可變參數(shù)雙動力果秧分離裝置設(shè)計(jì)與仿真

郝朝會+楊學(xué)軍+周軍平+劉立晶+顏華+張志杉

摘要：針對加工番茄果秧振動分離裝置非可調(diào)，不能滿足番茄產(chǎn)量變化的需要，造成能耗的浪費(fèi)和不匹配，設(shè)計(jì)可變參數(shù)雙動力果秧分離裝置。對可變參數(shù)激振器進(jìn)行受力分析和設(shè)計(jì)，對滾筒主體進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)橡膠圈的夾板，使其易于安裝、可靠，并對阻尼減振器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、選型，最后利用SOLIDWORKS軟件進(jìn)行三維建模仿真?；贏DAMS軟件運(yùn)動仿真，結(jié)果表明：該可變參數(shù)果秧振動分離裝置運(yùn)行平穩(wěn)可靠，加速度曲線和位移曲線運(yùn)動規(guī)律，振動桿能夠產(chǎn)生一定振幅的振動，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠滿足番茄因產(chǎn)量變化節(jié)約能耗的要求。

關(guān)鍵詞：番茄收獲機(jī)；雙動力；果秧分離；振動式；激振器

中圖分類號：S225.92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0380-04

我國番茄種植主要集中在新疆維吾爾自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、甘肅省等地，每年的種植面積略有波動，但總體種植面積穩(wěn)定增長，隨著近年的發(fā)展，中國已成為全球第二大番茄生產(chǎn)國。番茄收獲期比較短而集中，人工采收成本高、效率低等問題凸顯，番茄機(jī)械化收獲很好地解決了這一矛盾。番茄的果秧振動分離是番茄機(jī)械化采收的重要環(huán)節(jié)之一，直接影響番茄的采收效果和效率。番茄果秧振動分離裝置是將番茄果實(shí)和番茄秧分離的裝置，通過兩個(gè)偏心輪產(chǎn)生交變的加速度，使得分離滾筒振動，番茄果實(shí)克服生物力和番茄秧分離，實(shí)現(xiàn)果秧分離的目的。石河子大學(xué)坎雜等對番茄果秧振動分離裝置進(jìn)行受力和運(yùn)動過程分析，設(shè)計(jì)出彈簧阻尼型振動滾筒分離裝置。石河子貴航農(nóng)機(jī)裝備有限責(zé)任公司和意大利CRF公司合作，成功研制出番茄收獲機(jī)，其果秧分離為振動滾筒式分離裝置。隨后，現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司也成功研制出帶振動滾筒分離裝置的番茄收獲機(jī)。但國產(chǎn)番茄收獲機(jī)還未在番茄收獲市場上取得成效，整機(jī)可靠性較進(jìn)口機(jī)器差，番茄收獲機(jī)的國產(chǎn)化還需要做更多的研究和改進(jìn)工作[1-3]。新疆地區(qū)番茄收獲機(jī)主要是進(jìn)口機(jī)器，番茄果秧振動分離裝置是非可調(diào)機(jī)構(gòu)，不能很好地滿足對于天氣等原因而引起的番茄產(chǎn)量變化的需要，造成能耗的浪費(fèi)或不匹配。為此，本研究在現(xiàn)有番茄果秧振動分離裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了可變參數(shù)的番茄果秧振動分離裝置，并進(jìn)行三維建模、干涉檢查以及仿真分析。

1 總體方案及設(shè)計(jì)原理

1.1 總體方案

可變參數(shù)番茄果秧振動分離裝置主要由可變參數(shù)激振器和可變參數(shù)滾筒，以及阻尼動力吸振器組成。可變參數(shù)激振器和可變參數(shù)滾筒通過螺栓固定在一起（圖1）。

1.2 設(shè)計(jì)原理

番茄果秧振動分離裝置動力從兩端輸入，激振器端動力輸入用于激振器工作產(chǎn)生一定頻率的振動，阻尼器端動力輸入用于果秧振動分離裝置的自轉(zhuǎn)。在工作過程中，被切割掉的番茄果秧由輸送柵格輸送到振動分離滾筒，隨著滾筒較慢速度的自轉(zhuǎn)，滾筒上的振動棒插在番茄果秧中間，同時(shí)振動棒由激振器產(chǎn)生一定頻率和振幅的變速周期振動，帶動果秧振動，從而使番茄果實(shí)和番茄秧分離，分離后的番茄果實(shí)落在振動滾筒下方的果實(shí)柵格鏈上，而番茄秧隨滾筒自轉(zhuǎn)拋甩到番茄秧輸送鏈上，完成番茄的果秧分離[4-6]。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 可變參數(shù)激振器設(shè)計(jì)

可變參數(shù)激振器主要由激振器支架、主軸套、可變質(zhì)量偏心輪、張緊輪、調(diào)節(jié)輪、主軸、激振器蓋板等組成（圖2）。

激振器在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，動力通過主軸帶動調(diào)節(jié)輪，調(diào)節(jié)輪通過同步帶傳遞到兩端的可變質(zhì)量偏心輪上，從而產(chǎn)生變速周期的振動，兩端可變質(zhì)量偏心輪的安裝是相對主軸對稱安裝，且質(zhì)量和轉(zhuǎn)速相同，受力分析見圖3[2，7-8]。

以激振器可變質(zhì)量偏心輪的兩個(gè)瞬時(shí)位置狀態(tài)分析受力情況（圖3），利用達(dá)朗貝爾原理，所受慣性力可分解為平行于兩偏心輪圓心連線的分力和垂直于兩偏心輪圓心連線的分力，受力分析不作詳述，對O1和O2坐標(biāo)系進(jìn)行受力分析：

在O1坐標(biāo)系中，平行于偏心輪圓心連線的分力Fa1和Fb1相互抵消，分力Fa2和Fb2產(chǎn)生逆時(shí)針運(yùn)動的趨勢；同理，在O2坐標(biāo)系中，平行于偏心輪圓心連線的分力Fc1和Fd1相互抵消，分力Fc2和Fd2產(chǎn)生順時(shí)針運(yùn)動的趨勢，如此交替變換產(chǎn)生變速振動。

2.1.1 可變質(zhì)量偏心輪設(shè)計(jì) 偏心輪的作用是產(chǎn)生變加速度，對于振動趨勢的大小起決定作用。由扭矩公式M=F×L可知，為使扭矩M變化，可變偏心輪質(zhì)量m和力臂L，考慮結(jié)構(gòu)緊湊性，設(shè)計(jì)改變偏心輪質(zhì)量m以改變扭矩M的大小。偏心輪主體為厚度40 mm的鋼板，和同步帶輪以及套筒軸焊合而成，同時(shí)配置外形相同厚度為10 mm的偏心塊，用螺栓固定在偏心輪主體上，以改變配重塊的數(shù)量來改變偏心輪質(zhì)量（圖4）。

2.1.2 調(diào)節(jié)輪設(shè)計(jì) 因同步帶輪存在加工誤差和安裝精度誤差，以及傳動帶的自身精度誤差等，設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)輪為兩部分組成，子口配合保證同心度，由6條螺栓固定在一起，設(shè)計(jì)長圓孔以便微調(diào)相位角達(dá)到微調(diào)兩端偏心輪相位角的目的，使兩端偏心輪相對于主軸對稱，避免因偏心輪不對稱而產(chǎn)生的沖擊和振動，對主軸造成損害，而使番茄果秧振動分離裝置失效（圖5）。

2.2 可變參數(shù)滾筒設(shè)計(jì)

可變參數(shù)滾筒由滾筒主體、橡膠夾緊圈、振動棒、夾板和側(cè)軸組成，主體法蘭盤和激振器支架上子口配合，通過螺栓固定在一起；右側(cè)側(cè)軸通過鍵聯(lián)接阻尼減振器（圖6）。

2.2.1 滾筒主體設(shè)計(jì) 現(xiàn)有的番茄機(jī)果秧振動分離滾筒軸向上振動棒間距是固定距離，考慮番茄品種的多樣性，本研究設(shè)計(jì)了1種可調(diào)滾筒軸向振動棒間距的滾筒主體，以滾筒軸向一圈振動棒組合體（以下稱振動圈）為單位，每相鄰2個(gè)振動圈交錯(cuò)一定相位角，每間隔1個(gè)振動圈的相位角相同，振動圈通過4條螺栓固定在圓周上焊接有小圓管的滾筒上，使振動圈和滾筒主體保持相對固定位置。以單組振動圈滾筒主體為研究對象，在從法蘭端到側(cè)軸段同一振動圈上用于固定的4個(gè)圓管中，逆時(shí)針方向相鄰2個(gè)圓管之間的夾角為86.4°，相鄰2個(gè)振動圈的相位角以4個(gè)固定圓管中的第一個(gè)圓管逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)50.4°夾角而確定（圖7-a）。本研究設(shè)計(jì)可調(diào)3種間距的滾筒主體，為避免圓管之間的干涉，2種可調(diào)振動圈間距的單組軸向剖視圖逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)14.2°（圖7-b）。圖7-c為滾筒圓周展開圖，從圖中可看出沒有干涉的圓管，但有9組是挨在一起的圓管（圖7-b）。

2.2.2 夾板設(shè)計(jì) 可調(diào)3種滾筒軸向振動圈間距的滾筒主體，夾板的設(shè)計(jì)要考慮安裝的可操作性和可靠性，鑒于滾筒主體結(jié)構(gòu)形式，夾板要從滾筒的側(cè)軸端套入，同時(shí)要和滾筒主體上焊接的圓管相位角對應(yīng)，夾板設(shè)計(jì)見圖8。

2.3 阻尼減振器設(shè)計(jì)

番茄果秧振動分離裝置在工作過程中，產(chǎn)生周期性變速振動，對側(cè)軸自轉(zhuǎn)端的沖擊比較大，為減少沖擊和振動帶來的損傷，同時(shí)使振動棒產(chǎn)生一定的振幅，設(shè)計(jì)了彈性阻尼減振器。為工作可靠性考慮，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n=400 r/min，偏心輪質(zhì)量m=50 kg，假設(shè)偏心塊克服重力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，則單個(gè)偏心輪旋轉(zhuǎn)的最大扭矩為：

將偏心輪導(dǎo)入Solidworks軟件，可得到質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸中心L=0.103 m，帶入得到M=50 kg×9.8 N/kg×0.103 m=5047 NM。則2個(gè)偏心輪的扭矩為：M激振器=2×M=2×50.47 NM=100.94 NM。對于自轉(zhuǎn)端轉(zhuǎn)速較小，取n=30 r/min，裝配完成導(dǎo)入Solidworks軟件中，得到m=335.4 kg，因滾筒裝配后是不規(guī)則的滾筒體，近似為r1=0.131 m，r2=0.166 m圓環(huán)柱體，由轉(zhuǎn)動慣量可知，I=m×（r22-r12）/2=1.74 kg·m2，經(jīng)理論推導(dǎo)，a最大瞬時(shí)值約為170 rad/s2，則M自轉(zhuǎn)=I×a=295.8 NM。最大瞬時(shí)扭矩為：M總=M激振器+M自轉(zhuǎn)=100.94 NM+295.8 NM=396.74 NM?？紤]阻尼減振器的可靠性與經(jīng)濟(jì)性，選用輪胎聯(lián)軸器UL6，具體參數(shù)見表1。

3 三維建模與仿真分析

3.1 三維建模

經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，二維出圖，并基于Solidworks軟件進(jìn)行三維建模、裝配、干涉檢查，可變參數(shù)果秧分離裝置模型見圖9。

3.2 仿真分析

將裝配好的番茄果秧振動分離裝置Solidworks建模導(dǎo)入ADAMS軟件，在偏心輪上和振動桿最外端設(shè)置MARKER點(diǎn)，添加好約束，設(shè)定y軸負(fù)方向?yàn)橹亓铀俣确较?，施加載荷添加驅(qū)動，當(dāng)激振器端主軸轉(zhuǎn)速n激振器=380 r/min，自轉(zhuǎn)端 n自轉(zhuǎn)=0 r/min 時(shí)進(jìn)行仿真得到z軸加速度曲線和位移曲線（圖10、圖11），可以看出偏心輪z軸加速度變化周期約為 0.1 s，曲線振幅平穩(wěn)規(guī)律；振動桿z軸位移來回?cái)[動幅度約為 28.5 mm，變化周期約為0.19 s，運(yùn)動較為規(guī)律，但振幅有些減小。

當(dāng)激振器端主軸轉(zhuǎn)速n激振器=380 r/min，自轉(zhuǎn)端n自轉(zhuǎn)=20 r/min 時(shí)進(jìn)行仿真得到振動桿z軸位移曲線，可以看出振動桿的運(yùn)動振幅及周期較為規(guī)律、平穩(wěn)，和實(shí)際運(yùn)動趨勢基本吻合（圖12）。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)1種可變參數(shù)的番茄果秧振動分離裝置，對可變參數(shù)激振器和可變參數(shù)滾筒進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。對可變參數(shù)果秧分離裝置進(jìn)行三維建模，干涉檢查，并進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示此裝置運(yùn)行平穩(wěn)正常，能夠滿足番茄的采收需求。但在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，滾筒的軸向振動圈間距調(diào)節(jié)較為困難，不能很好地滿足操作的簡便性，還需要進(jìn)一步研究，設(shè)計(jì)出易操作、可靠的機(jī)構(gòu)。

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