红枣采收激振器的设计与运动仿真

2019-12-22张志元娄朝霞张慧明

农机化研究 2019年2期

张志元，娄朝霞，张慧明，坎杂，付威

(1.石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832000；2. 新疆兵团农业机械重点实验室，新疆石河子 832000)

0 引言

红枣源产自我国，是我国分布最广的栽培果树之一，对提高当地居民收入、保护生态环境具有重要意义[1-4]。新疆气候干燥，光照充足，有利于种植高产优质的红枣，是全球最适宜种植红枣的地区之一[5-7]。据统计，2015年底新疆红枣栽植面积已突破52万hm2，居于全国首位[8-9]。新疆红枣种植面积迅猛发展，不仅提高新疆枣农的经济效益，也加速了红枣机械化的需求[10]。

近年来，为降低红枣人工采收成本、提高收获效率、促进红枣产业的健康发展，科研院所对林果机械化收获开展了相关研究。2007年，新疆农垦科学院从意大利进口一台成套的干果收获机，适合采摘树干直径介于120～400mm的果树[11]。2009年，新疆农垦科学院机械装备研究所研制4YS-24型红枣收获机，采用抱摇式收获方法，激振器通过1个偏心块产生全方位振动[12-13]。2010年，新疆农业科学院农业机械化研究所研制了手持式振动林果收获机，采用树枝振动式收获方法，适于收获树高在3m左右的枣树，采净率大于85%[14]。2011年，南京林业大学机械电子工程学院王长勤、许林云研究的抱摇式林果收获机，采用对称布置的偏心块[15]。2014年，新疆农业大学机械交通学院杨宛章研制了振动式林果采摘机，采用双偏心块式激振机构，采摘果树直径范围为80～120mm[16-17]。2014年，石河子大学机械电气工程学院设计出一种自走式矮化密植红枣收获机，激振器由曲柄滑块机构和拨杆滚筒组成[18-19]。2014年，浙江理工大学机械与自动控制学院杜小强设计出一种可调振幅单向拽振式林果采收机，变幅机构由曲柄摇杆滑块机构和调幅机构组成[20]。

目前，针对红枣连续性采收作业的林果收获机研究较少，本文以红枣为研究对象，设计出一种由3个偏心块组成的激振器，可以实现连续性采收作业，为红枣收获机整机的设计提供了理论依据和技术支持。

1 结构组成及工作原理

1.1 结构组成

该偏心块式激振器主要由激振装置、旋转滚筒装置和阻尼装置组成，如图1所示。激振装置主要由壳体、同步带轮和3个质量相等且均匀分布的偏心块组成；旋转滚筒装置由旋转滚筒和拨杆组成；阻尼装置由弹簧、阻尼带和阻尼轮组成。其中，激振装置和旋转滚筒装置通过法兰固定在一起，旋转滚筒装置和阻尼装置通过平键连接，激振器由两个立式轴承座固定在机架上。

1.2 工作原理

该偏心块式激振器是红枣收获机的主要部件之一，通过液压马达驱动。其处于工作状态时，通过液压马达驱动公转轴及公转轴上的同步带轮转动；同步带轮分别驱动3个均匀分布的偏心块以恒定的角速度同步转动，偏心块转动产生离心力，在离心力作用下产生力偶矩驱动壳体和旋转滚筒装置的转动；通过调节马达转速控制旋转滚筒装置的振幅和频率，从而达到要求的振动效果。

1.偏心块 2.轴承座 3.同步带轮 4.壳体 5.调节薄板 6.法兰 7.旋转滚筒 8.拨杆 9.阻尼装置图1 激振器示意图Fig.1 The schematic of vibrator

2 运动分析

激振装置的激振力来自于3个偏心块以ω0同步转动产生的离心力F，通过自转轴O1、O2和O3作用在壳体上，并在壳体产生一力偶驱动旋转滚筒装置绕公转轴O的振动。为简化模型，除去阻尼装置，将旋转滚筒装置与激振装置的壳体简化为一体，其运动分析如图2所示。其中，图2(a)为激振装置参数示意图，图2(b)为激振装置受力示意图。图中偏心块的质量为m(kg)；壳体及旋转滚筒装置装置的质量为M(kg)；偏心块自转轴与公转轴之间的距离为d(m)；偏心块质心与自转轴的距离为r(m)；偏心块转动角速度为ω0(rad/s)；壳体及旋转滚筒装置振动的角速度为ω(rad/s)；在初始状态，偏心块绕自转轴转过的角度为θ(rad)；偏心块转动产生的离心力为F(N)。

激振器处于工作状态时，在t时刻偏心块转过的角度为θ，计算公式为

θ=ω0·t

(1)

其中，t为时间(s)。

偏心块转动产生的离心力为F，计算公式为

(2)

图2 运动分析Fig.2 Kinematic analysis

由于3个偏心块材质、几何尺寸和转动角速度都相同，故在处于工作状态时产生的离心力F均相同，即

F1=F2=F3=F

(3)

其中，F1、F2、F3分别为3个偏心块绕自转轴O1、O2和O3产生的离心力。当3个偏心块与壳体的相对位置如图2(a)所示时，忽略偏心块质心与其自转轴的距离r，将各自产生的离心力分别平移到相对应的自转轴处，以公转轴O为坐标原点建立笛卡尔坐标系O-xy，其离心力的分解示意图2(b)所示。此时，F1、F2、F3可分解为x轴方向上的F1x、F2x、F3x和y轴方向上的F1y、F2y、F3y，则

(4)

(5)

(6)

联立式(4)～式(6)，分别对x轴和y轴的各分力进行求和得

(7)

由式(7)可得偏心块产生的离心力的合力为0。现对各离心力的分力分别对公转轴O求力偶，取与ω相同的方向为正方向可得

∑MO(F)=F1x·a-F1y·b-F2x·a+

F2y·b+F3x·d

(8)

其中，a、b为距离(m)。

由图2(b)中三角关系可得

(9)

联立以上各式可得

(10)

由式(10)分析可以得到：在驱动力偶距的作用下，壳体的运动符合简谐运动的规律，即当θ在(0，π)范围内时，驱动力偶矩逆时针方向驱动壳体及旋转滚筒装置做逆时针加速振动；当θ在(π，2π)范围内时，驱动力偶矩顺时针方向驱动壳体及旋转滚筒装置做逆时针减速振动。

3 运动仿真

为验证理论分析的正确性，运用SolidWorks软件绘制简化模型作为仿真模型，并将其保存为 *.x_t格式导入ADAMS软件。设置公转轴与地面为固定副连接，公转轴与壳体、壳体与各自转轴之间加转动副连接，对该装置进行运动模拟仿真，如图3所示。

图3 激振器仿真分析

该仿真主要是对简化后的激振装置壳体的运动状态进行分析，M=100kg，m=10kg，d=0.28m，r=0.12m，ω0=3rad/s，设置仿真时间为5 s，得到壳体和同步带轮的角速度和角加速度随时间变化曲线，如图4所示。

图4 仿真角速度和角加速度随时间变化曲线Fig.4 The simulation of angular velocity and angular acceleration with time

由图4可知：在0-0.07s内，3个偏心块的运动尚未达到同步状态，故选取0.07-5s作为仿真结果。从ADAMS软件仿真图的角速度和角加速度曲线可看出：在1.2 s的时间周期内，其运动曲线是规律的简谐曲线，角速度随着角加速度增大而增大；但角加速度最大时，角速度并未达到最大值。图4中，由于仿真时偏心块的初始位置(即相位角)不同，会引起仿真曲线与理论分析曲线的差别，但总体运动趋势基本一致。由角速度图可以看出：波峰处的角速度值在逐渐变大，是由于在仿真时忽略了激振器阻尼装置；阻尼装置的刚度系数和阻尼系数对角速度曲线和角加速度曲线影响明显，从而证明了激振器设计阻尼装置的合理性。因此，从ADAMS软件运动分析得到的曲线和理论公式推导的曲线基本一致。