王景巍 王海濱 李志鵬 薛偉 曹國昕

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

振動式藍莓采摘機槽型凸輪傳動裝置的設計與分析1)

王景巍 王海濱 李志鵬 薛偉 曹國昕

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

為研制振動式藍莓采摘原理樣機，對藍莓采摘機的凸輪傳動裝置進行設計與分析，選擇凸輪結構類型及輪廓曲線種類，建立凸輪曲線方程。在MATLAB環(huán)境下，依據(jù)槽型凸輪設計參數(shù)對其進行運動學、動力學仿真分析，以此為基礎研制藍莓采摘原理樣機。并對槽型凸輪傳動裝置運行卡點問題進行研究，提出解決方法：將凸輪滾子雙邊倒角，并使其能夠繞軸轉(zhuǎn)動。經(jīng)測試，修整后的采摘裝置運行平穩(wěn)，滿足振動式藍莓采摘機設計要求。

振動式藍莓采摘機；槽型凸輪傳動裝置；輪廓曲線；運動仿真分析；運行卡點

The design and analysis of the cam drive device of blueberry picker were carried out including selecting the type of cam structure and contour curve and establishing the cam curve equation to develop the vibration blueberry picking principle prototype. The blueberry picking principle prototype was developed based on kinematics and dynamics simulation analysis of the design parameters of the grooved cam in the MATLAB environment. It was experimentally studied that NC machining of grooved cam and key problems of operating dead point for picking device. The solutions was proposed that the cam roller was arranged bilateral chamfering to make it rotate around the axis. After testing, the improved picking device worked smoothly and met the design requirements of vibrating blueberry picker.

有“水果之王”美譽的藍莓果實以其保健作用、經(jīng)濟價值和市場價值得到人們的普遍認可。我國的藍莓機械化采收尚處于起步階段，東北農(nóng)業(yè)大學孔德剛等人研制了小型便攜式背負氣吸藍莓采摘機，哈爾濱商業(yè)大學楊綺云等人對藍莓振動采摘進行虛擬仿真研究[1-3]。國外對藍莓果實采收的研究已有50多年歷史，以美國為代表的藍莓振動采摘技術最為先進，自從1959年H. McKibben發(fā)表第一篇關于藍莓采摘技術專利的文章開始，相關學者和科研人員便針對藍莓采摘技術展開相關研究并進行產(chǎn)業(yè)化推廣。截至目前，美國主要有3家公司研究藍莓采摘收獲機，形成了Korvan、Littau和BEI 3種各具特色的品牌，其中BEI技術最先進[4-5]。在藍莓采摘過程中，振動采摘是最主要的機械化采收方式。振動采摘可實現(xiàn)高效、安全采摘，高效采摘比人工采摘效率提高10～20倍，而安全采摘則要求摘掉熟果、保留生果和樹葉，并保護植株不受損壞。高效、安全采摘需要通過優(yōu)化采摘機工作參數(shù)、結構參數(shù)來實現(xiàn)。東北林業(yè)大學課題組經(jīng)多年研究，建立了藍莓植株生長形態(tài)模型、振動系統(tǒng)模型，運用非線性振動理論分析采摘時變力場對藍莓植株數(shù)學模型的振動響應，研究振動的疊加、多激勵之間的相互影響和能量的傳遞與消耗等對振動采摘力的影響等振動采摘機理[6-8]，研制出GYL062型振動式藍莓采摘機。

GYL062型振動式藍莓采摘機激振關鍵部件為凸輪傳動機構，采用凸輪傳動機構驅(qū)動雙搖桿機構進行作業(yè)，采摘機構末端執(zhí)行元件(指排)的運動取決于凸輪的運動特征。為能更好地實現(xiàn)預定動作，實現(xiàn)輸出激振力頻率、振幅等關鍵參數(shù)的最優(yōu)值范圍，采摘裝置凸輪曲線的設計非常重要。

1 藍莓采摘機工作原理

圖1所示為GYL062型藍莓采摘機工作原理圖。該采摘機主體采用龍門式結構，作業(yè)方式為“騎壟式”作業(yè)。在進行采摘作業(yè)時，采摘機2行駛穿過藍莓種植園的藍莓植株1，當采摘機2經(jīng)過藍莓植株1時，采摘機的采摘裝置末端執(zhí)行機構——指排3進行往復運動，拍打藍莓植株，形成復雜的振動運動，擊落成熟的藍莓果實，實現(xiàn)藍莓的機械化采摘。

a.采摘機行走路徑圖 b.采摘機采摘原理圖

1.藍莓植株；2.藍莓采摘機；3.指排。

圖1藍莓采摘機工作原理圖

如圖1所示，當采摘機指排作用于藍莓植株時，藍莓植株受到周期激振力作用做受迫振動。受迫振動周期為采摘機指排的運動周期(T)，由周期函數(shù)傅立葉展開定理得到，藍莓植株受迫振動可表示為n階正弦振動相疊加的形式，第i階正弦振動可表示為

fi(t)=Aisin(ωit+φi)。

(1)

式中：Ai為第i階正弦振動幅值(m)；φi為第i階正弦振動初始相位(rad)；ωi為第i階正弦振動頻率(Hz)；ωi=2iπ/T(i=1,2,…,n)。

由式(1)可以得到：

(2)

結合牛頓第二定律進行分析，藍莓植株上藍莓果實所受到的第i階采摘激振力(Fi)為

(3)

式中：m為藍莓果實質(zhì)量(kg)。

分析公式(3)可知，采摘激振力頻率越高，受迫振動周期(T)越小，振幅(Ai)越大，藍莓果實所受的采摘激振力(Fi)越大。當采摘激振力大于藍莓果實與藍莓植株結合力時，能夠?qū)崿F(xiàn)藍莓采摘。也就是說，實現(xiàn)藍莓果實采摘的關鍵，是合理地控制采摘激振力頻率和藍莓振動幅值。分析藍莓振動采摘原理可以看出，合理的采摘激振力頻率，可通過調(diào)整采摘裝置驅(qū)動元件轉(zhuǎn)速實現(xiàn)；藍莓植株振動幅值，可通過合理地設計采摘系統(tǒng)傳動裝置得到。

2 藍莓采摘機傳動裝置與機械結構

2.1 采摘裝置工作原理

由上述分析得知，采摘系統(tǒng)傳動裝置的結構決定了藍莓植株振動幅值，進而決定采摘激振力的大小。圖2所示為采摘裝置工作原理，凸輪1、推桿2、搖桿3組成槽型凸輪傳動機構，搖桿3、連桿4、搖桿5組成雙搖桿機構。在采摘機工作時，動力原件驅(qū)動凸輪傳動機構，凸輪傳動機構通過雙搖桿機構帶動指排工作，拍打擊落樹枝上的藍莓果實。

1.凸輪；2.推桿；3.搖桿；4.連桿；5.搖桿。

2.2 采摘裝置機械結構

圖3為GYL062型藍莓采摘機采摘裝置結構。在采摘機龍門型框架1上安裝動力原件2、行走部3、調(diào)速器4等部件。在進行采摘機作業(yè)時，動力原件2的運動經(jīng)調(diào)速器4驅(qū)動槽型凸輪5，凸輪滾子6在凸輪槽內(nèi)滑動，推動推桿7帶動滾動軸承8做往復直線運動；滾動軸承8在連桿10的槽內(nèi)滑動，帶動連桿10和左側指排11往復擺動，左側指排11在擺動過程中通過搖桿9驅(qū)動右側指排12擺動；兩側指排擺動幅度相同，擺角相位差約180°，相位相反。當藍莓植株經(jīng)龍門型框架內(nèi)部時，在兩側指排的差動擺動作用下持續(xù)振動，擊落植株上成熟的果實，實現(xiàn)藍莓機械采摘。

1. 龍門型框架；2. 行走部；3. 柴油機；4. 調(diào)速器；5. 槽型凸輪；6. 凸輪滾子；7. 推桿；8. 滾動軸承；9. 搖桿 10. 連桿；11. 左側指排；12. 右側指排。

圖3藍莓采摘機采摘裝置機械結構

3 藍莓采摘機槽型凸輪傳動裝置輪廓曲線的設計與仿真

3.1 槽型凸輪傳動裝置輪廓曲線設計

在采摘機工作過程中，采摘裝置的動作特征取決于槽型凸輪機構的運動特征。槽型凸輪傳動裝置是采摘系統(tǒng)的核心部件，凸輪外廓曲線直接影響著采摘機采摘振動效果[9-12]。為減少凸輪傳動沖擊，選擇余弦曲線作為凸輪運動曲線[13-17]；由于采摘機兩側指排往復運動拍打藍莓植株，需雙向傳遞運動和動力，故采用槽型凸輪作為采摘裝置傳動原件；為了減小摩擦損耗，提高凸輪副的耐磨性與使用壽命，槽型凸輪傳動裝置從動件末端采用滾子作為從動件。根據(jù)以上分析，由分段函數(shù)性質(zhì)和凸輪從動件余弦運動規(guī)律得到槽型凸輪傳動裝置運動曲線方程為

(4)

式(4)兩側分別對時間(t)求一階導數(shù)，得到槽型凸輪傳動裝置運動速度方程

(5)

式(5)兩側分別對時間(t)求一階導數(shù)，得到凸輪運動加速度方程

(6)

3.2 槽型凸輪傳動裝置設計參數(shù)與運動曲線仿真

根據(jù)采摘裝置的設計要求，確定槽型凸輪傳動裝置設計參數(shù)：凸輪偏心距離(e)為0，基圓半徑(r0)為30 mm，行程(h)為36 mm，推程運動角(δ1)為150°，回程運動角(δ2)為150°，近休止角(δ02)為30°，遠休止角(δ01)為30°。

依據(jù)凸輪設計參數(shù)，采用MATLAB軟件對槽型凸輪傳動裝置運動曲線進行編程，仿真分析槽型凸輪傳動特性，得到槽型凸輪位移、速度、加速度曲線，如圖4—圖6所示?？梢钥闯觯坌屯馆唫鲃友b置運動曲線為余弦曲線，符合設計要求；凸輪速度曲線為周期性三角函數(shù)曲線，速度均勻變化，傳動裝置工作運行平穩(wěn)，無沖擊；凸輪加速度曲線呈周期性變化，在某些時刻凸輪從動件加速度變化較劇烈，使得采摘裝置的末端執(zhí)行機構——指排拍打藍莓植株時能實現(xiàn)周期性的振動沖擊。采摘裝置工作時，雙側指排差動運動，一側激勵產(chǎn)生的振動未平息，另一側產(chǎn)生的振動又起，形成時變振動力場，作用于藍莓植株并產(chǎn)生復雜的振動運動，擊落藍莓果實，實現(xiàn)藍莓采摘。

圖4 槽型凸輪位移曲線

圖5 槽型凸輪速度曲線

圖6 槽型凸輪加速度曲線

4 藍莓采摘機研制與槽型凸輪傳動裝置運行

4.1 振采摘機研制

課題組在研究分析藍莓植株形態(tài)結構、振動能耗分析基礎上，根據(jù)國內(nèi)引進種植藍莓植株生長形態(tài)和種植規(guī)范，設計了藍莓采摘機[18-22]。對采摘裝置關鍵部件進行運動學分析，優(yōu)化設計了槽型凸輪傳動裝置運動曲線，對槽型凸輪傳動裝置、采摘機行走部和龍門型框架等進行結構設計，并對動力元件、減速器、調(diào)速器等進行選型，制作了藍莓采摘機樣機。圖7所示為自行研制開發(fā)的GYL062型藍莓采摘試驗樣機。

4.2 采摘機槽型凸輪傳動裝置運行

在樣機試驗過程中發(fā)現(xiàn)：樣機的槽型凸輪傳動裝置在地勢平坦的路面運行阻力小，運行平穩(wěn)，可以正常運轉(zhuǎn)；而在土壤上運行時槽型凸輪滾子經(jīng)常被卡死，卡死部位為凸輪的近休止角與升程的交接點處。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因如下：因土壤凹凸不平，采摘車運行于土壤之上行走時會對盤形凸輪等運動部件產(chǎn)生振動顛簸，使采摘車的門型框架結構發(fā)生變形，造成滾子傾斜，而卡在壓力角最大點處使系統(tǒng)無法運轉(zhuǎn)。經(jīng)分析提出以下兩套解決方案：

①改變車體結構支撐形式，重新焊接以提高采摘機的整體剛度。

②對采摘機的滾子結構加以修改，使其順利地通過死點。

第一套方案可從根本上解決滾子傾斜問題，因采摘機為開式龍門型框架結構，提高剛度造成整機質(zhì)量大、運轉(zhuǎn)不靈活；為減輕采摘機質(zhì)量，簡化機械結構采用第二套方案，改變了滾子的自身結構，對圓柱套1雙邊倒角作為凸輪滾子，同時改變軸2的結構使圓柱套能夠繞軸轉(zhuǎn)動，防止采摘機運行于田地間由于土壤凹凸不平及采摘車動態(tài)運行穩(wěn)定性差造成滾子傾斜卡死，使槽型凸輪桿順利地實現(xiàn)直線運動，圖8所示為調(diào)整后槽型凸輪滾子結構。經(jīng)測試，槽型凸輪傳動裝置運行平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)藍莓機械振動采摘要求。

圖7 藍莓采摘樣機

1.圓柱套；2.軸。

5 結論

分析了振動式藍莓采摘機采摘振動機理，對采摘機槽型凸輪傳動裝置進行設計分析。建立槽型凸輪傳動裝置運動曲線方程，通過MATLAB編程仿真分析槽型凸輪傳動裝置運動曲線對采摘機傳動裝置、采摘系統(tǒng)的影響，得到當槽型凸輪傳動裝置運動曲線為余弦曲線時，傳動裝置工作平穩(wěn)、無沖擊。在此條件下的凸輪加速度曲線變化較劇烈，進而使指排產(chǎn)生周期性振動沖擊，作用于藍莓植株，振落藍莓果實，達到預期設計要求。

研制振動式藍莓采摘原理樣機，分析槽型凸輪傳動裝置運行穩(wěn)定性，通過方案對比，提出解決槽型凸輪傳動裝置運行卡點實施方案。通過車削加工凸輪滾子倒角使其能夠繞軸轉(zhuǎn)動將運行卡點問題得以解決。經(jīng)測試，改進后的振動式藍莓采摘原理樣機槽型凸輪傳動裝置運行平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)藍莓機械振動采摘要求。

[1] 方仲相,胡君艷,江波,等.藍莓研究進展[J].浙江農(nóng)林大學學報,2013,30(4):599-606.

[2] 楊夫臣,秦仲麒,李先明,等.高叢藍莓和兔眼藍莓在湖北的引種試驗[J].中國南方果樹,2015,44(1):59-62.

[3] 郭尚德.北方高寒地區(qū)藍莓栽培技術[J].農(nóng)村實用科技信息,2014(11):8-12.

[4] 李文俊.安慶地區(qū)藍莓種植技術初探[J].南方農(nóng)業(yè),2014,8(30):38-40.

[5] 吳同斌,李麗輝,吳睿,等.藍莓盆栽技術研究初報[J].湖南農(nóng)業(yè)科學,2014(23):22-23.

[6] 李志鵬,王茜,楊鳳英.藍莓采摘車車架剛度有限元分析及彎曲扭轉(zhuǎn)剛度試驗[J].森林工程,2013,29(6):82-85.

[7] 王海濱,郭艷玲,鮑玉冬,等.振動式藍莓采摘的機理分析與仿真[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2013,29(12):40-46.

[8] 李志鵬,郭艷玲,王海濱.藍莓植株中心定位與運行軌跡的研究[J].森林工程,2013,29(5):70-72.

[9] 夏田,徐玲,司建星,等.反求工程在弧面凸輪中的應用[J].機械設計與制造,2014(1):113-114，117.

[10] 韓冰源,貝紹軼,趙景波,等.林業(yè)機械中通用小型汽油機排放控制及效果分析[J].東北林業(yè)大學學報,2014,42(8):145-147.

[11] 葉秉良,李麗,俞高紅,等.蔬菜缽苗移栽機取苗臂凸輪機構的設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(8):21-29.

[12] 李星瑞,石林榕,趙武云,等.全膜雙壟溝播直插式玉米播種裝置雙面凸輪的設計[J].湖南農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版),2015,41(1):94-98.

[13] 魏占國,劉晉浩.基于SolidWorks與有限元理論聯(lián)合采伐機機械臂的設計方法[J].東北林業(yè)大學學報,2010,38(8):111-114.

[14] 巨剛,袁亮,劉小月.凸輪機構高次多項式運動規(guī)律曲線研究及仿真分析[J].機械設計與制造,2015(5):107-109，114.

[15] 李啟光,韓秋實,彭寶營,等.凸輪廓形誤差力位融合預測與補償控制研究[J].機械設計與制造,2014(8):264-267.

[16] 劉長海,姜民政,唐立強,等.30CrNiMo8鋼的低周疲勞試驗[J].東北林業(yè)大學學報,2001,29(4):49-50.

[17] 吳昊,董希斌.山地自行升降式采種機的研制[J].東北林業(yè)大學學報,2011,39(8):120-123，128.

[18] 李志鵬,趙德金,郭艷玲.基于Matlab藍莓樹枝軸向有阻尼自由振動仿真研究[J].森林工程,2013,29(4):53-55，73.

[19] 花軍,王宏棣,雷明,等.基于偏心壓輥機械應力分等法的規(guī)格材彈性模量檢測[J].東北林業(yè)大學學報,2015,43(12):74-77.

[20] 楊春梅,郭明慧,馬巖,等.步行割灌機行走部分結構設計與研究[J].森林工程,2016,32(5):48-54.

[21] 何培莊,朱海,郭艷玲,等.基于ADAMS的藍莓采摘機構的仿真分析[J].現(xiàn)代科學儀器,2012(2):36-39.

[22] 宋文龍,楊鑫,賈鶴鳴.采摘機械臂的滑模PID控制[J].森林工程,2013,29(2):74-76，134.

DesignandAnalysisofGroovedCamTransmissionDeviceofVibratingBlueberryPickingMachine

//Wang Jingwei, Wang Haibin, Li Zhipeng, Xue Wei, Cao Guoxin

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)

Vibrating blueberry picking machine; Grooved cam transmission mechanism; Contour curve; Kinematics simulation analysis; Operating dead point

TH16；S225.93

王景巍，男，1994年12月生。東北林業(yè)大學工程技術學院，本科生。E-mail：981790814@qq.com。

王海濱，東北林業(yè)大學工程技術學院，副教授。E-mail：whbhit@126.com。

2017年1月11日。

責任編輯：戴芳天。

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(10)：88-93.