振动式核桃采摘机的设计与优化.pdf

第 卷 第 期 年 月林 业 机 械 与 木 工 设 备 .研究与设计振动式核桃采摘机的设计与优化许 威 尹逊春(哈尔滨商业大学黑龙江 哈尔滨)摘 要:为实现我国核桃收获的机械化降低农民的劳动强度从实际需要出发应用 软件对振动式核桃采摘机整机及主要部件进行了三维实体设计并对其主要工作部件激振装置、夹持装置以及升降装置等进行了设计计算确定了主要技术参数并对其关键零部件进行优化以及采摘效果验证 结果表明设计的振动式核桃采摘机可以实现核桃的平稳采摘并且能达到分批采摘的结果关键词:振动核桃采摘设计优化中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:收稿日期:基金项目:黑龙江省普通本科高等学校青年创新人才培养计划()第一作者简介:许威讲师博士主要研究方向为农业装备工程:.我国已经成为世界上核桃产量最大的国家之一据统计 年全国核桃的总种植面积达到 万 年产量达到 万 核桃具有极高的营养价值核桃果仁含有丰富的蛋白质和不饱和脂肪酸以及多种人体必需的氨基酸和矿物质元素是重要的药用植物经济价值高在整个核桃生产作业中成熟核桃的及时、无损、高效采收是关键直接影响核桃的储藏、运输、加工以及销售等后续环节 核桃采摘也是生产链中最为耗时、费力的一个环节采摘费用约占成本的因此实现核桃的机械化采摘对于核桃产业有着重要的意义目前国内外常见的采摘机械可以分为四种:气流冲击振动采摘树冠振动采摘树枝振动采摘以及树干振动采摘 年以来 与 等人等首次尝试利用鼓风机产生冲击气流进行果实采摘的试验和测试 等较早地研究了树枝振动采摘技术他们将旋转的偏心锤产生振动施第 期许 威等:振动式核桃采摘机的设计与优化加在果枝上对树枝振动采摘技术的可行性进行了研究 陕西科技大学研发了一种背负式、振动方式为树枝振动的核桃采摘机 东北林业大学针对蓝莓研究了一种旋转拨盘式的树冠振动采摘机 等对橄榄树进行树干采摘研究根据目前核桃采摘的复杂性本文根据对核桃进行的振动特性研究提出一种具有自动对心功能的能够实现分批采摘的振动式核桃采摘机 振动式核桃采摘机的整体结构及工作原理.整机结构振动式核桃采摘机械主要是由驱动装置、升降装置、激振装置、夹持装置组成 其中驱动装置由车体 与液压站 构成升降装置由液压缸、大臂、立柱、小臂、连接头底座、连接头、铰链机构、支撑架、铁链 组成激振装置由激振器框架、偏心轮、轴、汽油机、联轴器 等组成夹持装置由液压缸、采摘夹手、固定支座、固定爪 以及橡胶垫 等组成如图 所示图 采摘机结构示意图.车体.液压站.液压缸.大臂 立柱.小臂.连接头底座.连接头.铰链机构.支撑架.汽油机.铁链.联轴器.液压缸.采摘夹手.固定支座.固定爪.橡胶垫.端盖.激振箱盖.激振框架.偏心轮支撑轴.偏心轮.工作原理工作时采摘机通过调节液压缸 的伸缩程度利用机械臂将执行机构移动到合适的夹持位置机械臂由大臂、立柱、小臂 以及连接头 组成 其中自平衡铰链连接机构 与支撑架 用螺栓连接并通过四条铁链 与激振装置连接 当树干位于夹持装置内时控制液压缸 伸长从而可以使采摘夹手 收缩在固定爪 的固定下使采摘夹手 收缩抱紧树干 在夹持装置抱紧树干后启动汽油机 通过联轴器 的连接带动偏心轮支撑轴 旋转从而使偏心轮 旋转产生激振力 偏心轮产生的激振力使果树受到强迫振动振动使核桃做加速度运动当核桃产生的惯性力足够大时就会脱落 此外夹持装置末端安装有橡胶垫当发生振动时可以有效地减轻夹持装置对树体的损伤.设计要求()采摘要求:主要针对鲁中地区适合行列距 以上的核桃果园进行采摘()夹持要求:主要针对树干直径范围在 最低主干高度在 的核桃树()驱动要求:利用汽油机驱动()振动要求:选用对称偏心轮产生振动振动单棵树的时间大约在 林业机械与木工设备第 卷.设计参数()采摘机的激振频率:激振频率控制在()激振力的范围:激振力在 ()选用汽油机型号:选用宗申 型汽油机额定转速为 /额定功率为.质量为 ()夹持高度:夹持高度在 振动式核桃采摘机关键零部件设计.激振装置的设计激振装置最核心的部件是偏心轮以及偏心轮支撑轴 偏心轮在此处选择半圆式偏心轮相比非半圆式偏心轮在占据相同空间下具有更大的偏心距根据设计参数可知激振力的范围在 确定偏心轮的偏心半径()式中:偏心轮所用材料的密度/偏心轮的转速/偏心轮的厚度 偏心轮的圆弧半径此处先将偏心轮的厚度确定为 汽油机额定转速为 /设计参数中的激振力范围为 代入公式得到偏心轮的半径在.此处先将偏心轮的半径确定为 具体激振力通过调节汽油机转速调节然后对偏心轮支撑轴的最小轴径进行计算()计算得到偏心轮轴的直径为.根据现代机械设计手册可知对于轴径 存在一个键槽时轴径增加 由于计算出的轴径为.因此增加 后得到偏心轮支撑轴的最小轴径为.圆整为 图 偏心轮结构示意图根据计算得到偏心轮的示意图如图 所示偏心轮支撑轴的示意图如图 所示图 轴的结构示意图确定了轴的最小直径后对偏心轮支撑轴的轴承进行选型如表 所示表 偏心轮支撑轴轴承型号轴承型号内径/外径/宽度/额定载荷/极限转速/.夹持装置的设计()采摘夹手的结构设计本文设计了一组接触方式为面接触的采摘夹手面接触会使采摘夹手与树干之间接触面积增大接触应力减小这种结构可以减小对树皮的损伤以及对树体造成的伤害此处设计的采摘夹手分别具有一个夹指与两个夹指工作时两个采摘夹手在液压缸的调节下向内收缩夹紧树干如图 所示 所研究核桃树的树干直径范围是 因此两采摘夹手夹持时最大范围应大于 此处将采摘夹手的圆弧部分半径设为 采摘夹手宽度 厚度为 筋板的厚度为 筋板与采摘夹手之间的角度为 采摘夹手接受示意图如图 所示图 夹持装置示意图第 期许 威等:振动式核桃采摘机的设计与优化图 采摘夹手结构示意图 ()固定夹手的结构设计在夹持核桃树干过程中并不能限制其发生左右移动因此采摘机与核桃树之间可能会发生摩擦造成树皮的损伤为了避免这一情况本文在夹持装置中设计一种辅助固定夹手可以起到固定树干以及自动定心的作用避免核桃树干左右移动减少核桃树的损伤如图 所示图中浮动块 与支座 之间用球螺母连接因为核桃树树干的形状存在误差而球螺母连接的能自动找到合适的角度固定树干以保证最大的接触面积降低接触应力防止夹持过程对树干产生损伤图 固定夹手示意图.固定爪底座.底座.支座.浮动块.固定爪.橡胶垫.升降装置的设计()机械臂的结构设计为了保证采摘机振动夹持装置在采摘过程中与地面平行以便于对树干进行准确夹持保证激振力的有效传递因此本文将机械臂的结构选择为平行四边形机构如图 所示 其中大臂尺寸规格为(长宽高单位:)小臂规格为(长宽高单位:)立柱规格为(长宽高单位:)图 机械臂结构示意图.液压缸.立柱.大臂.小臂.连接头底座()自平衡铰链连接机构由于核桃果园的地势不平采摘机在采摘过程中容易发生倾斜为了使采摘机在夹持时更加平稳本文设计了一种具有自平衡功能的连接装置此装置由铰链机构、销轴、连接板组成 当地面不平时铰链机构可以使连接板与地面平行不会发生倾斜自平衡铰链连接机构示意图如图 所示图 自平衡铰链连接机构示意图()挠性铁链吸振机构为了防止激振装置产生的激振力引起采摘机的整机共振本文选用挠性铁链作为采摘机的隔振装置每节链节为长 、直径 的椭圆形圆环铁链由五节链节组成铁链的总长度为 结构如图 所示林业机械与木工设备第 卷图 挠性铁链吸振机构示意图.振动式核桃采摘机的总体装配图利用 软件绘制振动式核桃采摘机各个零部件的三维模型将各个零部件的三维模型进行装配得到振动式核桃采摘机的装配图如图 所示图 振动式核桃采摘机总体装配图 振动式核桃采摘机的优化.振动式核桃采摘机激振装置的优化偏心轮是激振装置的核心采摘机主要是靠偏心轮的转动产生激振力因此要对偏心轮进行强度分析验证偏心轮是否能承受在高速旋转时所产生的应力应变将 偏 心 轮 的 三 维 实 体 模 型 导 入 中对其进行强度分析如图 所示偏心轮的材料为 对应的弹性模量为 密度为 /泊松比.屈服强度为 材料特性设置完成后将偏心轮三维实体模型划分为尺寸大小为 的网格图 偏心轮模型偏心轮在采摘机工作过程中绕偏心轮支撑轴旋转因此只存在一个旋转自由度添加圆柱约束 在 中离心力无法加载所以施加旋转载荷 代替离心力根据设计参数可知汽油机的额定转速为 /因此旋转载荷确定为 分析结果如图 所示图 偏心轮强度分析结果图第 期许 威等:振动式核桃采摘机的设计与优化 从图 中可以看出偏心轮的最大变形发生在偏心轮的边缘处并且最大变形量约为.最大塑性变形量约为.这两个变形都相对较小不会影响偏心轮的正常旋转 从等效应力图中可以看出最大应力发生在偏心轮与偏心轮支撑轴连接的位置最大应力约为.远小于材料的屈服强度偏心轮满足强度与安全性要求在机械设计过程中不仅仅要满足设计要求还要在满足要求的前提下尽可能地节约材料尽可能的降低生产成本此处将偏心轮的厚度减小到 又因为偏心轮的厚度影响激振力的大小根据激振力计算公式:()在偏心轮厚度减小的情况下激振力不变的最有效方法是增大偏心轮的半径通过计算得到偏心轮的半径为.将其圆整为 对其进行强度分析结果可知优化后的偏心轮受到的最大应力远小于材料的屈服强度 并且偏心轮的体积.变成.质量由.减少为.质量与体积都减少了.在不降低激振力的前提下降低了生产成本节约了材料.振动式核桃采摘机夹持装置的优化在夹持过程中采摘夹手受到液压缸的推力以及激振力的反作用力因此我们需要对采摘夹手进行强度分析将采摘夹手的三维实体模型导入 如图 所示 由于两个采摘夹手受到的载荷相同本文对其中一个进行分析 对其进行材料属性添加采摘夹手的材料为合金钢弹性模量为 密度为 /泊松比.屈服强度为 对采摘夹手的三维实体模型划进行网格划分图 采摘夹手三维实体模型 对销轴处施加圆柱约束采摘夹手受到的激振力的反作用力为 液压缸的推力为 因此对采摘夹手施加约束载荷分析结果如图 所示图 采摘夹手强度分析结果图 从图 采摘夹手的最大变形发生在筋板与采摘夹手连接处以及采摘夹手的末端最大变形量分别为.、.此两者发生的变形较小不会对采摘夹手造成损伤 从图中 可以看出采摘夹手受到的最大应力发生在筋板与圆弧部分的连接处最大应力约为.小于材料的许用应力采摘夹手不会发生变形、断裂满足设计要求机械设计过程中在能够达到预期标准的情况下还要降低材料的浪费减少成本 在此处将采摘夹手的宽度改为 厚度改为 筋板厚度改为 并且对筋板与采摘夹手之间的角度进行研究对角度为、时采摘夹手受林业机械与木工设备第 卷到的最大应力进行分析分析结果如图 所示图 筋板角度不同时采摘夹手受到的最大应力根据图 可知筋板与采摘夹手之间的角度为 时采摘夹手受到的最大应力最小因此将筋板与采摘夹手之间的角度设置为 优化后的采摘夹手受到的最大应力小于材料的许用值 采摘夹手的质量由.减少到.体积由.减少到.体积质量均减少了.在不降低采摘夹手强度的前提下降低了生产成本节约了材料 振动式核桃采摘机振动效果验证将采摘机模型转为.格式并导入 中各零件之间进行固定连接偏心轮与轴之间也为固定连接将树干设置为柔性体在偏心轮轴处加旋转副如图 所示图 采摘机模型图.振动式核桃采摘机工作平稳性验证对旋转副处添加马达 此处转速的单位是意为 秒钟转多少度根据设计参数汽油机的额定转速为 /因此将转速确定为 对采摘机进行仿真得到偏心轮在转速相同、转向相反时树干质心在 与 方向的速度曲线如图 所示质心的轨迹变化图如图 所示在图中可以看出在 方向两偏心轮主要做直线往复运动 方向仅在靠近 轴处产生较小的力有较小的速度产生振动开始时核桃树的质心波动范图 树干质心处的速度曲线图围较大当振动稳定后质心的运动轨迹变得平稳图 树干质心处的轨迹变化图可见本研究所设计的振动式核桃采摘机工作时振动稳定后核桃树质心运动轨迹平稳采摘机工作平稳性较好.振动式核桃采摘机采摘性能验证激振力能否满足条件是使核桃脱落的重要前提因此需要验证偏心轮产生的激振力能否达到采摘的需求 观察偏心轮在转动时产生的惯性力大小如图 所示根据图 可知偏心轮产生的激振力大致分布于 之间基本符合理论计算中所设计偏心轮产生 的力此时核桃果梗处受到的拉断力大于九成熟核桃的果梗结合力小于七成熟核桃的拉断力能够实现分批采摘综上所述本研究所设计的振动式采摘机能够完成分批采摘的要求采摘效果较好第 期许 威等:振动式核桃采摘机的设计与优化图 偏心轮惯性力曲线图 结论本文依据采摘机、核桃树体和核桃果实的振动特性结合采摘机的作业环境和采摘对象的物理特性等设计了一种树干振动式核桃采摘机 该采摘机能够实现核桃果实的分批次采摘并且采摘过程中不会对树体和树根造成损伤采摘效率高、适用范围广 该采摘机有效提升了核桃果实的采摘效率降低了核桃果实采摘的劳动强度和采摘成本提升了核桃果实的市场竞争力增加了农民的经济收入本研究所运用的设计方法也可以为其他林果采摘机械设备的开发与研究提供借鉴参考文献:郗荣庭张毅萍.中国果树志核桃卷.北京:中国林业出版社.张永利.在首届中国核桃节开幕式上的讲话.河北林业():.丁正耀朱德泉钱良存等.山核桃坚果有限元模型建立及受力分析.农业装备与车辆工程():.陈婷岩蓉任娟.核桃蛋白的发展现状及前景探讨.食品安全导刊():.肖体琼何春霞陈巧敏等.基于机械化生产视角的中国蔬菜成本收益分析.():.方建军.移动式采摘机器人研究现状与进展.农业工程学报():.王真真王丽红付威等.核桃机械化采收装置研究现状分析.农机化研究():.():.():.:.:.:.郑甲红路平毛俊超.便捷式核桃采摘机的试验研究.农机化研究():.李鹏.蓝莓采摘机采摘策略及轨迹规划研究.哈尔滨:东北林业大学.():.秦大同谢里阳.现代机械设计手册.第 卷(第二版).北京:化学工业出版社.韦源源刘子越李柱等.基于 的大型压力机机身结构分析与改进设计.机械工程与自动化():.李建友刘克铭.基于 的采摘机激振机构仿真分析.噪声与振动控制():.(上接第 页)结论根据结果图表可以看出实验标准偏差值随着试验次数的增加而下降同时从同样测试次数来看草地上测量噪声的标准偏差数值一直在裸露土地上测量数值的上方 所以说明随着试验次数的增多所得到的数据越集中结果也越准确 草地上的测量结果更加接近真实值但测量结果不稳定在测量的过程中应当通过增加试验次数来使结果的判定更加准确参考文献:王振东.我国林业小型动力机械发展回顾与现状.林业机械与木工设备():.付琼张明远王石等.手持式风力灭火机把手减振设计的实验研究.林业科技():.国家质量监督检验检疫总局国家标准化管理委员会.林业机械便携式风力灭火机噪声的测定:/.北京:中国标准出版社.魏娜王振东佘光宇等.浅谈实验室的量值溯源工作.林业机械与木工设备():.