劉 斌

(浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315211)

0 引言

林果采收是我國農(nóng)副業(yè)水平發(fā)展的重要體現(xiàn)，具有季節(jié)性、勞動(dòng)強(qiáng)度大等特點(diǎn)。隨著我國林果種植業(yè)的不斷發(fā)展，用于采收的機(jī)械裝備智能化水平也在不斷提升。近年來，國內(nèi)外學(xué)者均致力于對(duì)林果采收機(jī)的優(yōu)化研究，相比較而言，國外較國內(nèi)技術(shù)更為先進(jìn)。目前，主要的林果采收機(jī)包括沙棘果、藍(lán)莓及核桃等采收設(shè)備。根據(jù)我國林果業(yè)種植特點(diǎn)，筆者以振動(dòng)學(xué)理論為前提，分析林果在振動(dòng)采摘過程的脫落原理，結(jié)合林果在振動(dòng)激勵(lì)下的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，通過有限元分析方法，針對(duì)常用的振動(dòng)式林果采收機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 工作原理及特點(diǎn)

林果采收機(jī)根據(jù)作用于林果上的力的形式不同，可以分為振動(dòng)式、氣吹式及搖擺式等。針對(duì)機(jī)械振動(dòng)式，主要構(gòu)成包括動(dòng)力源裝置、液壓控制裝置、力傳遞裝置及振動(dòng)執(zhí)行裝置等。工作原理：基于振動(dòng)學(xué)理論，給予林果采收機(jī)一定的激振力，在智能控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，通過力傳遞到達(dá)采摘的林果樹枝位置，通過不同頻率的激振，產(chǎn)生共振效果，最終達(dá)到林果從樹枝上脫落的目的。其中，需要配備具有林果位置識(shí)別的圖像成形技術(shù)、位置傳感裝置及靈敏的檢測裝置等，同時(shí)對(duì)林果的沖擊損傷及最佳激振頻率給予適時(shí)調(diào)節(jié)與控制，從而達(dá)到機(jī)構(gòu)緊湊靈活、采收性能優(yōu)良的目標(biāo)。

本設(shè)計(jì)的振動(dòng)式林果采收機(jī)的特點(diǎn)在于應(yīng)用較為廣泛，結(jié)構(gòu)間的設(shè)計(jì)組合比較適合我國林果業(yè)的種植采收間距，符合林果的結(jié)實(shí)分布，對(duì)于采凈率的提升和果實(shí)損失率的控制易于實(shí)現(xiàn)。表1為擬研究的振動(dòng)式林果采收機(jī)相關(guān)核心技術(shù)參數(shù)。

表1 振動(dòng)式林果采收機(jī)核心技術(shù)參數(shù)

振動(dòng)式林果采收機(jī)的機(jī)械化設(shè)計(jì)流程如圖1所示。通過對(duì)其適用的林果及所需性能進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，從而建立較為符合實(shí)際的林果采收核心模型，對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析、有限元分析并進(jìn)行激振采收試驗(yàn)，獲得相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，最終得出合理的機(jī)構(gòu)參數(shù)與采收配置。

圖1 振動(dòng)式林果采收機(jī)機(jī)械化設(shè)計(jì)流程圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 理論模型

當(dāng)林果在采收機(jī)的采摘裝置作用下產(chǎn)生預(yù)設(shè)強(qiáng)度的激振，其動(dòng)力學(xué)模型由動(dòng)能和勢能組成，因此通過簡化，建立理論模型為

(1)

(2)

(3)

式中T—林果受到激振產(chǎn)生的動(dòng)能(J)；

V—林果的勢能(J)；

L—拉格朗日函數(shù)(J)；

m—林果的質(zhì)量(kg)；

g—重力加速度；

l—林果離地長度(m)；

IC—林果的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2)；

k—等效彈性系數(shù)；

x0、y0—分別為采摘臂的位移(m)；

θ—采摘臂與林果的夾角(°)。

2.2 物理建模

根據(jù)該林果采收機(jī)的核心激振裝置的部件組成，利用三維繪圖軟件Pro/E對(duì)激振器的偏心塊、夾持機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)、鏈條及轉(zhuǎn)軸等進(jìn)行逐一建模，并組建成如圖2所示的林果采收機(jī)激振裝置三維模型，作為進(jìn)一步模態(tài)分析和理論計(jì)算的基礎(chǔ)。

圖2 林果采收機(jī)激振裝置三維模型圖

2.3 模態(tài)分析

利用Workbench進(jìn)行林果采收機(jī)的激振裝置模態(tài)分析，首先進(jìn)行尺寸準(zhǔn)確計(jì)算，導(dǎo)入模型，需注意簡化部位及產(chǎn)生振動(dòng)部位，靜、動(dòng)力學(xué)分析結(jié)合，設(shè)置相應(yīng)的彈性模量、泊松比機(jī)材料密度。部分模態(tài)響應(yīng)參數(shù)選擇及設(shè)置如圖3所示；通過正確網(wǎng)格劃分后進(jìn)入模態(tài)求解，林果采收機(jī)激振核心裝置4階模態(tài)振型如圖4所示。

圖3 模態(tài)響應(yīng)參數(shù)選擇及設(shè)置

從圖4中可知：在軸向方向變形主要體現(xiàn)在激振裝置2階和3階模態(tài)振型中，在徑向方向變形主要體現(xiàn)在激振裝置1階和4階模態(tài)振型中，且當(dāng)2階模態(tài)振型之后，該裝置的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過采收有效頻率和林果樹枝本身的振動(dòng)頻率，說明該裝置在進(jìn)行振動(dòng)采收作業(yè)過程中具有足夠的可靠度。

第1階模態(tài)振型 第2階模態(tài)振型

第3階模態(tài)振型 第4階模態(tài)振型

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

圖5為林果采收機(jī)振動(dòng)測試系統(tǒng)組成改進(jìn)簡圖。工作時(shí)，通過加速度傳感器對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)輸入，經(jīng)放大調(diào)節(jié)裝置傳遞至數(shù)據(jù)采集卡，之后進(jìn)入軟件控制系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)值分析與顯示，完成振動(dòng)信號(hào)的終端輸出。為更好地驗(yàn)證振動(dòng)采收效果，進(jìn)行簡易組裝對(duì)某林果進(jìn)行了振動(dòng)采收試驗(yàn)(見圖6)，這一試驗(yàn)過程在給定振動(dòng)頻率(15～25Hz)范圍內(nèi)進(jìn)行。

圖5 林果采收機(jī)振動(dòng)測試系統(tǒng)組成簡圖

圖6 林果采收機(jī)振動(dòng)采收試驗(yàn)

3.2 過程分析

振動(dòng)式林果采收機(jī)的控制系統(tǒng)在S7-200PLC控制的指令下，一方面對(duì)夾持裝置、激振裝置及限位報(bào)警進(jìn)行動(dòng)作輸出；另一方面通過RS232/RS485進(jìn)入嵌入式觸摸屏，將振動(dòng)頻率信息、采收林果參數(shù)信息等發(fā)布至監(jiān)控裝置主界面，形成有效的閉環(huán)。

表2為不同激振頻率下的林果采凈率與林果樹枝損傷率的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。由表2可知：當(dāng)給定的激振頻率在15～18Hz之間時(shí)，林果采收機(jī)的作業(yè)效率不能發(fā)揮出來，兩個(gè)衡量參數(shù)都較低；當(dāng)給定的激振頻率在19～20Hz之間時(shí)，林果采收機(jī)的作業(yè)效率可發(fā)揮到最佳，此時(shí)平均采凈率可達(dá)到88%以上，林果樹枝損傷率可控制在61%左右；當(dāng)給定的激振頻率為21Hz以上時(shí)，平均采凈率可達(dá)90%以上，但是林果樹枝損失率也隨之加大，不可取。

表2 不同激振頻率下的林果采凈率與林果損傷率

表3給出了此機(jī)械化試驗(yàn)的綜合采收效果對(duì)比。就關(guān)鍵衡量參數(shù)而言，理論模型計(jì)算與實(shí)地試驗(yàn)記錄參數(shù)值之間的誤差可控制在6%范圍內(nèi)，驗(yàn)證了振動(dòng)式林果采收機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的可行性。

表3 理論與試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)效果對(duì)比

4 結(jié)論

1)根據(jù)我國林果采收特點(diǎn)及采收機(jī)工作機(jī)理，建立了林果采收機(jī)激振裝置的三維物理模型，并進(jìn)行模態(tài)分析，證明在工作頻率范圍內(nèi)此采收機(jī)具有較高的可靠工作性能。

2)通過配備智能監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)振動(dòng)式林果采收機(jī)進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，改變不同激振頻率，得出振動(dòng)式采收機(jī)的最佳作業(yè)效率發(fā)揮范圍，此時(shí)激振頻率控制在19～20Hz，平均采凈率可達(dá)到88%以上，林果樹枝損傷率可控制在61%左右。

3)此振動(dòng)式林果采收機(jī)的理論模型與實(shí)地試驗(yàn)誤差控制在6%范圍內(nèi)，驗(yàn)證了此機(jī)械化試驗(yàn)的可行性，可為相似采收設(shè)備提供一定的優(yōu)化思路。