清扫式红枣收获机V型布置清扫辊刷支撑架的设计与有限元分析

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(1中国农业大学工学院， 北京 10083)(2塔里木大学机械电气化工程学院/新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室， 新疆 阿拉尔 843300)

红枣原产于中国，是我国特有的水果之一，并且其在中国已经有数千年的栽培历史[1-2]。红枣因其口感香甜和富含营养丰富等特点而广受市场欢迎，是一种常见的滋补养生食材[3]。据有关资料记载，我国红枣品种众多且种植规模庞大，全世界90%以上的红枣产自中国[4-5]。我国红枣种植主要分布在新疆、山西、河南、陕西、河北和山东等地。新疆地区光照时间长、昼夜温差大和空气稀薄，种植的红枣深受广大市场消费者追捧。新疆红枣种植规模仅次于该地区第一大经济作物棉花的种植面积，已经发展成为促进地区经济增长的特色林果产品。为了便于田间管理，目前新疆红枣种植普遍采用矮化密植种植模式。该种植模式下的枣树矮小且种植密集，常见的林果收获机械难以满足其收获要求。导致目前新疆大面积的红枣采收依然通过人工捡拾的方式来完成，严重制约新疆红枣产业的进一步发展。

为了实现新疆红枣的机械化采收，解决矮化密植红枣收获难题。新疆农垦科学院的汤智辉等通过对国外产品的引进和消化吸收，设计研制出我国第一款基于树干摇振采收原理的红枣收获机械。但是该机型要求有较大的作业工作空间，难以适应矮化密植种植模式[6]。石河子大学的坎杂等设计研发出一种基于树冠振动采收的骑跨式红枣收获机械，该机具收获过程中对枣树损伤较大且难以对落地红枣进行收获，目前仍处于研发阶段[7-8]。塔里木大学史高昆等设计研发出气吸式红枣收获机械，但受风机负压限制和枣园作业环境影响，该机具作业效率和机具可靠性仍有待提高，目前机具处于改进完善阶段[9]。由于国外种植红枣规模较小，导致国外对红枣收获机械的研究较少。据有关文献资料记载，目前仅有韩国忠南国立大学的S．W．Lee et al设计了一种基于树冠振动的液压自走式红枣收获机械[10]。该机具适用于高大枣树种植模式，对于矮化密植种植模式并不适用。

针对目前红枣收获机械的研究现状，并充分考虑新疆红枣种植采用的矮化密植种植模式。本文设计研制出一种基于清扫收获原理的清扫式红枣收获机械，并对机具的关键工作部件V型布置清扫辊刷支撑架进行相应的理论计算及有限元分析。为清扫式落地果收获机械的设计与改进提供参考依据。

1 整机机构及工作原理

1.1整机结构

清扫式红枣收获机械主要由清扫装置、液压动力驱动装置、红枣仿形收集装置、机械传动机构、红枣输送装置、柴油机、机架、红枣收集箱、去杂筛、控制系统和行走机构等组成，具体结构如图1所示。

1.清扫装置 2.液压动力驱动装置 3.红枣仿形收集装置 4.机械传动机构 5.红枣输送装置 6.柴油机 7.机架 8.红枣收集箱 9.去杂筛 10.控制系统 11.行走机构

1.2工作原理

清扫式红枣收获机械的全部输出动力均由1台7. 5 kW的柴油机进行提供。通过该柴油机驱动横向清扫辊刷和红枣输送装置进行旋转作业，同时柴油机还为液压动力驱动装置和机具的电动行走机构提供原始的动力来源。作业时，机具通过电力驱动在枣树行间进行自动行走收获作业，V型布置清扫辊刷将地面分散的落地红枣清扫集中形成长条状，再利用横向清扫辊刷和红枣仿形收集装置的相互配合将形成的长条状红枣清扫至红枣输送装置，最终经过红枣输送装置和去杂筛将红枣输送到红枣收集箱，从而完成落地红枣的收获作业过程。

2 V型布置清扫辊刷支撑架结构设计及其受力分析

2.1 V型布置清扫辊刷支撑架结构设计

清扫装置是清扫式红枣收获机对地面红枣进行清扫捡拾收获的关键工作部件，清扫装置的基本结构与其受力变形和应力分布直接相关。并且清扫装置的受力变形直接影响清扫辊刷与地面的接触情况，从而影响清扫装置的清扫收集效果。清扫装置主要由3根清扫辊刷组成，其中2根清扫辊刷呈V型布置并且采用悬臂梁结构的支撑架进行固定。该V型布置清扫辊刷采用液压马达进行驱动，从而实现落地红枣的清扫聚拢。另外一根清扫辊刷采用横向布置，主要配合红枣仿形收集装置完成地面红枣的收集过程。由于悬臂结构的V型布置清扫辊刷支撑架受力变形较大，因此有必要对悬臂结构的V型布置清扫辊刷支撑架进行重点设计，V型布置清扫辊刷支撑架的具体结构如图2所示。

图2 V型布置清扫辊刷支撑架基本结构

2.2 V型布置清扫辊刷支撑架受力分析

由分析可知，V型布置清扫辊刷支撑架在工作过程中，主要承受由机架和清扫辊刷自重引起的均匀分布载荷q1和液压马达自重引起的均匀分布载荷q2。另外，在清扫辊刷作业的过程中，清扫辊刷还受到由清扫辊刷旋转与地面摩擦引起切向摩擦力Ff2和清扫辊刷向前行走过程中与地面摩擦引起的摩擦力Ff1，在分析过程中分别将Ff1和Ff2简化为清扫辊刷中点的集中载荷，具体的受力分析简图如图2所示。根据清扫辊刷、机架及液压马达自重可分别计算得出均匀分布载荷系数q1和q2(q1=307 N/m，q2=340 N/m)，再根据测得清扫辊刷与地面之间的摩擦系数及其与地面之间的压力可分别计算得出摩擦力Ff1和Ff2(Ff1=348 N，Ff2=275 N)。

由于V型布置清扫辊刷支撑架两侧对称，在实际受力过程中两侧的清扫辊刷机构变形情况基本一致。为简化计算过程，只取一侧的清扫辊刷支撑架进行受力分析。并且将各种载荷均分解到平行于清扫辊刷支撑架的平面内和垂直于清扫辊刷支撑架的平面内进行分析，如图3所示。

a. 平行于清扫辊刷平面

b. 垂直于清扫辊刷平面

为了计算得出清扫辊刷支撑架在各处的最大弯曲变形，根据图3中的受力情况分别计算上述两面内清扫辊刷支撑架的挠度。在平行于清扫辊刷支撑架的平面内，AB、BC和CD段内各处的挠度分别为：

(1)

(2)

(3)

在垂直于清扫辊刷支撑架的平面内，AB和BD段内各处的挠度为：

(4)

(5)

式中，乘积EI为清扫辊刷支撑架横截面的弯曲刚度，其中E为弹性模量，I为惯性矩；C1、C2、C3、C4和D1、D2、D3、D4为常数。

3 V型布置清扫辊刷支撑架有限元分析

3.1有限元分析模型建立

在运用ANSYS Workbench对V型布置清扫辊刷支撑架进行有限元分析之前，采用三维建模软件Solidworks建立其三维分析模型。将建立的三维模型保存为x_t格式，再通过数据转换接口将建立的三维模型导入到NASYS Workben软件中，从而完成有限元三维分析模型的建立及导入过程。为简化模型的运算规模，对V型布置清扫辊刷的刷丝部分进行简化，最终建立的三维模型如图4所示。

图4 V型布置清扫辊刷支撑架有限元分析简化模型

3.2模型网格划分及加载

将Solidworks建立的V型布置清扫辊刷支撑架的三维模型导入ANSYS Workbench分析软件中，选择Tetrahedrons网格单元并运用Automatic Method的方法进行模型网格划分。再通过Details of Mesh进行参数设置，从而实现对网格单元的尺寸进行约束。采用上述方法对建立的三维模型进行网格划分，该模型最终划分的网格数量和节点分别为17 440和36 565，网格划分质量较好的满足模型分析精度要求。根据V型布置清扫辊刷实际作业时受到的载荷情况，对网格划分后的模型进行载荷施加，如图5所示。

图5 V型清扫辊刷支撑架网格划分及加载

3.3有限元结构静力学分析结果

为了得到更加清晰表达V型布置清扫辊刷支撑架在静载作用下的变形和应力应变情况，对V型布置清扫辊刷支撑架进行有限元结构静力学分析。在ANSYS Workbench静力学结果显示中，选择总变形、等效应力和等效应变作为的求解结果。最终，分别求解得到V型布置清扫辊刷支撑架的Total Deformation、Equivalent Elastic Strain和Equivalent Stress云图，如图6所示。

a.总变形 b.等效应变 c.等效应力

图6 V型布置清扫辊刷支撑架静力学分析结果

由图6可知，V型布置清扫辊刷支撑架最大的总变形、等效应变和等效应力分别为60. 432 mm、0. 009 547 7和484. 22 MPa。分析图6a可知，V型布置清扫辊刷支撑架的最大变形出现在支撑架远离固定的一端，并且V型布置清扫辊刷支撑架固定端和远离固定端的变形量差异明显，在实际作业的过程中容易引起清扫辊刷清扫作业质量不稳定和清扫辊刷刷丝磨损不均匀现象。而由图6c可知，V型布置清扫辊刷支撑架最大等效应力出现在靠近支撑架固定的一端，并且该最大应力值超过支撑架材料的屈服极限。因此，V型布置清扫辊刷支撑架存在结构设计不合理之处。为了减小V型布置清扫辊刷支撑架的最大变形和保证V型布置清扫辊刷支撑架的支撑强度，在现有V型布置清扫辊刷支撑架的基础上增加支撑杆来增加其强度。再根据上述步骤，对改进后的V型布置清扫辊刷支撑架进行结构静力学分析，其分析得到的总变形、等效应变和等效应力分布情况如图7所示。

a.总变形 b.等效应变 c.等效应力

由图7可知，改进后的V型布置清扫辊刷支撑架的最大总变形、等效应变和等效应力值分别为6. 935 mm、0. 003 260 8和199. 2 MPa。对比图6a和图7a中的有限元分析结果可知，改进后的V型布置清扫辊刷支撑架的总变形由原来的60. 432 mm减小至6. 935 mm，支撑架的强度增加明显。并且改进后的最大总变形仍然出现在相同位置。从支撑架的等效应力分析结果可知，改进后的V型布置清扫辊刷支撑架出现的最大等效应力小于支撑架材料的屈服极限。综上所述，V型布置清扫辊刷支撑架的改进设计合理。

3.4有限元结构动力学分析结果

为了避免V型布置清扫辊刷在作业时出现较大的振动影响V型布置清扫辊刷清扫采收作业的质量，对改进后的V型布置清扫辊刷支撑架进行有限元结构动力学分析中的模态分析。通过模态分析计算V型布置清扫辊刷支撑架的低阶固有频率和振型，避免因各低阶固有频率与机具的自激振动频率相同而出现共振现象。据文献资料记载，低阶振动对结构的动态影响较为显著，并且低阶振型直接影响结构的动态特性[11]。因此，采用模态分析得出V型布置清扫辊刷支撑架前三阶固有频率和振型，具体结果如图8所示。

a.1阶振型 b. 2阶振型 c. 3阶振型

由图8可知，改进后的V型布置清扫辊刷支撑架的前三阶固有频率分别为7. 721 2 Hz、9. 136 1 Hz和17. 44 1 Hz。该红枣收获机械选用柴油机的自激振动频率为33. 3～50 Hz，清扫辊刷的自激振动频率为0～3. 3 Hz。改进后的V型布置清扫辊刷支撑架的固有频率与机具的自激振动频率存在明显差异，因此改进后的V型布置清扫辊刷支撑架在清扫收获作业过程中不存在共振现象，结构设计合理。

4 结论

4.1 针对新疆普遍采用的矮化密植种植模式，设计了一种清扫式红枣收获机械。重点设计了V型布置清扫辊刷的支撑架，并对支撑架进行了相应的力学分析。

4.2 对V型布置的清扫辊刷支撑架进行有限元结构静力学分析，并通过分析结果对V型布置的清扫辊刷支撑架进行改进。改进后的V型布置清扫辊刷支撑架的最大总变形由改进前的60. 432 mm减小至6. 935 mm，最大等效应力由改进前的484. 22 MPa降低至199. 2 MPa，改进设计合理。

4.3 通过模态分析得出V型布置清扫辊刷支撑架前三阶固有频率分别为7. 721 2 Hz、9. 136 1 Hz和17. 441 Hz。模态分析结果表明，V型布置清扫辊刷支撑架的固有频率与机具的自激振动频率存在明显差异，故V型布置清扫辊刷支撑架在作业时不存在共振现象。进一步表明V型布置清扫辊刷支撑架结构设计合理。