基于ADAMS的藍(lán)莓采摘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真*

史 亮，范久臣，喬 晗

(北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林吉林 132021)

0 引言

近年來(lái)藍(lán)莓的保健作用和經(jīng)濟(jì)、藥用價(jià)值越來(lái)越得到人們的重視，被稱(chēng)為“世界水果之王”［1］。各個(gè)地區(qū)藍(lán)莓的種植面積越來(lái)越大，但由于中國(guó)藍(lán)莓收獲主要依靠人工采摘，采摘費(fèi)用約占藍(lán)莓生產(chǎn)總成本的50% ～70%［2］。為降低成本，國(guó)內(nèi)先后提出的藍(lán)莓采摘機(jī)(如某手推式采摘機(jī)對(duì)果實(shí)損壞率達(dá)10%，采摘率不足85%)，其采摘機(jī)構(gòu)大多數(shù)是不能保證有穩(wěn)定的采摘慣性力，在采摘成熟果實(shí)的同時(shí)，會(huì)混入生果，不利于采摘，筆者設(shè)計(jì)了一種抖動(dòng)式藍(lán)莓采摘機(jī)構(gòu)，可提高藍(lán)莓采摘效率和收獲過(guò)程的自動(dòng)化水平。

1 采摘機(jī)構(gòu)工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

藍(lán)莓采摘機(jī)主要包括采摘機(jī)構(gòu)、采摘機(jī)外殼、驅(qū)動(dòng)帶輪等如圖1所示。

圖1 藍(lán)莓采摘機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

采摘機(jī)構(gòu)是核心部件。采摘機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)帶輪與外殼相連，依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)帶輪帶動(dòng)采摘棒。安裝的采摘棒將機(jī)械振動(dòng)傳遞給果樹(shù)，成熟的果實(shí)在接受了外加的強(qiáng)迫振動(dòng)后與樹(shù)枝分離［3］，果實(shí)落入輸送帶送入收集箱內(nèi)，完成對(duì)藍(lán)莓的采摘。

1.2 振動(dòng)采摘理論分析

采摘機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，中心軸與殼體相連，殼體中有兩根帶有偏心塊的短軸。帶有偏心塊的軸隨中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，偏心塊的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了一對(duì)等大反向的平衡力偶，等效成轉(zhuǎn)矩作用在采摘機(jī)構(gòu)上。偏心塊旋轉(zhuǎn)一周完成一個(gè)采摘周期，藍(lán)莓灌木叢受到采摘棒的受迫振動(dòng)，使得成熟藍(lán)莓果實(shí)脫落。

圖2 采摘機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

植株樹(shù)枝受到采摘棒的振動(dòng)沖擊對(duì)果實(shí)形成的采摘慣性力為Fc。假設(shè)成熟果實(shí)與樹(shù)枝結(jié)合力為Fa，生果與樹(shù)枝結(jié)合力為Fb，考慮到采摘過(guò)程保留生果，采摘熟果［4］。得到采摘慣性力滿足條件:

以結(jié)有果實(shí)的藍(lán)莓植株作為研究對(duì)象，求解采摘力與偏心塊轉(zhuǎn)速之間的響應(yīng)關(guān)系。偏心塊產(chǎn)生的離心力F為:

式中:rc=4r1/3π為偏心質(zhì)量塊的質(zhì)心，r1為偏心塊的半徑。ω為偏心塊轉(zhuǎn)速，M=ρlπr12/2偏心塊的質(zhì)量。等效后整個(gè)偏心機(jī)構(gòu)獲得的周期性轉(zhuǎn)矩T為:

式中:R為兩個(gè)短軸到中心主軸的距離。

式中:J為采摘機(jī)構(gòu)相對(duì)于中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，K為等效后的模型阻尼，B為等效后的剛度。采摘部分力學(xué)模型簡(jiǎn)化圖如圖3所示。

采摘機(jī)構(gòu)相對(duì)于中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，殼體相對(duì)于中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jb，采摘桿相對(duì)于中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr，偏心軸相對(duì)于中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js，即:

圖3 采摘部分力學(xué)模型圖

在采摘過(guò)程中，由于Js做周期性的變化，從而使得整個(gè)采摘裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J也呈現(xiàn)周期性變化，應(yīng)用上述的微分方程求解比較困難，因而通過(guò)軟件進(jìn)行仿真分析，以確立合理的組合參數(shù)。

2 模型建立及仿真分析

2.1 采摘機(jī)構(gòu)模型建立

CATIA中建立藍(lán)莓采摘機(jī)構(gòu)零件模型，完成無(wú)干涉裝配，并將裝配好的機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入ADAMS中。由于ADAMS中所使用MNF格式的柔性體文件，須借助有限元軟件來(lái)完成［5］。通過(guò)ANSYS把采摘棒柔性化處理后，導(dǎo)入ADMAS中，替換藍(lán)莓采摘機(jī)構(gòu)模型中的剛性采摘棒。創(chuàng)建約束、定義接觸、設(shè)定驅(qū)動(dòng)，得到藍(lán)莓采摘機(jī)的剛?cè)狁詈夏Ｐ腿鐖D4所示。

2.2 測(cè)量點(diǎn)的設(shè)置

藍(lán)莓在慣性力下會(huì)與樹(shù)枝分離，筆者以樹(shù)枝上采樣點(diǎn)的加速度作為測(cè)量對(duì)象，以此衡量藍(lán)莓能否與樹(shù)枝分離。在青果時(shí)，平均結(jié)合力約為3 N，當(dāng)果實(shí)達(dá)到八成熟時(shí)，結(jié)合力為 0.5 ～1 N［6－7］。在樹(shù)枝上取點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，仿真的采摘參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4 采摘機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

表1 采摘對(duì)象參數(shù)表

2.3 采摘機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)選

根據(jù)采摘機(jī)構(gòu)的仿真結(jié)果，找出對(duì)落果效率影響最大的參數(shù)，進(jìn)而確定合理的組合參數(shù)。本機(jī)構(gòu)主要參數(shù)有偏心塊轉(zhuǎn)速和偏心塊的半徑?？疾炱膲K轉(zhuǎn)速過(guò)程中，保持其他參數(shù)不變，進(jìn)行仿真分析。如圖5(a)～(d)分別對(duì)應(yīng)中心塊轉(zhuǎn)速為100 r/min、200 r/min、300 r/min、400 r/min測(cè)量點(diǎn)的加速度曲線。

由仿真結(jié)果可看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，測(cè)量點(diǎn)加速度呈現(xiàn)周期性變化，有效幅值有所增加，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到400 r/min以后，加速度的有效幅值變得不穩(wěn)定，采摘慣性力不易控制，不利于采摘機(jī)的正常工作，因此將偏心塊的轉(zhuǎn)速定為300 r/min。

確定了轉(zhuǎn)速后，對(duì)不同偏心塊的半徑進(jìn)行分析，保證落果質(zhì)量。以4 mm為間隔，定義4組的半徑分別為20 mm ，24 mm，28 mm ，32 mm的偏心塊，進(jìn)行4組仿真分析實(shí)驗(yàn)，如圖6(a)～(d)為仿真分析結(jié)果，圖6(c)為偏心塊半徑為28 mm的測(cè)量點(diǎn)加速度曲線，明顯的看出在每個(gè)周期內(nèi)的最大幅值位于－80000～－100000 mm/s2之間，有效落果率達(dá)到90%左右，提高了采摘效率。

圖5 偏心軸不同轉(zhuǎn)速下測(cè)量點(diǎn)的加速度曲線

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)采摘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與原理分析，建立采摘機(jī)構(gòu)CAD模型。結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了從采摘到裝箱的一體化，節(jié)省了采摘時(shí)間，節(jié)約采摘成本。

(2)通過(guò)對(duì)采摘振動(dòng)過(guò)程進(jìn)行理論分析，得出采摘過(guò)程的基本要求。使用ADAMS對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立剛?cè)狁詈夏Ｐ?，?duì)不同偏心塊轉(zhuǎn)速與偏心塊半徑進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果，確立了在一定范圍內(nèi)落果率隨偏心塊轉(zhuǎn)速的增加而提高，轉(zhuǎn)速為300 r/min和偏心塊半徑為28 mm時(shí)，能夠保證穩(wěn)定的采摘慣性力，達(dá)到合理的采摘效果。為今后我國(guó)藍(lán)莓采摘機(jī)構(gòu)的研究提供理論依據(jù)。

圖6 不同偏心塊半徑的測(cè)量點(diǎn)的加速度曲線

［1］ 陸 巖，王樹(shù)進(jìn).藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及開(kāi)發(fā)前景［J］.農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與裝備，2010，11(5):12－15.

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