(10)可求得曲柄轉動角頻率為2.7rad/s，則主曲軸轉速為25.8r/min，激振圓盤激振頻率為16.9 Hz。

3 激振裝置運動學仿真分析

3.1 建立激振裝置模型并導入ADAMS

為分析激振裝置在主曲軸轉速為2.7rad/s時機構運動情況，通過ADAMS對激振裝置機構運動規(guī)律進行運動學分析。首先,在SolidWorks中建立激振裝置三維模型，將零件模型簡化并在裝配圖中進行相應的約束配合，另存為*.x_t文件保存在文件目錄下，導入Adams/View模塊中進行仿真分析，根據(jù)激振裝置實際運動情況，添加各構件之間運動約束，如表1所示[16]。

表1 構件間運動約束

將模型導入ADAMS，設定模型相關構件的材質：軸承座為鑄鐵材料，選用cast_iron材質；主曲軸、曲柄及連桿選用steel材質；激振圓盤由Q235、尼龍棒(撥桿)、橡膠等材料組成，選擇Geometry and Density將其密度設定為2.1597E-006kg/mm3[17]，設置完成后ADAMS環(huán)境中模型如圖3所示[18]。

3.2 模型運動仿真及分析

主曲軸運動所需的驅動加載于轉動副JOINT_4，旋轉副的角頻率設置為2.7rad/s，仿真時間設置為5s，步長設置為0.1并開始仿真，激振圓盤在Y軸方向運動速度、加速度及位移對應時間關系仿真結果如圖4所示。

圖3 ADAMS環(huán)境下的模型圖

假設激振圓盤平衡位置為Y軸原點，此時激振圓盤振幅為零。根據(jù)圖4顯示：當激振圓盤在Y軸方向到達最大位移點時，速度在該點附近為零，加速度達到最大值；周期運動的激振圓盤經過平衡位置前后速度變化曲線斜率不同，從平衡位置至Y軸正方向往復運動的半個周期內速度變化曲線斜率較大；加速度周期變化曲線約在仿真開始后0.4s內趨于穩(wěn)定，激振圓盤離開平衡位置向Y軸負方向運動的半周期內加速度曲線出現(xiàn)波峰與波谷，其原因與ADAMS仿真環(huán)境下模型主曲軸、曲柄、連桿之間添加轉動副約束、裝置機構運動有關。根據(jù)速度曲線分析、加速度曲線顯示分析可知：激振圓盤在經過平衡位置向Y軸正方向運動的半周期內加速度大于Y軸負方向運動的加速度。根據(jù)實際作業(yè)環(huán)境可知：激振圓盤在振動棗樹過程中能獲得更大的慣性力。裝置機構在整個運動過程中，激振圓盤速度、加速度及位移曲線平滑無折線，表明該機構運動較平穩(wěn)、無劇烈振動現(xiàn)象，激振裝置機構運動滿足要求。

圖4 Y軸方向速度、加速度及位移對應時間關系圖

4 田間試驗

為檢驗自走式矮化密植紅棗收獲機優(yōu)化后激振裝置工作性能和作業(yè)效果，2017年11月2日，在新疆生產建設兵團第一師十一團對收獲期的棗園進行試驗，圖5為田間試驗情況。

試驗棗樹品種為駿棗，種植行距3 000mm，平均株距1 200mm，棗樹平均高度2 000mm。選取紅棗收獲機行走方向長度為20m的單行作為試驗區(qū)域，紅棗行距4m適合收獲機通過。隨機選擇5個試驗區(qū)域作為試驗測試點，并清理區(qū)域內自然掉落的紅棗。紅棗收獲機行走速度為1.80～1.85km/h，激振裝置驅動液壓馬達轉速25.0～26.5r/min，即激振頻率為16.5～17.4Hz，開始試驗測試。收獲機作業(yè)完成后，收集試驗區(qū)域內掉落在地的紅棗、棗樹枝上未采摘的紅棗和收獲機集果箱內的紅棗并稱重，根據(jù)式(11)測得激振裝置作業(yè)過程中紅棗采凈率，即

(11)

式中S—激振裝置作業(yè)過程中采凈率(%)；

m1—試驗區(qū)域內掉落在地上紅棗質量(kg)；

m2—收獲機集果箱內的紅棗質量(kg)；

m3—棗樹枝上未采摘的紅棗質量(kg)。

收集收獲機集果箱內的紅棗，挑選出作業(yè)過程中紅棗表面被損傷的紅棗，并稱取質量，根據(jù)式(12)得激振裝置作業(yè)時紅棗表面的損傷率，即

(12)

式中N—激振裝置作業(yè)過程中紅棗損傷率(%)；

m4—集果箱內紅棗表面被損傷的紅棗質量(kg)。

本次試驗共重復5次，試驗結果如表2所示。

圖5 田間試驗

表2 試驗結果

試驗結果表明：紅棗收獲機激振裝置作業(yè)過程中紅棗采凈率大于90%，紅棗損傷率小于8%，裝置在工作過程中可靠性較高，各項性能均滿足要求。

5 結論

1)為優(yōu)化紅棗收獲機激振裝置振動頻率，通過建立激振裝置與棗樹振動系統(tǒng)動力學模型，求得激振裝置曲柄轉動角頻率為2.7rad/s，主曲軸轉速為25.8r/min，激振圓盤激振頻率為16.9Hz。

2)分析曲柄角頻率為2.7rad/s時的激振裝置機構運動規(guī)律，在SolidWorks軟件中建立裝置模型并導入ADAMS中進行機構運動學分析，分析結果顯示：該機構運動較平穩(wěn)、無劇烈振動現(xiàn)象，激振裝置機構運動滿足要求。

3)為檢驗紅棗收獲機激振裝置工作性能和作業(yè)效果，通過調節(jié)液壓馬達轉速將主曲軸轉速設定為25.0～26.5r/min，即激振頻率為16.5～17.4Hz，結果表明：紅棗采凈率大于90%，紅棗損傷率小于8%，裝置作業(yè)過程中各項性能均滿足要求。