红枣收获机激振装置激振频率优化与试验

丁 凯，张炳成，刁雪洋，张慧明，付 威，坎 杂

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.农业部西北农业装备重点实验室，新疆 石河子 832000)

0 引言

红枣在我国有着3 000年多栽植历史，品种丰富多样，其栽植面积和产量均占世界99.9%[1]。红枣含有大量的维生素和人体必需的多种氨基酸，具有补气养血、健脾养胃等多种作用，药用价值和营养价值极高[2-3]。枣树抗旱耐盐碱，对环境适应性强，大面积栽植能防风固沙，有利于改善生态环境[4]。截止2015年，新疆红枣栽植面积已突破53.3万hm2[5]，因采收主要以人工为主，严重制约了新疆红枣产业的快速发展，为保证新疆红枣产业健康有序的发展，应大力推广机械化作业。

目前，林果收获机械主要以振动采收为主，影响收获机械作业效果的参数有激振频率、振幅和激振位置等[6-9]。Polat等人采用不同的激振频率和幅度对开心果进行机械化采收试验，结果表明：当激振频率为20Hz、振幅为50mm时，机器收获的果实分离率可以达到95.5%[10]。Fábio L. Santos等人使用电磁振动机在实验室内对咖啡果实振动收获进行试验，结果得出激振频率为26.67Hz、振幅为7.5mm时收获效率较高[11]。王业成等人对黑加仑采收率进行试验研究，结果显示：激振频率为945～1 135r/min、振幅25～33mm、激振位置0.60(果枝长度与采收机夹持果枝位置距离地面的高度比值)时黑加仑采收率可达95%以上。杜小强等人设计了一种振幅可连续调节的单向拽振式林果采收机构，对山核桃试验结果表明：曲柄转速为7r/min、振摇曲柄转动频率在5～14Hz范围内连续变化时，平均采收率为63.9%。王长勤等人设计了一种偏心式林果振动采收机对核桃进行采收实验，结果显示：激振频率控制在19～20Hz时，平均采净率约达89.5%～92.6%。

石河子大学机械电气工程学院自主研制了一种矮化密植红枣收获机，采用机械强迫振动。为提高激振器振动采收效果，通过建立振动动力学模型、ADAMS运动学仿真及田间试验等，对激振装置的激振频率进行优化，为红枣收获机激振频率设定提供理论依据和技术支持。

1 激振装置结构及工作原理

1.1 激振装置结构组成

激振装置主要由轴承座、主曲轴、曲柄、连杆、直线轴承、激振圆盘，以及拨杆组成的曲柄连杆机构组成，如图1所示。

轴承座和直线轴承固定于红枣收获机机架；主曲轴端部与链式联轴器连接有液压马达驱动主轴转动；连杆靠直线轴承提供导向做直线往复运动；连杆端部与激振圆盘用深沟球轴承连接，激振圆盘可自由回转。

1.轴承座 2.主曲轴 3.曲柄 4.连杆 5.直线轴承 6.激振圆盘 7.拨杆

1.2 工作原理

工作时，红枣收获机液压系统为液压马达转动提供驱动力，通过曲柄连杆机构推动激振圆盘做往复直线运动，圆盘在运动过程中产生惯性力，击打树枝，使树枝产生受迫振动，当红枣振动所受惯性力大于枣柄连接力时，红枣振落。作业过程中，激振圆盘和拨杆与枣树枝接触时可自由回转，在一定程度上降低了对枣树的损伤。

2 激振装置动力学模型建立与求解

2.1 模型建立

作业过程中，激振装置和枣树振动系统模型如图2所示[7,12]。系统可简化为等行程质量—弹簧—阻尼器往复运动，建立模型假设条件如下：①忽略振动装置的振动阻尼；②激振装置和枣树枝接触为刚性接触；③枣树力学特性用等效弹性系数和阻尼系数表示。

图2 激振装置—枣树动力学模型

图2中，M1为激振装置质量(kg)；M2为振动过程中枣树与激振圆盘接触位置枣树枝的等效质量(kg)；l为连杆长度(m)；r为曲柄长度(m)；ω为曲柄转动角频率(rad/s)；c为枣树枝等效阻尼系数(N·s/m)；k为枣树枝等效弹性系数(N/m)；x为x轴方向枣树枝偏移平衡位置的位移(m)。

以激振装置曲柄转动中心点o为原点、枣树水平位移x为横坐标建立振动系统坐标系，系统受力分析如下：

激振装置惯性力为

(1)

枣树枝惯性力为

(2)

阻尼力为

(3)

弹性力为

fkx=kx

(4)

根据达朗贝尔原理，振动系统每一瞬间，以上式(1)～式(4)合力为0，即

(5)

整理式(5)可得系统振动微分方程为

(6)

式中M1—激振装置质量(kg)；

M2—振动过程中枣树与激振圆盘接触位置枣树枝的等效质量(kg)；

l—连杆长度(m)；

r—曲柄长度(m)；

ω—曲柄转动角频率(rad/s)，其中φ=ωt，lsinθ=rsinφ；

c—枣树枝等效阻尼系数(N·s/m);

k—枣树枝等效弹性系数(N/m)；

x—x轴方向枣树枝偏移平衡位置的位移(m)；

F1—激振装置在x轴方向的惯性力(N)；

F2—振动过程中枣树与激振圆盘接触位置的枣树枝在x轴方向的惯性力(N)；

fcx—系统在x轴方向的阻尼力(N)；

fkx—系统在x轴方向的弹性力(N)。

2.2 分析求解

方程(6)为二阶常系数非齐次微分方程，其解由方程(6)的齐次方程通解和非齐次方程的特解组成。求解过程从简，求得最终结果为

(7)

式(7)为枣树红枣运动规律方程，系统稳态响应为

(8)

根据式(8)可求得枣树红枣加速度为

(9)

M—M=M1+M2(kg)；

A—树枝在x方向的振幅(m)；

α、β1、β2—相位角(rad)。

则枣树红枣所受惯性力为

(10)

式中m—单个红枣质量(kg)；

忽略系统中枣树枝等效阻尼力(c=0)，测得单个骏枣平均质量m=0.015kg；根据对激振装置设计参数选择，选取曲柄长度r=120mm，连杆长度l=465mm；激振装置质量M1=12.5kg，矮化密植红枣树(树高1 500～2 000mm)高度1 200mm处树枝样本等效质量M2估算为0.5 kg[13]，则M=M1+M2=13kg；枣树枝横截面直径为30mm处的弹性系数k取395N[14]；红枣击落所需最大惯性力F=6N[15]。将以上数据带入式(10)可求得曲柄转动角频率为2.7rad/s，则主曲轴转速为25.8r/min，激振圆盘激振频率为16.9 Hz。

3 激振装置运动学仿真分析

3.1 建立激振装置模型并导入ADAMS

为分析激振装置在主曲轴转速为2.7rad/s时机构运动情况，通过ADAMS对激振装置机构运动规律进行运动学分析。首先,在SolidWorks中建立激振装置三维模型，将零件模型简化并在装配图中进行相应的约束配合，另存为*.x_t文件保存在文件目录下，导入Adams/View模块中进行仿真分析，根据激振装置实际运动情况，添加各构件之间运动约束，如表1所示[16]。

表1 构件间运动约束

将模型导入ADAMS，设定模型相关构件的材质：轴承座为铸铁材料，选用cast_iron材质；主曲轴、曲柄及连杆选用steel材质；激振圆盘由Q235、尼龙棒(拨杆)、橡胶等材料组成，选择Geometry and Density将其密度设定为2.1597E-006kg/mm3[17]，设置完成后ADAMS环境中模型如图3所示[18]。

3.2 模型运动仿真及分析

主曲轴运动所需的驱动加载于转动副JOINT_4，旋转副的角频率设置为2.7rad/s，仿真时间设置为5s，步长设置为0.1并开始仿真，激振圆盘在Y轴方向运动速度、加速度及位移对应时间关系仿真结果如图4所示。

图3 ADAMS环境下的模型图

假设激振圆盘平衡位置为Y轴原点，此时激振圆盘振幅为零。根据图4显示：当激振圆盘在Y轴方向到达最大位移点时，速度在该点附近为零，加速度达到最大值；周期运动的激振圆盘经过平衡位置前后速度变化曲线斜率不同，从平衡位置至Y轴正方向往复运动的半个周期内速度变化曲线斜率较大；加速度周期变化曲线约在仿真开始后0.4s内趋于稳定，激振圆盘离开平衡位置向Y轴负方向运动的半周期内加速度曲线出现波峰与波谷，其原因与ADAMS仿真环境下模型主曲轴、曲柄、连杆之间添加转动副约束、装置机构运动有关。根据速度曲线分析、加速度曲线显示分析可知：激振圆盘在经过平衡位置向Y轴正方向运动的半周期内加速度大于Y轴负方向运动的加速度。根据实际作业环境可知：激振圆盘在振动枣树过程中能获得更大的惯性力。装置机构在整个运动过程中，激振圆盘速度、加速度及位移曲线平滑无折线，表明该机构运动较平稳、无剧烈振动现象，激振装置机构运动满足要求。

图4 Y轴方向速度、加速度及位移对应时间关系图

4 田间试验

为检验自走式矮化密植红枣收获机优化后激振装置工作性能和作业效果，2017年11月2日，在新疆生产建设兵团第一师十一团对收获期的枣园进行试验，图5为田间试验情况。

试验枣树品种为骏枣，种植行距3 000mm，平均株距1 200mm，枣树平均高度2 000mm。选取红枣收获机行走方向长度为20m的单行作为试验区域，红枣行距4m适合收获机通过。随机选择5个试验区域作为试验测试点，并清理区域内自然掉落的红枣。红枣收获机行走速度为1.80～1.85km/h，激振装置驱动液压马达转速25.0～26.5r/min，即激振频率为16.5～17.4Hz，开始试验测试。收获机作业完成后，收集试验区域内掉落在地的红枣、枣树枝上未采摘的红枣和收获机集果箱内的红枣并称重，根据式(11)测得激振装置作业过程中红枣采净率，即

(11)

式中S—激振装置作业过程中采净率(%)；

m1—试验区域内掉落在地上红枣质量(kg)；

m2—收获机集果箱内的红枣质量(kg)；

m3—枣树枝上未采摘的红枣质量(kg)。

收集收获机集果箱内的红枣，挑选出作业过程中红枣表面被损伤的红枣，并称取质量，根据式(12)得激振装置作业时红枣表面的损伤率，即

(12)

式中N—激振装置作业过程中红枣损伤率(%)；

m4—集果箱内红枣表面被损伤的红枣质量(kg)。

本次试验共重复5次，试验结果如表2所示。

图5 田间试验

表2 试验结果

试验结果表明：红枣收获机激振装置作业过程中红枣采净率大于90%，红枣损伤率小于8%，装置在工作过程中可靠性较高，各项性能均满足要求。

5 结论

1)为优化红枣收获机激振装置振动频率，通过建立激振装置与枣树振动系统动力学模型，求得激振装置曲柄转动角频率为2.7rad/s，主曲轴转速为25.8r/min，激振圆盘激振频率为16.9Hz。

2)分析曲柄角频率为2.7rad/s时的激振装置机构运动规律，在SolidWorks软件中建立装置模型并导入ADAMS中进行机构运动学分析，分析结果显示：该机构运动较平稳、无剧烈振动现象，激振装置机构运动满足要求。

3)为检验红枣收获机激振装置工作性能和作业效果，通过调节液压马达转速将主曲轴转速设定为25.0～26.5r/min，即激振频率为16.5～17.4Hz，结果表明：红枣采净率大于90%，红枣损伤率小于8%，装置作业过程中各项性能均满足要求。