劉夢(mèng)飛 鄭甲紅 高 警

LIU Meng－fei ZHENG Jia－h(huán)ong GAO Jing

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an，Shaanxi 710021，China）

中國(guó)是核桃生產(chǎn)大國(guó)，也曾是核桃出口大國(guó)，然而國(guó)內(nèi)核桃采摘仍基本采用人工采摘方法［1］，用竹竿或長(zhǎng)木桿敲擊核桃所在的枝條或直接將其擊落，勞動(dòng)強(qiáng)度大、具有一定危險(xiǎn)性、用工量多、效率低，且容易損傷枝條，成本高。國(guó)外的核桃采摘的機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，通過大型拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓激振裝置進(jìn)行振動(dòng)采收，適用在平原，具有較大的工作空間的稀疏型莊園［2］。隨著中國(guó)核桃產(chǎn)量的迅速增加和農(nóng)村勞動(dòng)力的減少，核桃產(chǎn)業(yè)對(duì)機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化的需求將越來越迫切，因此研制適應(yīng)核桃產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展的相關(guān)機(jī)械是當(dāng)務(wù)之急［3］。南京林業(yè)大學(xué)發(fā)明了一種偏心式林果振動(dòng)采摘機(jī)，該機(jī)通過電控履帶車驅(qū)動(dòng)，采摘率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，機(jī)動(dòng)性能差，不適宜在丘陵山區(qū)作業(yè)［4］；新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所引進(jìn)并改進(jìn)設(shè)計(jì)了意大利ERREP－PI公司生產(chǎn)的 VIBROLIV 干果采收機(jī)［5，6］，進(jìn)行了紅棗、沙棗采收試驗(yàn)和性能測(cè)試，采摘效果良好，但這種采收機(jī)適用于平原中樹冠較大、樹干直徑較粗且操作空間較大的稀疏果園。本試驗(yàn)根據(jù)中國(guó)丘陵山區(qū)密植矮化核桃種植的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種便攜式核桃采摘機(jī)，通過運(yùn)用Workbench建立采摘機(jī)－核桃樹系統(tǒng)的仿真，并在核桃基地進(jìn)行實(shí)際采摘試驗(yàn)。

1 采摘機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

針對(duì)目前密植矮化核桃林模式下采收作業(yè)空間小、機(jī)械化作業(yè)條件差的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了便攜式振動(dòng)采摘機(jī)，采用樹干或枝干振搖的方式。核桃采摘機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整機(jī)主要由汽油機(jī)、聯(lián)軸器、軟軸、連接筒、激振器、支架、鏈輪、手柄、銷軸、鏈條組成。采用汽油機(jī)相比拖拉機(jī)、履帶車移動(dòng)更加方便，適合密植核桃林的移動(dòng)。汽油機(jī)的動(dòng)力通過聯(lián)軸器傳至軟軸，軟軸又通過聯(lián)軸器傳至激振器的輸入軸。其中激振器的下殼體和夾持裝置固定在一起，將激振器的振動(dòng)施加在樹干或枝干上。

圖1 核桃采摘機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Walnut picking machine overall structure

采摘工作時(shí)，將支架圓弧部分貼靠在樹干或枝干，用鏈條繞著樹干或枝干掛在支架的掛鉤上，通過手柄帶動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來拉緊鏈條從而實(shí)現(xiàn)夾緊要求。支架和激振器是固定在一起的，工作時(shí)汽油機(jī)將動(dòng)力由軟軸傳至激振器，激振器產(chǎn)生振動(dòng)作用于核桃樹樹干或枝干，果枝在強(qiáng)迫振動(dòng)下以一定的頻率與振幅振動(dòng)［7］，核桃在果枝的振動(dòng)下獲得加速度，加速運(yùn)動(dòng)的核桃產(chǎn)生慣性力，當(dāng)慣性力大于果枝與核桃的結(jié)合力時(shí)，核桃與果梗分離，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)式采摘。采摘中可通過調(diào)節(jié)汽油機(jī)的油門來控制激振器中偏心軸的轉(zhuǎn)速，從而控制激振器的頻率。

2 核桃樹的三維模型的建立和模態(tài)分析

2.1 核桃樹的實(shí)體模型（Pro／E）

根據(jù)實(shí)際的測(cè)量，在Pro／E中建立核桃樹的三維模型見圖2。

圖2 核桃樹的三維實(shí)體模型Figure 2 3D solid model of the walnut tree

2.2 樹體的模態(tài)分析（ANSYS workbench）

在Pro／E中建立與ANSYS Workbench的關(guān)聯(lián)，直接就可將樹體的三維模型導(dǎo)入到Workbench中并建立模態(tài)分析項(xiàng)目。設(shè)置樹體的材料屬性，包括密度、彈性模量和泊松比。設(shè)置網(wǎng)格質(zhì)量屬性后采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分法，在樹體的根部施加固定約束，獲得樹體的6階模態(tài)響應(yīng)，見表1。

從模態(tài)分析動(dòng)畫和固有頻率表可以看出樹體的固有頻率和振型［8］，前兩階主要為主干枝振動(dòng)，三、四階主要是側(cè)枝振動(dòng)，其最大變形發(fā)生在側(cè)枝的二級(jí)枝干上，五、六階主要為主干枝振動(dòng)。這對(duì)采摘機(jī)的激振頻率的選擇具有一定的指導(dǎo)參考價(jià)值，在設(shè)計(jì)激振力的激振頻率時(shí)應(yīng)當(dāng)避開樹體的固有頻率［9］，從而減少或避免振動(dòng)對(duì)樹體的損傷。

表1 核桃樹體的固有頻率表Table 1 Walnut tree natural frequency table

3 采摘機(jī)－核桃樹系統(tǒng)的仿真

3.1 激振裝置力的模型

核桃采摘機(jī)的激振裝置［10］主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：雙軸對(duì)稱偏心激振裝置和單軸單偏心激振裝置。雙軸對(duì)稱偏心激振裝置如圖3（a）所示，當(dāng)兩軸作反方向等速回轉(zhuǎn)時(shí)，兩軸的偏心塊的離心慣性力產(chǎn)生激振力。該激振力是兩者在Y方向上疊加的合力，在X方向上兩軸的激振力是相互抵消的。因此，雙軸對(duì)稱偏心激振裝置產(chǎn)生的振動(dòng)輸出是一個(gè)直線上的，大小隨偏心轉(zhuǎn)角的變化而變化的簡(jiǎn)諧激振力。激振力計(jì)算公式見式（1）。

式中：

F—— 激振力，N；

m—— 質(zhì)量塊的質(zhì)量，kg；

e——質(zhì)量塊的偏心半徑，m。

單軸單偏心激振裝置如圖3（b）所示，當(dāng)軸作等速回轉(zhuǎn)時(shí)，偏心塊的離心慣性力產(chǎn)生激振力。該激振力F在X方向和Y方向會(huì)分別產(chǎn)生一個(gè)分力，在一定的轉(zhuǎn)速下，設(shè)慣性力F與X 軸方向的夾角為θ，則FY＝F sinθ，F(xiàn)Y＝F cosθ＝F sin（90°－θ）。因此，單軸單偏心激振裝置產(chǎn)生的振動(dòng)輸出是一個(gè)在圓周方向上大小不變，方向時(shí)刻變化的圓周激振力。在XOY平面內(nèi)等效于FX和FY兩分力的作用，也就是在X和Y方向的兩簡(jiǎn)諧激振力的等效作用。

3.2 采摘機(jī)－核桃樹系統(tǒng)振動(dòng)特性的對(duì)比仿真分析

為了得到、突出和對(duì)比單軸單偏心激振裝置和雙軸對(duì)稱偏心激振裝置輸出不同形式的激振力對(duì)樹體的振動(dòng)特性的不同響應(yīng)，設(shè)定偏心激振力大小都為2 000 N，激振力作用于樹體的位置都為距地面1 000 mm，激振頻率都為0～60 Hz，對(duì)樹體進(jìn)行諧響應(yīng)分析［11］。

由3.1所述，雙軸對(duì)稱偏心激振裝置產(chǎn)生的振動(dòng)輸出是條直線上的簡(jiǎn)諧激振力。設(shè)激振力作用在X軸的方向，垂直于樹體表面，得到核桃樹體整體變形圖和頻率與振幅關(guān)系圖見圖4、5。

由3.1所述，單軸單偏心激振裝置產(chǎn)生的振動(dòng)輸出是圓周激振力，等效為作用在X和Y軸的兩簡(jiǎn)諧激振力，兩激振力相位相差90°，將兩力施加在垂直于樹體表面，得到樹的整體變形圖和頻率與振幅關(guān)系圖見圖6、7。

圖3 單／雙軸偏心激振裝置原理圖Figure 3 Single／Double Eccentric vibrating mechanism schematics

圖4 核桃樹體的整體變形圖Figure 4 Walnut tree’s overall deformation maps

圖5 頻率和振幅關(guān)系圖Figure 5 Figure frequency and amplitude

通過采摘機(jī)－核桃樹系統(tǒng)的虛擬仿真分析，動(dòng)畫仿真的結(jié)果顯示，單軸單偏心激振裝置產(chǎn)生的激振力使樹體作近似圓周的振動(dòng)，而雙軸對(duì)稱偏心激振裝置產(chǎn)生的激振力使樹體作沿著一條直線方向的來回振動(dòng)。這與3.1中激振裝置力的理論分析相吻合，同時(shí)由圖5、7可以得出在一定頻率下單軸比雙軸產(chǎn)生的激振力對(duì)樹的振幅影響更加的顯著，但隨著頻率的增加兩者相差不大。核桃采摘時(shí)的激振頻率一般取16～18 Hz［12，13］采摘效果最好，所以相比之下，單軸激振裝置比雙軸激振裝置理論上采摘效果更好。

圖6 核桃樹體的整體變形圖Figure 6 Walnut tree’s overall deformation maps

圖7 頻率和振幅關(guān)系圖Figure 7 Figure frequency and amplitude

4 采摘機(jī)－核桃樹系統(tǒng)的對(duì)比試驗(yàn)分析

4.1 設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)

分別對(duì)單軸單偏心激振裝置和雙軸對(duì)稱偏心激振裝置試制兩臺(tái)樣機(jī)，在陜西省商洛市商州區(qū)上河村的千畝核桃基地，選取有7年的樹齡，外形和主干直徑相差不大的核桃樹進(jìn)行實(shí)際采摘試驗(yàn)。試驗(yàn)在夾持高度120 cm、激振力400 kg、作用時(shí)間5 min的條件下，對(duì)單軸和雙軸的樣機(jī)分別選取5棵香玲品種的核桃樹進(jìn)行對(duì)比采摘試驗(yàn)。本試驗(yàn)以采摘率（式（2））為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表2可知，在夾持高度、激振力、作用時(shí)間都相同的條件下，單軸的平均采摘率為0.924，而雙軸的平均采摘率僅為0.422，結(jié)果顯示單軸單偏心激振裝置的采摘率明顯高于雙軸對(duì)稱偏心激振裝置的采摘率，這與上面的采摘機(jī)－核桃樹系統(tǒng)的理論仿真分析相吻合；同時(shí)在實(shí)際采摘操作中發(fā)現(xiàn)隨著夾持高度和作用時(shí)間的增加，采摘率在一定范圍內(nèi)有所上升，但最終趨向水平；隨著激振力的增加采摘率在不斷的上升，但從樹體的損傷來看，核桃樹表皮的損傷越大，同時(shí)樹體根部的振動(dòng)越大。所以實(shí)際在采摘過程中選用單軸單偏心激振機(jī)構(gòu)，一般對(duì)于有3～6年樹齡，用300 kg的激振力，有7～10年樹齡，用400 kg的激振力，夾持高度在120 cm左右，作用時(shí)間在5～7 min，采摘率可以達(dá)到90%，采摘效率約達(dá)到10棵／h，同時(shí)也能減少或避免對(duì)樹體的損傷。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Experimental design and results

5 總結(jié)

通過對(duì)目前新型矮化密植核桃林采摘環(huán)境分析，設(shè)計(jì)了一種新的便攜式核桃采摘機(jī)；運(yùn)用Pro／E和 Workbench的協(xié)同作用，對(duì)核桃樹體進(jìn)行建模和分析；采摘機(jī)－核桃樹系統(tǒng)在虛擬環(huán)境下單軸和雙軸偏心激振裝置產(chǎn)生的不同的激振力對(duì)樹體振動(dòng)特性的對(duì)比分析，得出兩種不同形式的激振力對(duì)樹體的振動(dòng)軌跡、振幅影響不同；同時(shí)通過實(shí)際的采摘對(duì)比試驗(yàn)，反映出在夾持高度、激振力、作用時(shí)間相同的條件下，單軸和雙軸對(duì)核桃采摘率的影響的大小關(guān)系，驗(yàn)證了采摘機(jī)－核桃樹系統(tǒng)仿真分析中單軸單偏心激振裝置比雙軸對(duì)稱偏心激振裝置對(duì)核桃樹的振動(dòng)特性影響更大的結(jié)果。

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