高空便携式山核桃拍打采摘机设计

詹 超，曹成茂，娄帅帅，丁 冉，毕海军，李赞松

(安徽农业大学 工学院，合肥 230036 )



高空便携式山核桃拍打采摘机设计

詹 超，曹成茂，娄帅帅，丁 冉，毕海军，李赞松

(安徽农业大学 工学院，合肥 230036 )

针对当前我国山核桃采摘过程作业难、机械化程度低及存在安全隐患的现状，设计研制了一款适用于复杂地形车辆无法进入的山高、坡陡的多功能高空便携式山核桃采摘设备。为此，阐述了采摘机的总体结构设计方案，给出了采摘伸缩杆、采打机构等关键部件的设计过程，并利用abaqus软件对采摘杆进行有限元模态分析，获得了该系统的前6阶的固有频率及各阶振型图。研究结果表明：系统的 1～2 阶(54.1～55.2 Hz)模态主要表现为采摘杆整体平动；3～6阶(107.3～184.3Hz)模态表现为采摘杆各部位沿各个方向的振颤及扭转振动，上述系统模态属性，可为系统结构振动特性的描述及整机作业性能的优化提供依据。

山核桃；采摘机；便携式；高空；模态分析

0 引言

山核桃属于我国特有的经济树种,营养价值高，果仁中含有20多种矿物元素，以及对人体有重作用的钙、镁、磷和铁等微量元素[1-2]，是一种健康美味、营养丰富的天然绿色食品。其主要分布在天目山山区的海拔50～1 200m、5°～30°的中缓坡的一带[3]。山核桃树高达10m以上，树径粗大，且生长在山高、坡陡的山上，其采摘作业极为困难，需投入的劳动力占整个生产过程总劳动力的30%～50%[4-6]。

国外林果采摘机械多是大型振动自走式，研究表明：通过果树树干采收果树最有效，且激振频率对采摘效果有很大的影响[7-8]。国外采摘机主要应用于扁桃、杏、油橄榄及开心果等，采收效率高，采净率高达90%以上[9-15]；但其造价昂贵，且为大型机械，作业要求较高，不适合我国果园密植模式的采摘。国内林果采摘机械还处于起步阶段，王业成等[16]研究了便携式小浆果采收器，该装置限制于小浆果的采收。陆怀民等[17]研究了林木球果采集机器人，采摘效率及采净率高；新疆农垦科学院机械装备研究所[18-20]研究生产出VIBROLIV干果采收机，对于红枣、沙枣采收切实可行，但这两款机具机型较大，不适于密植型果园采摘。

针对我国山区密植模式作业环境存在的作业空间小及机械化程度差的特点，设计了一款便携式山核桃拍打采摘机，并对机具采摘杆进行了有限元模态分析，对该机具的模态属性进行深入研究，为采摘机的研制提供理论基础和实际生产提供指导。

1 设计要求与主要技术参数

1.1 设计要求

1)采摘对象：适用于机采的林果为采摘质量要求不高、果皮较为坚硬而不易损伤的大多数干果、坚果和部分鲜食水果,如红枣、沙枣、核桃和杏等。

2)适合机采的果树的高度≥10m。

3) 采摘设备满足高空作业、携带方便及持续工作4h以上等条件。

4) 用机械拍打的方式仿人工拍打果树树枝，使果实在瞬间惯性力作用下脱落。

5) 采摘生产率≥20棵 / h，采净率≥90% ( 成熟度较好) 。

1.2 主要技术参数

电源/kW:≥ 0.24

外形尺寸(长×宽×高)/mm:3 000×50×50

采摘生产率/棵·h-1:≥ 20

采净率/%:≥90

整机质量/kg:≤2

振动头质量/kg:≤0.5

伸缩杆最大伸缩范围/mm:9 000

采打果树高度范围/m:3～10

电机输出转矩/N·cm:13.8

2 采摘机的总体机构与工作原理

2.1 总体结构

高空便携式山核桃采摘装置主要由电源、调速机构、伸缩杆、过流保护装置、线架、固定支架、微型直流电机及采打机构等组成，总体布局如图1所示。线架安装在伸缩杆底端，微型直流电机通过固定支架安装在伸缩杆顶端；线架上缠绕着能够实现最长伸缩高度的电线，电线的一端与调速机构、过流保护装置和电源连接，另一端与微型直流电机相连，实现电源、过流保护装置、调速机构及微型直流电机四者串联；采打机构通过螺丝固定在电机轴上。

采摘机构采用电机驱动，要求采摘机构本身的固有频率应避开电机驱动时杆的振动频率。同时，由于外界荷载随机作用，使得系统所受激励的频率范围加大，引发系统产生较为复杂的动态响应，直接影响着机具的作业性能，因此需对系统的模态属性进行深入分析，为实施系统优化提供方案。

1.电源 2.过流保护装置 3.调速机构 4.线架

2.2 工作原理

作业时，采摘者将电源束在腰间，并握住伸缩杆，将采打机构放在山核桃果或树枝枝干上，采打机构为柔性材料，可避免对树干、枝芽的损伤；之后，通过调速装置开启动力源，并调节微型直流电机转速，动力通过电线传输给微型直流电机，使得微型直流电机高速转动，带动采打机构旋转，使得采打机构偏离伸缩杆一定角度，从而拍打山核桃枝干，使得果实在受到的力大于果实与果枝的结合力时将会脱落，从而完成采摘工作。

当采摘高度不够时可以旋转线架放长电线，同时按住锥状连接套上的弹性按钮，并拉伸直径较大的管状伸缩杆节，使得锥状连接套上的螺栓卡死在直径较小的管状伸缩节上的下一个孔内，从而使伸缩杆伸长，实现高空采摘。

3 主要部件设计

为了实现高空树冠果实采摘，采摘杆的长度一般应达到10m以上，解决这个问题必须使用伸缩杆，来实现操作的可行性和设备携带的方便性[21-23]。

伸缩杆在设计时应考虑质量轻、强度高，方便拆卸更换。基于上述考虑，管状伸缩杆节材料选用为碳素纤维杆，每节杆长3m，完全伸长达9m以上，与固定支架、线架采用可拆卸连接，方便更换。如图2所示，伸缩杆包括3节的相互套接在一起的管状伸缩杆节，直径较小的一个管状伸缩杆节套置于直径较大的一个管状伸缩杆节内，在直径较大的管状伸缩杆节端部固定有一个锥状连接套，在锥状连接套的顶端设置有螺栓，在锥状连接套的中间设有弹性按钮，弹性按钮一端与螺栓固定在一起；在直径较小的管状伸缩杆节上设置有多个与螺栓直径相同的孔，调节伸缩杆长度时，弹簧按钮上的螺栓卡死在伸缩杆节孔上[24]。

1.直径较大的管状伸缩杆节 2.锥状连接套

3.2 采打机构结构设计

采打机构结构由球头、弹簧、橡胶管和底座组成，弹簧一端用螺栓紧固在球头里，一端与底座焊接在一起，底座开有小孔，通过螺丝与电机轴卡死连接，如图3所示。

1.球头 2.弹簧 3.橡胶管 4.底座 5.电机

3.3 电源及电机的选择

果实能否被拍打下来不仅取决于拍打力，还与电机转速和转矩有关。本设计中电机选用直流无刷电机，该电机体积小、质量轻、工作电压低、转速高、转矩大；电机工作电压12～24V，3V时空载转速2 500r/min，输出转矩13.8N·cm，电源选用锂电池。

研究区由于受多期造山事件影响，岩浆活动频繁，总出露面积65%左右。基性、超基性、中—酸性岩浆侵入活动和火山喷发活动都有，成因类型复杂。近年来的研究进一步表明，东昆仑造山带印支晚期是一个重要的成矿期，也是最具找矿潜力的成矿期，与区内已知矿床点成矿期大致相当[3]。

4 采摘杆的模态分析

4.1 模态分析理论

根据采摘杆系统的材料及结构的刚性特质，将其描述为多自由度无阻尼自由振动系统，则

(1)

其中，M为系统质量矩阵；K为系统刚度矩阵；u为系统节点位移。

由模态分析理论可知，弹性体自由振动由一系列简谐振动的叠加而成。结构简谐运动方程可表示为

x=Asin(ωn+φ)

(2)

其中，A为节点振幅(mm)；ωn为固有频率(Hz)；φ为相位角(°)。

将式(2)带入到式(1)中，可得

(3)

当系统发生自由振动时，存在位移节点，式(3)存在非零解，系统的特征值方程为

(4)

4.2 采摘杆有限元模型建立与网格划分

利用有限元前处理模块进行建模工作，对模型中分析影响不重要的几何因素进行了简化，忽略螺纹和倒角特征及次要的空台特征，简化各种连接，将螺栓连接简化为面接触，将质量进行等效分布，简化后模型并不影响分析所要求的精度。定义采摘杆的材料为硬铝合金,密度为2 760kg/m3，弹性模量E为7e4MPa，泊松比为0.3。对于模态分析，在Abaqus中定义一个线性摄动步的频率提取分析步，模态提取系统前10阶固有频率；分析系统为自由振动，所以忽略外部载荷。为保证计算精度，节省计算耗时，指派单元类型为C3D8R(八结点线性六面体单元，减缩积分，沙漏控制)对整机实施非均匀网格划分，最终生成的有限元模型如图4所示。所得有限元模型单元为5 200,节点数为10 452。

图4 采摘杆的有限元网格划分

4.3 模态计算与分析

由于系统网格单元数量较多，因此选择计算速度相对较快的 Reduced方法提取，求解了系统前10 阶固有频率(见图5)及结构振型(见图6)，并对系统的模态属性进行分析。

图5 模态系统频率变化曲线

1)当系统受到1、2阶固有频率振动时，系统主振型主要表现为采摘杆整体刚体平动，并没有单独产生弯曲或扭转变形。

2)当系统受到3、4阶固有频率振动时，系统主振型主要表现为采摘杆中间部位在y轴方向向外扩张，在x轴方向向内挤压变形。

3)当系统受到5阶、6阶固有频率振动时，系统主振型主要表现为采摘杆沿各个方向发生连续摆动振颤，并且头部和中部呈现纵向扁平状，中部呈现轴向扁平状。

图6 计算模态的固有频率及对应振型云图

通过对结构进行模态分析，可以看出：采摘杆的固有频率范围较大，在使用电机驱动过程中容易产生振动；电机驱动的采打头额定转速为2 500r/min，频率为41.7Hz，低于第1阶模态频率，可避免结构受到破坏，提高了装置的使用安全性[30-31]。

5 结论

1)针对山区作业环境，设计了一款高空山核桃采摘装置，其采摘效率高，有效地解决了采摘高度受限的问题，结构简单，操作灵便，拆卸和安装都极为便利，而且质量轻，便于移动携带，因此特别适合应用于重型或车辆机械无法进入的山高、坡陡的采摘作业。

2)高空便携式山核桃采摘装置并不局限于采摘山核桃，还可用于其他高大坚果树木的采摘，如香榧、银杏和板栗等。

3)通过对采摘杆的模态分析，得到了采摘杆系统的机械特性，验证了采摘机构整体结构的合理性，为下一步动力学的研究提供了支持。

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Design of an Portable and High Altitude Walnut Picking Machine

Zhan Chao， Cao Chengmao， Lou Shuaishuai， Ding Ran， Bi Haijun， Li Zansong

(College of Engineering， Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China)

In order to solve the problems of the operational,security and the poor mechanization of the walnut picking work, we developed a multifunctional walnut picking equipment which adapt to the mountain area that the trucks unable to enter. In this paper, we present the design scheme of the prototype for the machine, and give the design parameters for the key parts like telescopic rod and picking mechanism . The finite element modal analysis of the picking rod was developed using the software ABAQUS, the modal figure and first 6 nature frequency of the model was achieved. The results indicated that, the 1-2(54.1-55.2Hz) modal frequency mainly performance as overall vibration of the pick rod, 3-6(107.3-184.3Hz) modal frequency performance as vibration and torsional vibration of the pick rod parts though different directions. The research would help to described the vibration characteristics of the system and could be referred by the similar study in order to improve the working performance.

walnut; picking machine;portable; high altitude; modal analysis

2016-08-02

国家自然资金面上项目(51475002)

詹 超(1990-)，男，安徽黄山人，硕士研究生，(E-mail)840782503@qq.com。

曹成茂(1964-)，男，安徽六安人，教授，博士生导师，博士，(E-mail)caochengmao@sina.com。

S225.93

A

1003-188X(2017)10-0119-05