紅棗收獲機激振裝置激振頻率優化與試驗

丁 凱，張炳成，刁雪洋，張慧明，付 威，坎 雜

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.農業部西北農業裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000)

0 引言

紅棗在我國有著3 000年多栽植歷史，品種豐富多樣，其栽植面積和產量均占世界99.9%[1]。紅棗含有大量的維生素和人體必需的多種氨基酸，具有補氣養血、健脾養胃等多種作用，藥用價值和營養價值極高[2-3]。棗樹抗旱耐鹽堿，對環境適應性強，大面積栽植能防風固沙，有利于改善生態環境[4]。截止2015年，新疆紅棗栽植面積已突破53.3萬hm2[5]，因采收主要以人工為主，嚴重制約了新疆紅棗產業的快速發展，為保證新疆紅棗產業健康有序的發展，應大力推廣機械化作業。

目前，林果收獲機械主要以振動采收為主，影響收獲機械作業效果的參數有激振頻率、振幅和激振位置等[6-9]。Polat等人采用不同的激振頻率和幅度對開心果進行機械化采收試驗，結果表明：當激振頻率為20Hz、振幅為50mm時，機器收獲的果實分離率可以達到95.5%[10]。Fábio L. Santos等人使用電磁振動機在實驗室內對咖啡果實振動收獲進行試驗，結果得出激振頻率為26.67Hz、振幅為7.5mm時收獲效率較高[11]。王業成等人對黑加侖采收率進行試驗研究，結果顯示：激振頻率為945～1 135r/min、振幅25～33mm、激振位置0.60(果枝長度與采收機夾持果枝位置距離地面的高度比值)時黑加侖采收率可達95%以上。杜小強等人設計了一種振幅可連續調節的單向拽振式林果采收機構，對山核桃試驗結果表明：曲柄轉速為7r/min、振搖曲柄轉動頻率在5～14Hz范圍內連續變化時，平均采收率為63.9%。王長勤等人設計了一種偏心式林果振動采收機對核桃進行采收實驗，結果顯示：激振頻率控制在19～20Hz時，平均采凈率約達89.5%～92.6%。

石河子大學機械電氣工程學院自主研制了一種矮化密植紅棗收獲機，采用機械強迫振動。為提高激振器振動采收效果，通過建立振動動力學模型、ADAMS運動學仿真及田間試驗等，對激振裝置的激振頻率進行優化，為紅棗收獲機激振頻率設定提供理論依據和技術支持。

1 激振裝置結構及工作原理

1.1 激振裝置結構組成

激振裝置主要由軸承座、主曲軸、曲柄、連桿、直線軸承、激振圓盤，以及撥桿組成的曲柄連桿機構組成，如圖1所示。

軸承座和直線軸承固定于紅棗收獲機機架；主曲軸端部與鏈式聯軸器連接有液壓馬達驅動主軸轉動；連桿靠直線軸承提供導向做直線往復運動；連桿端部與激振圓盤用深溝球軸承連接，激振圓盤可自由回轉。

1.軸承座 2.主曲軸 3.曲柄 4.連桿 5.直線軸承 6.激振圓盤 7.撥桿

1.2 工作原理

工作時，紅棗收獲機液壓系統為液壓馬達轉動提供驅動力，通過曲柄連桿機構推動激振圓盤做往復直線運動，圓盤在運動過程中產生慣性力，擊打樹枝，使樹枝產生受迫振動，當紅棗振動所受慣性力大于棗柄連接力時，紅棗振落。作業過程中，激振圓盤和撥桿與棗樹枝接觸時可自由回轉，在一定程度上降低了對棗樹的損傷。

2 激振裝置動力學模型建立與求解

2.1 模型建立

作業過程中，激振裝置和棗樹振動系統模型如圖2所示[7,12]。系統可簡化為等行程質量—彈簧—阻尼器往復運動，建立模型假設條件如下：①忽略振動裝置的振動阻尼；②激振裝置和棗樹枝接觸為剛性接觸；③棗樹力學特性用等效彈性系數和阻尼系數表示。

圖2 激振裝置—棗樹動力學模型

圖2中，M1為激振裝置質量(kg)；M2為振動過程中棗樹與激振圓盤接觸位置棗樹枝的等效質量(kg)；l為連桿長度(m)；r為曲柄長度(m)；ω為曲柄轉動角頻率(rad/s)；c為棗樹枝等效阻尼系數(N·s/m)；k為棗樹枝等效彈性系數(N/m)；x為x軸方向棗樹枝偏移平衡位置的位移(m)。

以激振裝置曲柄轉動中心點o為原點、棗樹水平位移x為橫坐標建立振動系統坐標系，系統受力分析如下：

激振裝置慣性力為

(1)

棗樹枝慣性力為

(2)

阻尼力為

(3)

彈性力為

fkx=kx

(4)

根據達朗貝爾原理，振動系統每一瞬間，以上式(1)～式(4)合力為0，即

(5)

整理式(5)可得系統振動微分方程為

(6)

式中M1—激振裝置質量(kg)；

M2—振動過程中棗樹與激振圓盤接觸位置棗樹枝的等效質量(kg)；

l—連桿長度(m)；

r—曲柄長度(m)；

ω—曲柄轉動角頻率(rad/s)，其中φ=ωt，lsinθ=rsinφ；

c—棗樹枝等效阻尼系數(N·s/m);

k—棗樹枝等效彈性系數(N/m)；

x—x軸方向棗樹枝偏移平衡位置的位移(m)；

F1—激振裝置在x軸方向的慣性力(N)；

F2—振動過程中棗樹與激振圓盤接觸位置的棗樹枝在x軸方向的慣性力(N)；

fcx—系統在x軸方向的阻尼力(N)；

fkx—系統在x軸方向的彈性力(N)。

2.2 分析求解

方程(6)為二階常系數非齊次微分方程，其解由方程(6)的齊次方程通解和非齊次方程的特解組成。求解過程從簡，求得最終結果為

(7)

式(7)為棗樹紅棗運動規律方程，系統穩態響應為

(8)

根據式(8)可求得棗樹紅棗加速度為

(9)

M—M=M1+M2(kg)；

A—樹枝在x方向的振幅(m)；

α、β1、β2—相位角(rad)。

則棗樹紅棗所受慣性力為

(10)

式中m—單個紅棗質量(kg)；

忽略系統中棗樹枝等效阻尼力(c=0)，測得單個駿棗平均質量m=0.015kg；根據對激振裝置設計參數選擇，選取曲柄長度r=120mm，連桿長度l=465mm；激振裝置質量M1=12.5kg，矮化密植紅棗樹(樹高1 500～2 000mm)高度1 200mm處樹枝樣本等效質量M2估算為0.5 kg[13]，則M=M1+M2=13kg；棗樹枝橫截面直徑為30mm處的彈性系數k取395N[14]；紅棗擊落所需最大慣性力F=6N[15]。將以上數據帶入式(10)可求得曲柄轉動角頻率為2.7rad/s，則主曲軸轉速為25.8r/min，激振圓盤激振頻率為16.9 Hz。

3 激振裝置運動學仿真分析

3.1 建立激振裝置模型并導入ADAMS

為分析激振裝置在主曲軸轉速為2.7rad/s時機構運動情況，通過ADAMS對激振裝置機構運動規律進行運動學分析。首先,在SolidWorks中建立激振裝置三維模型，將零件模型簡化并在裝配圖中進行相應的約束配合，另存為*.x_t文件保存在文件目錄下，導入Adams/View模塊中進行仿真分析，根據激振裝置實際運動情況，添加各構件之間運動約束，如表1所示[16]。

表1 構件間運動約束

將模型導入ADAMS，設定模型相關構件的材質：軸承座為鑄鐵材料，選用cast_iron材質；主曲軸、曲柄及連桿選用steel材質；激振圓盤由Q235、尼龍棒(撥桿)、橡膠等材料組成，選擇Geometry and Density將其密度設定為2.1597E-006kg/mm3[17]，設置完成后ADAMS環境中模型如圖3所示[18]。

3.2 模型運動仿真及分析

主曲軸運動所需的驅動加載于轉動副JOINT_4，旋轉副的角頻率設置為2.7rad/s，仿真時間設置為5s，步長設置為0.1并開始仿真，激振圓盤在Y軸方向運動速度、加速度及位移對應時間關系仿真結果如圖4所示。

圖3 ADAMS環境下的模型圖

假設激振圓盤平衡位置為Y軸原點，此時激振圓盤振幅為零。根據圖4顯示：當激振圓盤在Y軸方向到達最大位移點時，速度在該點附近為零，加速度達到最大值；周期運動的激振圓盤經過平衡位置前后速度變化曲線斜率不同，從平衡位置至Y軸正方向往復運動的半個周期內速度變化曲線斜率較大；加速度周期變化曲線約在仿真開始后0.4s內趨于穩定，激振圓盤離開平衡位置向Y軸負方向運動的半周期內加速度曲線出現波峰與波谷，其原因與ADAMS仿真環境下模型主曲軸、曲柄、連桿之間添加轉動副約束、裝置機構運動有關。根據速度曲線分析、加速度曲線顯示分析可知：激振圓盤在經過平衡位置向Y軸正方向運動的半周期內加速度大于Y軸負方向運動的加速度。根據實際作業環境可知：激振圓盤在振動棗樹過程中能獲得更大的慣性力。裝置機構在整個運動過程中，激振圓盤速度、加速度及位移曲線平滑無折線，表明該機構運動較平穩、無劇烈振動現象，激振裝置機構運動滿足要求。

圖4 Y軸方向速度、加速度及位移對應時間關系圖

4 田間試驗

為檢驗自走式矮化密植紅棗收獲機優化后激振裝置工作性能和作業效果，2017年11月2日，在新疆生產建設兵團第一師十一團對收獲期的棗園進行試驗，圖5為田間試驗情況。

試驗棗樹品種為駿棗，種植行距3 000mm，平均株距1 200mm，棗樹平均高度2 000mm。選取紅棗收獲機行走方向長度為20m的單行作為試驗區域，紅棗行距4m適合收獲機通過。隨機選擇5個試驗區域作為試驗測試點，并清理區域內自然掉落的紅棗。紅棗收獲機行走速度為1.80～1.85km/h，激振裝置驅動液壓馬達轉速25.0～26.5r/min，即激振頻率為16.5～17.4Hz，開始試驗測試。收獲機作業完成后，收集試驗區域內掉落在地的紅棗、棗樹枝上未采摘的紅棗和收獲機集果箱內的紅棗并稱重，根據式(11)測得激振裝置作業過程中紅棗采凈率，即

(11)

式中S—激振裝置作業過程中采凈率(%)；

m1—試驗區域內掉落在地上紅棗質量(kg)；

m2—收獲機集果箱內的紅棗質量(kg)；

m3—棗樹枝上未采摘的紅棗質量(kg)。

收集收獲機集果箱內的紅棗，挑選出作業過程中紅棗表面被損傷的紅棗，并稱取質量，根據式(12)得激振裝置作業時紅棗表面的損傷率，即

(12)

式中N—激振裝置作業過程中紅棗損傷率(%)；

m4—集果箱內紅棗表面被損傷的紅棗質量(kg)。

本次試驗共重復5次，試驗結果如表2所示。

圖5 田間試驗

表2 試驗結果

試驗結果表明：紅棗收獲機激振裝置作業過程中紅棗采凈率大于90%，紅棗損傷率小于8%，裝置在工作過程中可靠性較高，各項性能均滿足要求。

5 結論

1)為優化紅棗收獲機激振裝置振動頻率，通過建立激振裝置與棗樹振動系統動力學模型，求得激振裝置曲柄轉動角頻率為2.7rad/s，主曲軸轉速為25.8r/min，激振圓盤激振頻率為16.9Hz。

2)分析曲柄角頻率為2.7rad/s時的激振裝置機構運動規律，在SolidWorks軟件中建立裝置模型并導入ADAMS中進行機構運動學分析，分析結果顯示：該機構運動較平穩、無劇烈振動現象，激振裝置機構運動滿足要求。

3)為檢驗紅棗收獲機激振裝置工作性能和作業效果，通過調節液壓馬達轉速將主曲軸轉速設定為25.0～26.5r/min，即激振頻率為16.5～17.4Hz，結果表明：紅棗采凈率大于90%，紅棗損傷率小于8%，裝置作業過程中各項性能均滿足要求。