一种牵引式振动核桃采摘机的设计

许 威, 逯泽鹏

(哈尔滨商业大学,黑龙江 哈尔滨 150028)

我国已成为世界上核桃种植面积最大,核桃产量最多的国家。据统计,2020年我国核桃种植面积约为28.44 hm2,产量约为110万t[1]。核桃营养价值丰富,含有大量磷脂,核桃油中含有大量不饱和脂肪酸。随着社会的发展与进步,人们越来越注重健康和生活质量,因此对核桃制品的需求和质量要求不断提升[2-4]。

我国目前核桃采收主要还是由人工完成。人工采收核桃工作强度大、效率低,老龄化现象越来越严重,进一步加剧了核桃采收的作业强度。核桃采收作业是核桃产品加工生产中作业强度最大的一个工序,采摘作业成本约为生产总成本的35%～45%[5-6]。可见,实现核桃的机械化和自动化采收对于解决采收作业强度大、青壮年劳动力减少,提高采收作业效率,降低采收作业成本,增加种植户收入具有重要的意义。

机械化采收核桃主要有机械臂式、平台式、拍打式和振动冲击式四种方式。由于核桃树体相对较高、采摘难度大,国内机械化采收多采用机械臂式,但是机械臂式采收单次作业只能采收一颗核桃,采收效率较低[7-8]。

振动冲击式采摘一次作业可以采收整棵核桃树的核桃,采摘效率高。国外多采用振动冲击式采摘机对核桃进行采摘作业,振动冲击式采摘可以分为气流冲击式、树冠振动式、枝干振动式和主干振动式四种类型[9]。国外学者对振动冲击采摘机进行了大量研究,并将研究成果应用到了实际采摘作业中[10-13]。国内学者也对振动冲击采摘机进行了研究了,并取得了一定的研究成果,但尚未应用于实际采摘作业中[14-17]。

文本根据目前振动冲击式核桃采摘机设计中所存在的问题结合我国核桃种植园的作业环境特征,设计了一种牵引式移动灵活、能够适应核桃种植园复杂环境,操作简单的振动式核桃采摘机。

1 振动式核桃采摘机的总体设计方案及作业流程

1.1 总体设计方案

牵引式振动采摘机主要由主干固定机构a、振动激发机构b、自适应调平机构c、夹持高度调节机构d和动力输出单元e组成,总体结构如图1所示。

图1 牵引式振动采摘机总体设计方案

1.2 采摘作业流程

牵引式振动采摘机进行采摘作业时,首先由牵引车将采摘机牵引至合适的位置,通过夹持高度调节机构将主干固定机构移动至适当的高度位置;然后,通过主干固定机构将采摘机固定在核桃树主干的适当位置;最后,由动力输出单元提供动力完成振动采摘工作。

1.3 设计要求与技术参数

(1)设计要求

①采摘作业的核桃树主干直径和高度分别为100～180 mm和400～600 mm;

②单棵核桃树采摘作业时间约为30 s;

③振动激发机构的动力源为汽油机;

④振动直接激发机构选用对称布置的偏心轮;

⑤移动方式采用牵引式。

(2)技术参数

①最佳激振频率约为26 Hz;

②恒定作业时激振力大小约为3 000 N;

③最佳夹持高度约为500 mm;

④选用汽油机作为动力源,额定转速为1 800 r/min,额定功率为4.2 kW。

2 振动式核桃采摘机关键零部件设计

2.1 振动激发机构偏心轮轴的设计

本文设计的振动激发机构采用双偏心轮轴激振方式。本文设计采用对称布置的两个大小、形状均相等的半圆形偏心轮作为振动激发机构。为了保证振动激发机构的强度,便于装拆和维修,将半圆形偏心轮与轴做成一体结构,即偏心轮轴。偏心轮轴偏心轮的半径R为:

(1)

式中:F为偏心轮轴能够产生的激振力,N;f为工作频率,Hz;D为偏心轮轴偏心轮厚度,m;ρ为偏心轮轴的材料密度,kg/m3。

根据设计参数要求,偏心轮轴能够产生的激振力F取1 500 N,采摘作业时的工作频率f取26 Hz,偏心轮轴的材料密度ρ取7 800 kg/m3,初选偏心轮轴偏心轮的厚度D为0.06 m,将上述参数代入式(1)可得偏心轮轴的偏心轮半径为56.47 mm,取整为57 mm。

偏心轮轴的最小轴径dmin为:

(2)

式中:P为偏心轮轴的输入功率,kW;n为偏心轮轴转速,r/min,C为随许用剪切应力变化的系数。

查阅机械设计手册[18]选定C值为128,偏心轮轴转速n取汽油机转速为1 800 r/min,偏心轮轴的输入功率P取汽油机的功率为4.2 kW,将上述参数代入式(2)得偏心轮轴的最小轴径约为16.977 mm,考虑键槽对轴强度的削弱作用将最小轴径增大5 %并取整得偏心轮轴的最小轴径为18 mm,偏心轮轴的三维模型如图2所示。

图2 偏心轮轴三维模型

2.2 主干固定机构设计

主干固定机构的作用是保证振动激发机构产生的激振能够稳定、连续地传递给核桃树树体,进而完成核桃的振动采摘工作。本文设计的夹持装置主要由单指夹爪1、双指夹爪2、连接销轴3、动力液压缸4、6、7和中间固定板5组成,单、双指夹爪上装有保护橡胶垫,防止加持过程中对主干树皮造成损伤,主干固定机构如图3所示。

图3 主干固定机构结构示意图

主干固定机构在执行采摘作业时,单指夹爪1和双指夹爪4在动力液压缸3和7的作用下进行旋转并于核桃树主干相接触,中间固定板5在动力液压缸6的作用下与核桃树主干相接触。此时,单、双指夹爪1和4,中间固定板5相互配合可以实现对不同直径核桃树干的有效夹持。

本文所设计的主干固定机构能够夹持主干的直径范围为100～180 mm。当夹持主干直径分别为100 mm和180 mm时,液压缸行程如图4所示。

图4 主干固定机构极限工作位置示意图

从图4可以看出:主干固定机构夹持100 mm核桃树主干时,动力液压缸3和7的行程为48 mm,动力液压缸6的行程是125 mm;夹持180 mm核桃树主干时,动力液压缸3和7的行程为45mm,动力液压缸6的行程为32 mm。因此,确定动力液压缸3和7的最大工作行程为50 mm,动力液压缸6的最大工作行程为150 mm。

2.3 调平机构设计

核桃种植园地理环境一般较为复杂,采摘机进行采摘作业时在不同采摘位置其车身很难保持水平状态。为了采摘作业的有效进行,需要保证主干固定装置时刻与核桃树主干保持垂直状态,本文设计了自适应调平机构。

调平机构主要由竖直丝杠1、滑块丝母2、连杆3、底座4和中心转轴5组成,如图5所示。

图5 调平机构示意图

当主干固定机构发生倾斜时,位于两侧的竖直丝杠旋转带动丝杠上的滑块丝母分别进行上下运动,滑块丝母带动连杆运动从而带动底座绕着中心转轴转动,最终使底座上的主干固定机构处于水平位置。

本文设计的调平机构调平示意图如图6所示。两竖直丝杠的垂直距离为L,能够调节的水平倾角为α,由几何关系可知水平倾角α与调节平衡时滑块丝母的行程h关系的关系为:

图6 调平机构调平示意图

(3)

式中:h为滑块丝母行程,mm;L为丝杠中心距,mm;α为调节角度,°。

本文设计竖直丝杠轴线之间的垂直距离L为390 mm,采摘作业时允许采摘机的最大倾斜角度α为10°,则滑块丝母的最大行程h为:

(4)

由于本文采用的是双侧竖直丝杠调节,所以滑块丝母的有效行程H≥2h=68.76 mm。根据计算选择丝杠型号为C_TBSB1505_200。

2.4 总体装配三维模型

依据振动采摘机振动激发机构、调平机构、夹持高度调节机构等机构的设计方案利用SolidWorks软件绘制各个机构零件的三维模型,并建立各个执行机构的三维部件模型,并最终完成振动采摘机的总体装配三维模型,如图7所示。

图7 振动式核桃采摘机总体装配图

3 振动式核桃采摘机作业效果分析

利用ADAMS软件对本文设计的振动采摘机进行动力学仿真分析,研究振动采摘机进行采摘作业时核桃树体的位移、速度变化特征,检验振动采摘机进行采摘作业时的安全性和平稳性。

将建立好的振动采摘机的三维模型转换为“x_t”格式,然后将其导入到动力学分析软件ADAMS中,并建立直径为180 mm的圆柱体代替核桃树树干,如图8所示。圆柱体树干根部设置为固定,属性为柔性体。振动采摘机各零部件设置为刚性连接,偏心轴处施加转动副。

图8 ADAMS采摘机-树干模型

3.1 作业平稳性分析

对两偏心轮轴分别添加旋转副,转速均为10 800 d*time,方向相反,对振动采摘机作业平稳性进行模拟分析,得到采摘作业过程中核桃树主干质心在X、Y方向上的速度曲线和质心的位移曲线。

核桃树主干质心在X、Y方向上的速度曲线如图9所示,由图分析可知:振动采摘机作业时核桃树主干在X方向上速度较低而在Y方向上速度较高。这主要是由于两偏心轮轴在X方向上产生的激振力相互抵消合力小,在X方向上产生的速度低;在Y方向上产生的激振力相互叠加合力大,在Y方向上产生的速度高。

图9 核桃树主干质心速度曲线

核桃树主干质心位移曲线如图10所示,由图10分析可知:振动采摘机作业时核桃树主干质心位移比较平稳,振动采摘机作业平稳性较好。本文设计的振动采摘机进行采摘作业时激振效果与理论设计基本一致。

3.2 作业性能分析

振动采摘机作业性能的好坏主要由作业时采摘机偏心轮轴能够提供的激振力的大小决定,只有提供适合的激振力才能够使振动式采摘机具有较好的作业性能。对振动采摘机偏心轮轴工作时能够提供的激振力大小进行模拟,得到采摘作业过程中单个偏心轮轴产生的激振力随时间变化的曲线,如图11所示。

图11 偏心轮轴产生的激振力曲线

由图11可知:当偏心轮轴稳定工作时,单个偏心轮轴产生的激振力基本稳定在1 500 N左右,则振动采摘机工作时能够提供的激振力将稳定在3 000 N左右,与本文理论设计值相符。可见,本文设计的振动采摘机产生的激振力能够满足采摘作业要求。

综上分析可知,本文设计的振动采摘机进行采摘作业时的平稳性和性能均满足设计要求,作业效果较好。

4 结论

本文依据现有振动式核桃采摘机存在的问题,结合核桃种植园的环境特征和核桃树的物理力学特性等,设计了一款适用性强具有调平功能的牵引式振动核桃采摘机。该振动采摘机工作平稳、作业性能好,有效提高了核桃的采收效率,降低了采摘作业的劳动强度,增加了核桃种植户的经济收入。