張志元，婁朝霞，張慧明，坎 雜，付 威

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2. 新疆兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000)

0 引言

紅棗源產(chǎn)自我國(guó)，是我國(guó)分布最廣的栽培果樹之一，對(duì)提高當(dāng)?shù)鼐用袷杖?、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義[1-4]。新疆氣候干燥，光照充足，有利于種植高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的紅棗，是全球最適宜種植紅棗的地區(qū)之一[5-7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年底新疆紅棗栽植面積已突破52萬(wàn)hm2，居于全國(guó)首位[8-9]。新疆紅棗種植面積迅猛發(fā)展，不僅提高新疆棗農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，也加速了紅棗機(jī)械化的需求[10]。

近年來，為降低紅棗人工采收成本、提高收獲效率、促進(jìn)紅棗產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，科研院所對(duì)林果機(jī)械化收獲開展了相關(guān)研究。2007年，新疆農(nóng)墾科學(xué)院從意大利進(jìn)口一臺(tái)成套的干果收獲機(jī)，適合采摘樹干直徑介于120～400mm的果樹[11]。2009年，新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制4YS-24型紅棗收獲機(jī)，采用抱搖式收獲方法，激振器通過1個(gè)偏心塊產(chǎn)生全方位振動(dòng)[12-13]。2010年，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制了手持式振動(dòng)林果收獲機(jī)，采用樹枝振動(dòng)式收獲方法，適于收獲樹高在3m左右的棗樹，采凈率大于85%[14]。2011年，南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院王長(zhǎng)勤、許林云研究的抱搖式林果收獲機(jī)，采用對(duì)稱布置的偏心塊[15]。2014年，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院楊宛章研制了振動(dòng)式林果采摘機(jī)，采用雙偏心塊式激振機(jī)構(gòu)，采摘果樹直徑范圍為80～120mm[16-17]。2014年，石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院設(shè)計(jì)出一種自走式矮化密植紅棗收獲機(jī)，激振器由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和撥桿滾筒組成[18-19]。2014年，浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院杜小強(qiáng)設(shè)計(jì)出一種可調(diào)振幅單向拽振式林果采收機(jī)，變幅機(jī)構(gòu)由曲柄搖桿滑塊機(jī)構(gòu)和調(diào)幅機(jī)構(gòu)組成[20]。

目前，針對(duì)紅棗連續(xù)性采收作業(yè)的林果收獲機(jī)研究較少，本文以紅棗為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出一種由3個(gè)偏心塊組成的激振器，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)性采收作業(yè)，為紅棗收獲機(jī)整機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

該偏心塊式激振器主要由激振裝置、旋轉(zhuǎn)滾筒裝置和阻尼裝置組成，如圖1所示。激振裝置主要由殼體、同步帶輪和3個(gè)質(zhì)量相等且均勻分布的偏心塊組成；旋轉(zhuǎn)滾筒裝置由旋轉(zhuǎn)滾筒和撥桿組成；阻尼裝置由彈簧、阻尼帶和阻尼輪組成。其中，激振裝置和旋轉(zhuǎn)滾筒裝置通過法蘭固定在一起，旋轉(zhuǎn)滾筒裝置和阻尼裝置通過平鍵連接，激振器由兩個(gè)立式軸承座固定在機(jī)架上。

1.2 工作原理

該偏心塊式激振器是紅棗收獲機(jī)的主要部件之一，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。其處于工作狀態(tài)時(shí)，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)公轉(zhuǎn)軸及公轉(zhuǎn)軸上的同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)；同步帶輪分別驅(qū)動(dòng)3個(gè)均勻分布的偏心塊以恒定的角速度同步轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生離心力，在離心力作用下產(chǎn)生力偶矩驅(qū)動(dòng)殼體和旋轉(zhuǎn)滾筒裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)；通過調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制旋轉(zhuǎn)滾筒裝置的振幅和頻率，從而達(dá)到要求的振動(dòng)效果。

1.偏心塊 2.軸承座 3.同步帶輪 4.殼體 5.調(diào)節(jié)薄板 6.法蘭 7.旋轉(zhuǎn)滾筒 8.撥桿 9.阻尼裝置圖1 激振器示意圖Fig.1 The schematic of vibrator

2 運(yùn)動(dòng)分析

激振裝置的激振力來自于3個(gè)偏心塊以ω0同步轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力F，通過自轉(zhuǎn)軸O1、O2和O3作用在殼體上，并在殼體產(chǎn)生一力偶驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滾筒裝置繞公轉(zhuǎn)軸O的振動(dòng)。為簡(jiǎn)化模型，除去阻尼裝置，將旋轉(zhuǎn)滾筒裝置與激振裝置的殼體簡(jiǎn)化為一體，其運(yùn)動(dòng)分析如圖2所示。其中，圖2(a)為激振裝置參數(shù)示意圖，圖2(b)為激振裝置受力示意圖。圖中偏心塊的質(zhì)量為m(kg)；殼體及旋轉(zhuǎn)滾筒裝置裝置的質(zhì)量為M(kg)；偏心塊自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軸之間的距離為d(m)；偏心塊質(zhì)心與自轉(zhuǎn)軸的距離為r(m)；偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω0(rad/s)；殼體及旋轉(zhuǎn)滾筒裝置振動(dòng)的角速度為ω(rad/s)；在初始狀態(tài)，偏心塊繞自轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度為θ(rad)；偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力為F(N)。

激振器處于工作狀態(tài)時(shí)，在t時(shí)刻偏心塊轉(zhuǎn)過的角度為θ，計(jì)算公式為

θ=ω0·t

(1)

其中，t為時(shí)間(s)。

偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力為F，計(jì)算公式為

(2)

圖2 運(yùn)動(dòng)分析Fig.2 Kinematic analysis

由于3個(gè)偏心塊材質(zhì)、幾何尺寸和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度都相同，故在處于工作狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的離心力F均相同，即

F1=F2=F3=F

(3)

其中，F(xiàn)1、F2、F3分別為3個(gè)偏心塊繞自轉(zhuǎn)軸O1、O2和O3產(chǎn)生的離心力。當(dāng)3個(gè)偏心塊與殼體的相對(duì)位置如圖2(a)所示時(shí)，忽略偏心塊質(zhì)心與其自轉(zhuǎn)軸的距離r，將各自產(chǎn)生的離心力分別平移到相對(duì)應(yīng)的自轉(zhuǎn)軸處，以公轉(zhuǎn)軸O為坐標(biāo)原點(diǎn)建立笛卡爾坐標(biāo)系O-xy，其離心力的分解示意圖2(b)所示。此時(shí)，F(xiàn)1、F2、F3可分解為x軸方向上的F1x、F2x、F3x和y軸方向上的F1y、F2y、F3y，則

(4)

(5)

(6)

聯(lián)立式(4)～式(6)，分別對(duì)x軸和y軸的各分力進(jìn)行求和得

(7)

由式(7)可得偏心塊產(chǎn)生的離心力的合力為0?，F(xiàn)對(duì)各離心力的分力分別對(duì)公轉(zhuǎn)軸O求力偶，取與ω相同的方向?yàn)檎较蚩傻?/p>

∑MO(F)=F1x·a-F1y·b-F2x·a+

F2y·b+F3x·d

(8)

其中，a、b為距離(m)。

由圖2(b)中三角關(guān)系可得

(9)

聯(lián)立以上各式可得

(10)

由式(10)分析可以得到：在驅(qū)動(dòng)力偶距的作用下，殼體的運(yùn)動(dòng)符合簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，即當(dāng)θ在(0，π)范圍內(nèi)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力偶矩逆時(shí)針方向驅(qū)動(dòng)殼體及旋轉(zhuǎn)滾筒裝置做逆時(shí)針加速振動(dòng)；當(dāng)θ在(π，2π)范圍內(nèi)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力偶矩順時(shí)針方向驅(qū)動(dòng)殼體及旋轉(zhuǎn)滾筒裝置做逆時(shí)針減速振動(dòng)。

3 運(yùn)動(dòng)仿真

為驗(yàn)證理論分析的正確性，運(yùn)用SolidWorks軟件繪制簡(jiǎn)化模型作為仿真模型，并將其保存為 *.x_t格式導(dǎo)入ADAMS軟件。設(shè)置公轉(zhuǎn)軸與地面為固定副連接，公轉(zhuǎn)軸與殼體、殼體與各自轉(zhuǎn)軸之間加轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，對(duì)該裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬仿真，如圖3所示。

圖3 激振器仿真分析

該仿真主要是對(duì)簡(jiǎn)化后的激振裝置殼體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，M=100kg，m=10kg，d=0.28m，r=0.12m，ω0=3rad/s，設(shè)置仿真時(shí)間為5 s，得到殼體和同步帶輪的角速度和角加速度隨時(shí)間變化曲線，如圖4所示。

圖4 仿真角速度和角加速度隨時(shí)間變化曲線Fig.4 The simulation of angular velocity and angular acceleration with time

由圖4可知：在0-0.07s內(nèi)，3個(gè)偏心塊的運(yùn)動(dòng)尚未達(dá)到同步狀態(tài)，故選取0.07-5s作為仿真結(jié)果。從ADAMS軟件仿真圖的角速度和角加速度曲線可看出：在1.2 s的時(shí)間周期內(nèi)，其運(yùn)動(dòng)曲線是規(guī)律的簡(jiǎn)諧曲線，角速度隨著角加速度增大而增大；但角加速度最大時(shí)，角速度并未達(dá)到最大值。圖4中，由于仿真時(shí)偏心塊的初始位置(即相位角)不同，會(huì)引起仿真曲線與理論分析曲線的差別，但總體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)基本一致。由角速度圖可以看出：波峰處的角速度值在逐漸變大，是由于在仿真時(shí)忽略了激振器阻尼裝置；阻尼裝置的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)對(duì)角速度曲線和角加速度曲線影響明顯，從而證明了激振器設(shè)計(jì)阻尼裝置的合理性。因此，從ADAMS軟件運(yùn)動(dòng)分析得到的曲線和理論公式推導(dǎo)的曲線基本一致。

4 結(jié)論

1)通過對(duì)激振器的運(yùn)動(dòng)分析得到激振器殼體的理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

2)將激振器的三維模型導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，結(jié)果表明仿真曲線和理論曲線基本一致，證明了理論分析的正確性。

3)該仿真結(jié)果驗(yàn)證了激振器阻尼裝置在本設(shè)計(jì)中的合理性和重要性。