采摘机－核桃树系统的仿真与试验

刘梦飞 郑甲红 高 警

LIU Meng－fei ZHENG Jia－hong GAO Jing

（陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021）

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

中国是核桃生产大国，也曾是核桃出口大国，然而国内核桃采摘仍基本采用人工采摘方法［1］，用竹竿或长木杆敲击核桃所在的枝条或直接将其击落，劳动强度大、具有一定危险性、用工量多、效率低，且容易损伤枝条，成本高。国外的核桃采摘的机械化、标准化程度较高，通过大型拖拉机驱动液压激振装置进行振动采收，适用在平原，具有较大的工作空间的稀疏型庄园［2］。随着中国核桃产量的迅速增加和农村劳动力的减少，核桃产业对机械化、标准化的需求将越来越迫切，因此研制适应核桃产业化、规模化发展的相关机械是当务之急［3］。南京林业大学发明了一种偏心式林果振动采摘机，该机通过电控履带车驱动，采摘率高，但结构复杂，成本高，机动性能差，不适宜在丘陵山区作业［4］；新疆农垦科学院机械装备研究所引进并改进设计了意大利ERREP－PI公司生产的 VIBROLIV 干果采收机［5，6］，进行了红枣、沙枣采收试验和性能测试，采摘效果良好，但这种采收机适用于平原中树冠较大、树干直径较粗且操作空间较大的稀疏果园。本试验根据中国丘陵山区密植矮化核桃种植的特点，设计一种便携式核桃采摘机，通过运用Workbench建立采摘机－核桃树系统的仿真，并在核桃基地进行实际采摘试验。

1 采摘机总体结构设计与工作原理

针对目前密植矮化核桃林模式下采收作业空间小、机械化作业条件差的现状，设计了便携式振动采摘机，采用树干或枝干振摇的方式。核桃采摘机的总体结构如图1所示，整机主要由汽油机、联轴器、软轴、连接筒、激振器、支架、链轮、手柄、销轴、链条组成。采用汽油机相比拖拉机、履带车移动更加方便，适合密植核桃林的移动。汽油机的动力通过联轴器传至软轴，软轴又通过联轴器传至激振器的输入轴。其中激振器的下壳体和夹持装置固定在一起，将激振器的振动施加在树干或枝干上。

图1 核桃采摘机总体结构图Figure 1 Walnut picking machine overall structure

采摘工作时，将支架圆弧部分贴靠在树干或枝干，用链条绕着树干或枝干挂在支架的挂钩上，通过手柄带动链轮的转动来拉紧链条从而实现夹紧要求。支架和激振器是固定在一起的，工作时汽油机将动力由软轴传至激振器，激振器产生振动作用于核桃树树干或枝干，果枝在强迫振动下以一定的频率与振幅振动［7］，核桃在果枝的振动下获得加速度，加速运动的核桃产生惯性力，当惯性力大于果枝与核桃的结合力时，核桃与果梗分离，从而实现振动式采摘。采摘中可通过调节汽油机的油门来控制激振器中偏心轴的转速，从而控制激振器的频率。

2 核桃树的三维模型的建立和模态分析

2.1 核桃树的实体模型（Pro／E）

根据实际的测量，在Pro／E中建立核桃树的三维模型见图2。

图2 核桃树的三维实体模型Figure 2 3D solid model of the walnut tree

2.2 树体的模态分析（ANSYS workbench）

在Pro／E中建立与ANSYS Workbench的关联，直接就可将树体的三维模型导入到Workbench中并建立模态分析项目。设置树体的材料属性，包括密度、弹性模量和泊松比。设置网格质量属性后采用自动网格划分法，在树体的根部施加固定约束，获得树体的6阶模态响应，见表1。

从模态分析动画和固有频率表可以看出树体的固有频率和振型［8］，前两阶主要为主干枝振动，三、四阶主要是侧枝振动，其最大变形发生在侧枝的二级枝干上，五、六阶主要为主干枝振动。这对采摘机的激振频率的选择具有一定的指导参考价值，在设计激振力的激振频率时应当避开树体的固有频率［9］，从而减少或避免振动对树体的损伤。

表1 核桃树体的固有频率表Table 1 Walnut tree natural frequency table

3 采摘机－核桃树系统的仿真

3.1 激振装置力的模型

核桃采摘机的激振装置［10］主要有两种结构形式：双轴对称偏心激振装置和单轴单偏心激振装置。双轴对称偏心激振装置如图3（a）所示，当两轴作反方向等速回转时，两轴的偏心块的离心惯性力产生激振力。该激振力是两者在Y方向上叠加的合力，在X方向上两轴的激振力是相互抵消的。因此，双轴对称偏心激振装置产生的振动输出是一个直线上的，大小随偏心转角的变化而变化的简谐激振力。激振力计算公式见式（1）。

式中：

F—— 激振力，N；

m—— 质量块的质量，kg；

e——质量块的偏心半径，m。

单轴单偏心激振装置如图3（b）所示，当轴作等速回转时，偏心块的离心惯性力产生激振力。该激振力F在X方向和Y方向会分别产生一个分力，在一定的转速下，设惯性力F与X 轴方向的夹角为θ，则FY＝F sinθ，FY＝F cosθ＝F sin（90°－θ）。因此，单轴单偏心激振装置产生的振动输出是一个在圆周方向上大小不变，方向时刻变化的圆周激振力。在XOY平面内等效于FX和FY两分力的作用，也就是在X和Y方向的两简谐激振力的等效作用。

3.2 采摘机－核桃树系统振动特性的对比仿真分析

为了得到、突出和对比单轴单偏心激振装置和双轴对称偏心激振装置输出不同形式的激振力对树体的振动特性的不同响应，设定偏心激振力大小都为2 000 N，激振力作用于树体的位置都为距地面1 000 mm，激振频率都为0～60 Hz，对树体进行谐响应分析［11］。

由3.1所述，双轴对称偏心激振装置产生的振动输出是条直线上的简谐激振力。设激振力作用在X轴的方向，垂直于树体表面，得到核桃树体整体变形图和频率与振幅关系图见图4、5。

由3.1所述，单轴单偏心激振装置产生的振动输出是圆周激振力，等效为作用在X和Y轴的两简谐激振力，两激振力相位相差90°，将两力施加在垂直于树体表面，得到树的整体变形图和频率与振幅关系图见图6、7。

图3 单／双轴偏心激振装置原理图Figure 3 Single／Double Eccentric vibrating mechanism schematics

图4 核桃树体的整体变形图Figure 4 Walnut tree’s overall deformation maps

图5 频率和振幅关系图Figure 5 Figure frequency and amplitude

通过采摘机－核桃树系统的虚拟仿真分析，动画仿真的结果显示，单轴单偏心激振装置产生的激振力使树体作近似圆周的振动，而双轴对称偏心激振装置产生的激振力使树体作沿着一条直线方向的来回振动。这与3.1中激振装置力的理论分析相吻合，同时由图5、7可以得出在一定频率下单轴比双轴产生的激振力对树的振幅影响更加的显著，但随着频率的增加两者相差不大。核桃采摘时的激振频率一般取16～18 Hz［12，13］采摘效果最好，所以相比之下，单轴激振装置比双轴激振装置理论上采摘效果更好。

图6 核桃树体的整体变形图Figure 6 Walnut tree’s overall deformation maps

图7 频率和振幅关系图Figure 7 Figure frequency and amplitude

4 采摘机－核桃树系统的对比试验分析

4.1 设计对比试验

分别对单轴单偏心激振装置和双轴对称偏心激振装置试制两台样机，在陕西省商洛市商州区上河村的千亩核桃基地，选取有7年的树龄，外形和主干直径相差不大的核桃树进行实际采摘试验。试验在夹持高度120 cm、激振力400 kg、作用时间5 min的条件下，对单轴和双轴的样机分别选取5棵香玲品种的核桃树进行对比采摘试验。本试验以采摘率（式（2））为评价指标进行对比试验，试验设计及结果见表2。

4.2 试验结果分析

由表2可知，在夹持高度、激振力、作用时间都相同的条件下，单轴的平均采摘率为0.924，而双轴的平均采摘率仅为0.422，结果显示单轴单偏心激振装置的采摘率明显高于双轴对称偏心激振装置的采摘率，这与上面的采摘机－核桃树系统的理论仿真分析相吻合；同时在实际采摘操作中发现随着夹持高度和作用时间的增加，采摘率在一定范围内有所上升，但最终趋向水平；随着激振力的增加采摘率在不断的上升，但从树体的损伤来看，核桃树表皮的损伤越大，同时树体根部的振动越大。所以实际在采摘过程中选用单轴单偏心激振机构，一般对于有3～6年树龄，用300 kg的激振力，有7～10年树龄，用400 kg的激振力，夹持高度在120 cm左右，作用时间在5～7 min，采摘率可以达到90%，采摘效率约达到10棵／h，同时也能减少或避免对树体的损伤。

表2 试验设计及结果Table 2 Experimental design and results

5 总结

通过对目前新型矮化密植核桃林采摘环境分析，设计了一种新的便携式核桃采摘机；运用Pro／E和 Workbench的协同作用，对核桃树体进行建模和分析；采摘机－核桃树系统在虚拟环境下单轴和双轴偏心激振装置产生的不同的激振力对树体振动特性的对比分析，得出两种不同形式的激振力对树体的振动轨迹、振幅影响不同；同时通过实际的采摘对比试验，反映出在夹持高度、激振力、作用时间相同的条件下，单轴和双轴对核桃采摘率的影响的大小关系，验证了采摘机－核桃树系统仿真分析中单轴单偏心激振装置比双轴对称偏心激振装置对核桃树的振动特性影响更大的结果。

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