基于树干振动原理的核桃采收机设计_刘浩.pdf

电气与自动化刘浩，等基于树干振动原理的核桃采收机设计第一作者简介:刘浩(1993)，男，江苏南京人，硕士研究生，研究方向为林果振动采收机械。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301055基于树干振动原理的核桃采收机设计刘浩，戴宁(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)摘要:针对当前核桃人工采收作业中存在的劳动强度高和效率低的问题，设计一款基于树干振动原理的集振动落果与自动收集于一体的对称偏心式振动采收机，其具有自平衡和自动对心功能且高度可调节。其工作原理是利用将激振机构产生的振动通过夹持机构传递给树干，使果实做加速运动产生惯性力，实现振动落果与收集。利用 Adams 仿真软件验证采收效果。结果表明:所设计的采收机可达到采收效率25 株/h，采净率85%。关键词:核桃采收;振动;自动收集;自平衡中图分类号:TP278文献标志码:B文章编号:1671-5276(2023)01-0226-04Design of Walnut Harvester Based on Trunk VibrationLIU Hao，DAI Ning(College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)Abstract:In order to improve the high labor intensity and low efficiency in current manual walnut harvesting，a symmetrical andeccentric vibration harvesting machine integrating vibration fruit dropping and automatic collection based on the principle of tree trunkvibration was designed The machine has the functions of selfbalance and automatic centering and is highly adjustable Its workingprinciple is to use the vibration generated by the excitation mechanism through the clamping mechanism to transfer it to the treetrunk，rendering the fruit to accelerate its movement for generating inertia force to achieve vibration fruit fall and collection Theharvesting effect is verified by Adams simulation software The results show that the harvesting efficiency of the designed harvester isexpected to reach more than 25 plants/h with net harvesting rate over 85%Keywords:walnut harvesting;vibration;automatic collection;selfbalance0引言核桃具有较高的营养价值和经济收益，其需求量在众多林果中名列前茅，其栽培地分布在我国多省，尤其以长江两岸的山地丘陵地区居多。目前，我国核桃采收方式主要是利用竹竿敲打的方式振落核桃，再由人工收集。这种原始采收方式作业效率很低，劳动强度大1。国外相关研究起步较早，20 世纪 60 年代机械化采收就已经得到重视和发展。首先在美、法、英等发达的西方国家，出现了较早的机械化采收。国外的核桃采收机般都是先利用振动采摘原理振落核桃，再通过清扫收集装置将地面上的核桃收集装箱，随后通过清理、去皮、干燥等生产线一次性完成，并根据客户需求进行壳仁分离2。国外的机械化采收机配套的组合件体积较大，工作空间开阔3。大型林果种植园地域广阔的优势便于机械采摘，只是此类大型机械无法满足我国大多种植面积较小、果树行列间距比较小、树体低矮的核桃种植园的采收要求。国内的核桃采收机械研究较晚，目前仍然处于起步阶段，应用较少。刘进宝团队设计了一款基于树干振动原理的林果采收机，主要是由液压传动部件、激振部件、夹持部件、移动部件以及清扫集成部件组成，并利用拖拉机作为移动载具。采收作业时，夹持部件夹紧树干后，激振装置产生激振力，使果树振动，当果实果梗处惯性力大于果梗拉断力时核桃脱落。脱落后的核桃由清扫集成部件整理到一起，方便果实的收集45。随着国内的核桃种植面积不断增加，而可获得的季节性劳动力非常少，许多地区亟需实现核桃采收机械化，以缓解对劳动力的大量需求。针对当前核桃采收存在劳动强度高、效率低的现状，本文设计了一款基于树干振动原理的集振动落果与自动收集于一体的具有自平衡和自动对心功能且高度可调节的对称偏心式振动采收机。1设计要求和主要技术指标11总体设计要求本文所研究的振动式核桃采收一体机是来源于中国全椒薄壳山核桃协会委托加工设计制造，本文中采收机需要满足当地的种植环境和使用要求。经实地测量得到种植园的核桃树行列间距为 45m5m，树干直径在 8cm19 cm 之间，核桃树的整树高度在 35m45m 之间，最低622电气与自动化刘浩，等基于树干振动原理的核桃采收机设计枝干高度约为 06m12m，要求达到采收效率25 株/h，采净率85%。12采收机的主要技术指标外形尺寸(长宽高)(mm):3 2001 9002 000;采收夹手夹持直径范围(mm):80200;采收夹手工作时高度范围(mm):300500;激振频率范围(Hz):029;采收效率(株/h)25;采净率(%)85。2总体结构设计和工作原理21总体结构设计采收机总体机构如图 1 所示，主要由履带式底盘、机架平台、升降机构、隔振自平衡机构、激振夹持机构、收集机构和提升机输送机构等组成。其中激振机构采用一组由电机驱动的转速相同转向相反的对称半圆式偏心轮，这样可以保证核桃树体在竖直方向受到的合力为 0，在水平方向受到的合力为原来的两倍。1履带式底盘;2机架平台;3升降机构;4隔振自平衡机构;5激振夹持机构;6收集机构;7提升机输送机构。图 1振动式核桃采收机总体结构图22工作原理振动式核桃采收机是将激振机构产生的振动通过夹持机构传递给树干，树体带动核桃果实做加速运动产生惯性力。当果实受到的惯性力大于果实与枝条之间的果梗结合力时，果实就会从树上掉落5，再经收集装置收集存储。工作时，通过调节升降机构 3 中的油压缸伸缩高度，带动垂直移动梁升降，使激振夹持机构位于合适的工作高度。隔振自平衡机构可以有效阻止激振机构产生的振动传递给升降装置和机架平台，并且可以保证激振夹持机构不产生倾斜，以保持平衡。当果树位于夹持装置的左右两夹爪中间时，通过调节油压缸的伸缩长度带动两个夹爪向内闭合夹紧树干。夹紧树干后电机启动带动两个偏心轮做转速相同转向相反的运动，使树体产生一定振幅及频率的振动，带动果实掉落。果实掉入收集机构中的收集料斗后，再经收集滑道落到提升机输送带上，实现核桃的振动落果与自动收集于一体。3关键部件的设计31升降机构的设计升降机构通过连接块固定于机架平台上，其组成结构如图 2 所示，主要由垂直固定梁、O 系列油压缸、垂直移动梁、水平横端梁、自平衡机构连接板、移动梁摩擦板、固定梁摩擦块和移动梁滚轮组成。工作时，油压缸的伸缩带动垂直移动梁在垂直固定梁的内腔做上下直线运动，使激振夹持机构处于适合的位置。移动梁的底下滚轮、侧面的摩擦板和固定梁上部的摩擦块起着导向作用，有效保证了工作时移动梁的运动不会发生倾斜。1垂直固定梁;2O 系列油压缸;3垂直移动梁;4水平横端梁;5自平衡机构连接板;6移动梁摩擦板;7固定梁摩擦块;8移动梁滚轮。图 2升降机构32隔振自平衡机构的设计隔振自平衡机构通过两个 L 型轴承座组件固定于升降机构的水平横端梁上，其组成结构如图 3 所示，主要是由平衡器转轴组件、L 型轴承座组件、隔振垫圈盖板、隔振垫圈和隔振链条组件等组成。工作时平衡器轴承组件可以在 L 型轴承座组件内自由转动，由于自身的重力作用，可以使机构自动保持平衡。隔振垫圈和隔振链条组件可以有效阻隔激振机构产生的振动传递给升降机构和机架，使得整个采收机可以平稳运行。1平衡器转轴组件;2L 型轴承座组件;3隔振垫圈盖板;4隔振垫圈;5隔振链条组件。图 3隔振自平衡机构722电气与自动化刘浩，等基于树干振动原理的核桃采收机设计33激振夹持机构的设计1)方案设计激振夹持机构通过螺纹连接的方式固连于隔振自平衡机构的底部，其组成结构如图 4 所示，主要是由振动箱体、油压缸、右爪手、聚氨酯垫、左爪手、长销轴、短销轴、电机和半圆式偏心轮等组成。工作时，固连于振动箱体上的油压缸伸缩带动左、右爪手绕着长销轴转动，实现夹爪的张合运动。夹爪与树体接触的表面固定有聚氨酯垫，可以有效减轻对树皮的损伤。夹紧树干后电机启动带动两个偏心轮做转速相同转向相反的运动，使树体产生一定振幅及频率的振动，带动果实掉落。1振动箱体;2油压缸;3右爪手;4聚氨酯垫;5左爪手;6长销轴;7短销轴;8电机;9半圆式偏心轮。图 4激振、夹持机构2)偏心轮质量距的计算与分析偏心轮作为激振机构的主要零件，其尺寸参数和结构的合理性直接影响整个采收机的性能。而偏心轮的质量距是确定偏心轮尺寸和结构的重要条件。根据振幅表达式推导出质量距的公式为mr=A(kM2)22cos(1)式中:m 为偏心轮的偏心质量，kg;r 为偏心轮的偏心距，mm;A 为树体的全振幅，mm;为偏心轮转动的角速度，rad/s;M 为振动系统的整体质量，kg;为两偏心轮的相位差角，rad;k 为弹性系数。根据韩清凯团队的研究6 可知，在研究振动系统的质量距时，因激振力远大于系统的阻尼力和弹性力，可以忽略。而本设计中采用两偏心轮速度相同，方向相反，相位差角为 0，因此公式可简化为mr=AM2(2)研究表明:振幅为 10mm 时采净率能达到 90%95%，因此 A 确定为 10mm7。根据 LNG Z8 团队的方法估算出直径在 120mm 左右的核桃树等效质量约为 110kg，激振机构的质量为 83kg，带入公式算出质量距为 960kgmm。因此得出单个偏心轮的质量距为 480kgmm，次质量距为理论质量距，这可为偏心轮的尺寸计算提供理论支持。3)激振力的计算与分析偏心轮在电机的带动下绕输出轴转动，产生离心力，使得果树受到激振力。激振力的大小由偏心轮的偏心距和激振频率决定。单个偏心轮产生的最大离心力为Fd=mr2=mr(2f)2=048(229)2=1593 kN(3)本机构中的两个偏心轮的尺寸相同、转速相同、转向相反，在竖直方向产生的激振力相互抵消合力为 0，水平方向产生的激振力叠加。因此在激振作业时产生的最大激振力为Fmax=2Fd=21593=3186 kN(4)4)夹紧力的计算夹紧力是夹持机构的主要技术参数。夹紧力如果过小则无法夹紧树干，容易发生滑动，激振力无法很好地传递到树体，不能使核桃脱落;夹紧力如果过大则容易对树皮造成损伤，减少来年的产量。因此要在保证可靠夹紧的前提下确定一个合适的夹紧力。夹紧力的计算公式为FNKaKbKcG(5)式中:Ka为安全系数;Kb为工况系数;Kc为方位系数;G 为被抓取对象的重力。通常Ka取 1220，此处定为 16，工况系数 Kb取 1，方位系数Kc取 13，上式中的树体质量等效为 110kg，因此G 为 1 100N。将数据代入式(5)得出夹持机构的夹紧力为 2