李建友，劉克銘

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

2014年中國(guó)專家把樹(shù)莓預(yù)測(cè)為第三代水果，認(rèn)為它有無(wú)限的發(fā)展前景和市場(chǎng)。樹(shù)莓果實(shí)柔軟多汁，香味濃郁，色澤宜人，是一種集食、補(bǔ)、藥于一體的珍貴水果。由于機(jī)械化的采集種植要求嚴(yán)格，目前我國(guó)的樹(shù)莓采集大多采取人工采摘方式。但是隨著樹(shù)莓種植產(chǎn)量逐年升高，而樹(shù)莓成熟果實(shí)鮮嫩多汁，摘果時(shí)間短，保鮮期短，鮮果不宜儲(chǔ)存，人工采摘速度慢，費(fèi)用高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)加工需要，制約樹(shù)莓產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步快速發(fā)展。

目前，國(guó)內(nèi)外振動(dòng)式采摘機(jī)普遍是利用往復(fù)式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)或者偏心回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的慣性力作用在果樹(shù)的樹(shù)干、樹(shù)枝或樹(shù)冠上，但是存在采摘效率低等問(wèn)題，如把往復(fù)式運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)復(fù)合到一起（即為復(fù)合式運(yùn)動(dòng)），效率會(huì)提高，本文對(duì)此展開(kāi)研究。

1 樹(shù)莓振動(dòng)采摘條件的建立

樹(shù)莓采摘機(jī)采摘原理如圖1所示，采摘機(jī)以一定的頻率拍打樹(shù)莓樹(shù)枝時(shí)，結(jié)有果實(shí)的樹(shù)莓樹(shù)枝發(fā)生受迫振動(dòng)，振動(dòng)輸出響應(yīng)f(z,t)為

式中fd(z,t)為樹(shù)莓樹(shù)枝受迫振動(dòng)輸出振動(dòng)響應(yīng)，fF(z,t)為樹(shù)莓樹(shù)枝受迫振動(dòng)輸出穩(wěn)態(tài)解。

結(jié)合式（1），得到樹(shù)莓果實(shí)所受的采摘慣性力

式中m0為樹(shù)莓果實(shí)質(zhì)量。

由于樹(shù)莓枝葉相互疊連存在阻尼，樹(shù)莓樹(shù)枝受迫振動(dòng)輸出瞬態(tài)解fd(z,t)將隨振動(dòng)時(shí)間的延續(xù)而逐漸減少直至趨于0，故忽略fd(z,t)的影響，主要研究樹(shù)莓樹(shù)枝受迫振動(dòng)輸出穩(wěn)態(tài)解fF(z,t)所形成的采摘慣性力F（FN）。

圖1 樹(shù)莓振動(dòng)采摘原理

在實(shí)際振動(dòng)過(guò)程中，樹(shù)莓受到采摘慣性力作用，當(dāng)采摘慣性力和其與果柄的結(jié)合力相等時(shí)被振落。設(shè)熟果實(shí)與樹(shù)枝結(jié)合力為F1，生果與樹(shù)枝結(jié)合力為F2，忽略瞬態(tài)振fd(z,t)的影響，考慮到采摘過(guò)程要保留生果，采摘熟果。得到實(shí)現(xiàn)樹(shù)莓振動(dòng)采摘條件是F1≤FF≤F2。查閱文獻(xiàn)得知[1]，熟果實(shí)與樹(shù)枝平均結(jié)合力F1約為0.47 N，生果與樹(shù)枝平均結(jié)合力F2約為4.26 N。

2 激振機(jī)構(gòu)

采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)為液壓馬達(dá)→激振機(jī)構(gòu)→齒輪箱→振動(dòng)棒，假設(shè)激振機(jī)構(gòu)為差動(dòng)輪系+偏心塊（圖2），本文所用的差動(dòng)輪系與汽車后驅(qū)動(dòng)橋上的差速器有所不同，這里的輸入軸為傳統(tǒng)差速器的輸出軸，行星輪上連接偏心塊。液壓馬達(dá)與軸1相連，軸1末端裝有錐齒輪2，行星輪3、4繞著錐齒輪2公轉(zhuǎn)，行星輪3、4與齒輪箱相連，帶動(dòng)齒輪箱進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，又因齒輪箱與振動(dòng)棒相連，振動(dòng)棒也隨著齒輪箱做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。行星輪3、4各連接有偏心塊5，兩個(gè)偏心塊旋轉(zhuǎn)方向相反。

圖2 激振機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

由于液壓馬達(dá)作間歇回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在馬達(dá)停歇期間，慣性與重力作用會(huì)使偏心塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)。旋轉(zhuǎn)時(shí)只產(chǎn)生縱向的激振力，橫向激振力被抵消[2]。

2.1 偏心塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常，激振器中偏心塊結(jié)構(gòu)有三種形式，分別為半圓式、過(guò)半圓式和少半圓式，每一種又分為不帶圓角型和帶圓角形。其中帶圓角型最大總變形和最大等效應(yīng)力要優(yōu)于不帶圓角型，現(xiàn)在基本上常用半圓式帶圓角型[2]。

偏心塊所產(chǎn)生的激振力可按下式進(jìn)行計(jì)算

式中F為激振力，kN；G為偏心塊質(zhì)量，kg；rp為偏心塊偏心距，m；ω為回轉(zhuǎn)軸角速度，rad/s；

根據(jù)式（3），激振力可從偏心塊的質(zhì)量和偏心塊的偏心距兩方面進(jìn)行調(diào)整。常用的調(diào)整方法有：（1）通過(guò)增減偏重片的數(shù)量來(lái)改變偏重塊的重量；（2）移動(dòng)兩側(cè)偏重塊相對(duì)于固定軸的位置，改變兩者之間的距離，從而改變整個(gè)偏重塊的偏心距[3]。

根據(jù)采摘機(jī)的特點(diǎn)，由于激振器有尺寸要求，偏心距調(diào)整范圍不大，可以不考慮，偏心塊材質(zhì)一般選用45#鋼，根據(jù)結(jié)構(gòu)的大小選取合適數(shù)量的偏重片。

3 激振機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 模型導(dǎo)入

本文研究的樹(shù)莓采摘機(jī)模型較復(fù)雜，不適合在ADAMS中直接建立動(dòng)力學(xué)模型，這里選擇SolidWorks三維建模軟件建立模型，進(jìn)行裝配，然后導(dǎo)入到ADAMS里，仿真模型如圖3所示。

圖3 分離機(jī)構(gòu)仿真模型

3.2 施加約束和驅(qū)動(dòng)

ADAMS提供了多種運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)方式，根據(jù)機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，選擇相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行添加，并施加合適的驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的動(dòng)作[4]。

接觸參數(shù)的值分別為：剛度系數(shù)為269 500N/mm，阻尼系數(shù)為50 N·s/mm，嵌入深度為0.01 mm，動(dòng)、靜摩擦因數(shù)分別為0.05、0.08，動(dòng)、靜阻力滑移速度分別為10 mm/s、0.1 mm/s[5]。

表1 仿真所需運(yùn)動(dòng)副

4 仿真結(jié)果分析

液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)偏心塊機(jī)構(gòu)工況下所得到的結(jié)果如圖4所示，當(dāng)工作時(shí)間區(qū)域內(nèi)振動(dòng)頻率較小時(shí)，可以提高轉(zhuǎn)速來(lái)獲得較高的頻率，隨著振動(dòng)頻率的增加，柔性振動(dòng)棒的加速度會(huì)隨之增加[6]，其作用在植株上的激振力必然增加，當(dāng)不考慮其他因素時(shí)，一定會(huì)有一個(gè)合適的轉(zhuǎn)速能達(dá)到采摘的要求，考慮到轉(zhuǎn)速越高對(duì)液壓元件的性能要求越高，穩(wěn)定性等問(wèn)題需要采用其他激振機(jī)構(gòu)解決。

圖4 激振力隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律圖

液壓馬達(dá)經(jīng)過(guò)差動(dòng)輪系驅(qū)動(dòng)采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)合式運(yùn)動(dòng)，當(dāng)液壓馬達(dá)角速度為135 rad/s時(shí)仿真結(jié)果如圖5所示。最大激振力達(dá)到0.83 N，可以達(dá)到采摘的要求，進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)與之前角速度達(dá)到180 rad/s時(shí)頻率和最大激振力差不多，速度降低，能耗減少，液壓馬達(dá)的工作強(qiáng)度也得到緩解，有利于延長(zhǎng)馬達(dá)的工作壽命。

圖5 激振力隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律圖

選用斜齒輪液壓馬達(dá)時(shí)，托架部分加裝一個(gè)彈簧，底部再加裝一個(gè)板簧，由于斜齒輪液壓馬達(dá)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的作用力使采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生上下運(yùn)動(dòng)，在縱向上就又多了一個(gè)激振力。在馬達(dá)角速度為135 rad/s時(shí)得到的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 加裝彈簧所產(chǎn)生的激振力

由圖6可見(jiàn)，振幅大大增加，最大激振力達(dá)到46.5 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所要的力，可以通過(guò)降低轉(zhuǎn)速達(dá)到采摘的要求，但是振動(dòng)頻率會(huì)下降?？梢蕴岣邫M向的振動(dòng)頻率，來(lái)彌補(bǔ)縱向的振動(dòng)頻率，使能耗得到進(jìn)一步降低。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）基于ADAMS的仿真結(jié)果比較了兩種激振機(jī)構(gòu)的工作性能，采用差動(dòng)輪系+偏心塊的復(fù)合式激振機(jī)構(gòu)的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的激振機(jī)構(gòu)，而且提高了零件的工作壽命，節(jié)省維護(hù)費(fèi)用，符合當(dāng)前節(jié)能、環(huán)保、綠色的發(fā)展大趨勢(shì)，符合提高機(jī)械效率的發(fā)展方向[7]。

（2）在此基礎(chǔ)上研究了復(fù)合式激振機(jī)構(gòu)所受到的影響因素，得到振幅和頻率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系、激振力與偏心塊之間的關(guān)系，為今后優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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