柔性梳刷式枸杞采收機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模仿真分析

姜彥武 韓長杰 郭俊先 馬俊貴

摘要 設(shè)計(jì)了一種以柔性回轉(zhuǎn)梳刷式采收為工作原理的騎跨式枸杞采收機(jī)械，該機(jī)械主要由采摘裝置、收集裝置、傳動結(jié)構(gòu)、行走裝置、機(jī)架等部分組成，理論上可一次性實(shí)現(xiàn)枸杞的摘落、低損收集、清選等功能。運(yùn)用SolidWorks 2022軟件完成了三維建模，Ansys Workbench 2022軟件對核心構(gòu)件——梳刷組件進(jìn)行了有限元仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明機(jī)架的最大應(yīng)力為58.79 MPa，小于材料的最大強(qiáng)度極限，最大應(yīng)變量約0.000 3 mm，滿足材料強(qiáng)度要求。自由模態(tài)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，前3階模態(tài)固有頻率幾乎為0，表現(xiàn)為剛體模態(tài)，從第4階開始表現(xiàn)為彈性模態(tài)，前10階模態(tài)的頻率呈逐漸升高的趨勢，且最高頻率約9.470 0 Hz，與機(jī)器頻率相差較大，驗(yàn)證了整機(jī)結(jié)構(gòu)方案和選材設(shè)計(jì)的合理性。該采收機(jī)械的設(shè)計(jì)可為后期進(jìn)一步研究低損傷枸杞機(jī)械化采收提供參考。

關(guān)鍵詞 枸杞；采收；三維建模；有限元分析

中圖分類號 S 225? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）12-0192-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.12.040

Structure Design and Modeling Simulation Analysis of Flexible Brush Type Wolfberry Harvesting Machinery

JIANG Yan-wu1，2，3， HAN Chang-jie1，3，GUO Jun-xian1，3 et al

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University，Urumqi，Xinjiang? 830052；2.College of Mechanical and Electronic Engineering，Northwest A＆F University， Yangling， Shaanxi 712100;3.Xinjiang Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment，Urumqi， Xinjiang? 830052）

Abstract A kind of riding straddle type wolfberry harvesting machinery with flexible rotary comb brush harvest as the working principle was designed， which was composed of picking device， collection device， transmission structure， walking device， frame and other parts.Theoretically， it can? implement picking wolfberry， low-loss collection， cleaning and other functions at once. SolidWorks software 2022 was used to complete the 3D modeling，and Ansys Workbench 2022 software was used to conduct the finite element simulation experiment on the core component brush component.The results showed that the maximum strain of the frame was 58.79 MPa， which was smaller than the yield strength limit of the materials.And the maximum strain variable was 0.000 3 mm， which could meet the strength requirements of the materials.The free mode analysis results showed that the inherent frequency of the first 3 modes was almost zero， which was manifested as rigid body mode.Starting from the fourth mode， it was manifested as elastic mode.The frequency of the first 10 modes gradually increased， and the highest value was about 9.470 0 Hz， which was quite different from the machine frequency， which verified the rationality of the structure scheme and material selection design of the whole machine.The design of the harvester could provide references for further study of low-damage mechanized harvesting of wolfberry.

Key words Wolfberry;Harvesting;Three-dimensional modeling;Finite element analysis

基金項(xiàng)目 新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2022D01B29）；新疆維吾爾自治區(qū)科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目（XHXM2021058）。

作者簡介 姜彥武（1989—），男，甘肅定西人，副教授，在讀博士，從事林果智能化采收與果園智能作業(yè)裝備。

收稿日期 2023-07-11

枸杞兼具生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、文化與健康產(chǎn)業(yè)等功能，對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、農(nóng)民增收及鄉(xiāng)村振興發(fā)展具有重要意義［1］。近年來，在市場需求和地方政府產(chǎn)業(yè)政策扶持的帶動下，全國枸杞種植規(guī)模逐步擴(kuò)大。2020年，我國枸杞產(chǎn)量為44.12萬t，同比增長10.2%。我國枸杞年產(chǎn)量占全世界枸杞總產(chǎn)量的95%以上，不僅滿足了國內(nèi)市場需求，而且能滿足日益增長的國際市場需求［2］。枸杞屬于無限花序漿果類果實(shí)，在采收成熟果實(shí)的過程中極易捏爛，采摘時要輕采、輕拿、輕放，同時要保護(hù)好未成熟的果實(shí)、花、葉和枝干，且不能影響成熟果實(shí)的品質(zhì)，因此采收難度大，對采收人員的專業(yè)要求較高。枸杞收獲環(huán)節(jié)基本是人工采收，缺乏機(jī)械化采收機(jī)械。枸杞采摘季節(jié)性強(qiáng)，勞動力需求大，目前采摘已經(jīng)成為枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重大瓶頸。高額的成本不僅會制約枸杞產(chǎn)業(yè)的增效，而且會影響枸杞產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?、集約化發(fā)展，嚴(yán)重制約了枸杞產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［3］。

近年來，國內(nèi)眾多學(xué)者針對枸杞機(jī)械化采收開展了多方面的研究。陳軍等［4］融合振動和梳刷原理，設(shè)計(jì)了一種便攜振刷式枸杞采收機(jī)；徐麗明等［5］采用梳刷、振動相結(jié)合的采收方式，設(shè)計(jì)了一種梳刷振動式枸杞收獲裝置；梅松等［6］研制了基于往復(fù)振動方法的枸杞低損采收裝備；萬芳新等［7］研制了能夠一次性完成枸杞果實(shí)采摘、輸送、清選、收集工作的自走式枸杞振動采摘機(jī)?，F(xiàn)階段研制出的手持式和自走式枸杞采收機(jī)工作效率高，損傷率和誤采率也較高，但目前還沒有任何一種機(jī)型得到全面推廣應(yīng)用。枸杞采收機(jī)械化的相關(guān)問題仍需要深入研究。筆者結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種柔性梳刷式枸杞采收裝置，完成了三維虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，利用有限元軟件對關(guān)鍵構(gòu)件梳刷組件進(jìn)行了仿真試驗(yàn)分析，并對整機(jī)原理設(shè)計(jì)和選材合理性進(jìn)行了理論驗(yàn)證，以期為枸杞采收機(jī)械化提供一定的借鑒。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 新疆枸杞種植情況

新疆枸杞主要種植地區(qū)——精河縣2022年枸杞種植面積達(dá)0.67萬hm2。枸杞種植業(yè)已成為精河縣最具特色的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，年產(chǎn)值約6億元，枸杞產(chǎn)業(yè)收入占農(nóng)牧民純收入的21%。當(dāng)?shù)罔坭绞痉短镗`行“良種良法，良種先行”的發(fā)展理念，主栽品種精杞1號、精杞2號、精杞4號、精杞5號、新疆黑枸杞5個枸杞自主品種，采用高產(chǎn)栽培模式，株行距為1 m×3 m，種植密度4 995株/hm2，統(tǒng)一種植、統(tǒng)一品種、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一銷售，大力推廣枸杞新品種、高效節(jié)水滴灌、機(jī)械化栽培、生物防控等技術(shù)［8］。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

設(shè)計(jì)的柔性梳刷式枸杞采收機(jī)是由發(fā)動機(jī)提供動力，主體結(jié)構(gòu)由采摘機(jī)構(gòu)、收集裝置、行走機(jī)構(gòu)、傳動裝置、轉(zhuǎn)向操控裝置等組成（圖1），能完成枸杞的采摘、收集作業(yè)。采摘機(jī)構(gòu)是該機(jī)的核心部件，位于整機(jī)中間位置，發(fā)動機(jī)通過鏈傳動方式將動力傳遞給凸輪，凸輪作用于梳刷桿使其進(jìn)行上下振動，機(jī)器行進(jìn)過程中枸杞枝條與梳刷元件之間產(chǎn)生相互作用，梳刷元件回轉(zhuǎn)與凸輪作用梳刷桿軸的上下振動聯(lián)合作用，達(dá)到柔性采摘枸杞的目的。收集裝置位于梳刷桿下方，由第一收集板和第二收集板組成，收集板通過與車架連接的彈簧使落在收集板的枸杞向后運(yùn)動，落入兩側(cè)收集箱中，收集板可進(jìn)行軸向運(yùn)動，保證枸杞進(jìn)入采收區(qū)域時其莖稈不受損傷。第一、二收集板材質(zhì)選用柔性橡膠，保證枸杞落到收集板后盡可能減少摔落損傷。轉(zhuǎn)向操控裝置由轉(zhuǎn)向操控桿、轉(zhuǎn)向桿組成，需人工輔助實(shí)現(xiàn)方向位置變換。工作時采摘機(jī)構(gòu)騎跨于枸杞叢縱向行駛，枸杞進(jìn)入采摘機(jī)構(gòu)會帶動梳刷桿形成上下往復(fù)配合、梳齒間隔分布的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，進(jìn)而將成熟枸杞梳刷振落于收集板上，收集板與機(jī)架經(jīng)彈簧固接形成傾斜角度，便于適應(yīng)枸杞主桿粗細(xì)度以及枸杞掉落的緩沖收集，最終枸杞下落到兩側(cè)收集箱中，完成采收。

1.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

柔性梳刷式枸杞采收機(jī)的主要性能參數(shù)如下：配套動力 35 kW，作業(yè)速度3～5 km/h，作業(yè)寬度1 500 mm，騎跨高度1 700 mm，長、寬、高分別為3 303、2 799和2 209 mm。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)分析

2.1 采摘裝置

采摘裝置是枸杞采收機(jī)械的核心部件。主體部件由梳刷軸、梳刷齒、軸承、梳刷組件穩(wěn)固座、彈簧和梳刷固定盤組成。間隔等距分布的柔性梳刷齒由直徑5 mm，高分別為608、460 mm的圓柱形長條組成，呈圓周排列在外徑72 mm、厚5 mm的梳刷齒固定盤上，梳刷齒固定盤橫向均勻分布在梳刷軸上。梳刷齒選用柔性高彈性軟橡膠材質(zhì)，保證工作時不會損傷枸杞，達(dá)到柔性梳刷的目的。梳刷軸通過螺栓連接的方式固定在車架上。每個梳刷固定盤內(nèi)部安裝軸承，保證采摘裝置在碰到樹枝后能產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，從而將樹枝產(chǎn)生的阻力化解，實(shí)現(xiàn)連續(xù)采收。梳刷組件穩(wěn)固座安裝在車架上，內(nèi)部裝有彈簧，保證梳刷軸上下振動時有一定的緩沖力。采收裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

此外，在梳刷組件軸體的頂端，機(jī)體分別設(shè)有第一凸輪和第二凸輪，軸體頂端設(shè)計(jì)有頂板，與凸輪相接觸，形成梳刷組件動力的傳遞。應(yīng)用達(dá)朗伯原理，把動態(tài)構(gòu)件化為順時靜態(tài)構(gòu)件分析是力學(xué)中的常用方法［9］。動力傳輸凸輪振動的動力學(xué)模型如圖3所示。圖中：m為梳刷軸的等效質(zhì)量，k2為推桿剛度，k3為壓縮彈簧剛度；考慮到構(gòu)建彈性，推桿位移y≠yc，y為推桿的實(shí)際位移，yc為凸輪輪廓線產(chǎn)生的位移。

2.2 收集裝置

收集裝置為枸杞采收的核心部件之一，共2排，收集板傾角按照30°相對放置。收集板設(shè)計(jì)長度為712 mm，總寬560 mm。收集板均包括第一板體。第二板體和彈性件。第二板體相對于第一板體可擺動；彈性件的一端與機(jī)架相連，彈性件的另一端與第二板體相連，具有一定的回彈特性。枸杞經(jīng)梳刷原件作用落到收集板上，之后滑入兩側(cè)收集箱中。收集板材料選用柔性橡膠板，橡膠耐磨、耐寒、彈性大，在自身作用力解除后能很快恢復(fù)原來的形狀，并能最大限度地減少對枸杞外觀的損壞。收集裝置三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 弧形防護(hù)罩

在機(jī)組行進(jìn)過程中，采收梳刷組件會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動梳刷。為了保障安全以及減少枸杞枝條的晃動，故在機(jī)體兩側(cè)設(shè)計(jì)弧形防護(hù)罩，弧形板分別與機(jī)架相連，設(shè)置在梳刷組件的外側(cè)，機(jī)體兩側(cè)的弧形防護(hù)罩相對端面敞開?；⌒畏雷o(hù)罩結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.4 收集箱

對于自走式枸杞采收裝置，其收集箱的設(shè)計(jì)位置要經(jīng)過綜合考慮。按照放置位置的不同，分成2種：一是收集裝置與采收裝置呈上下式結(jié)構(gòu)，將收集箱放在機(jī)體板上面，用傳送裝置將掉落到地上的枸杞輸送到上方收集箱中；二是將收集箱置于收集板兩側(cè)，使振落下來的枸杞在收集板作用下掉落到收集箱中。為了機(jī)器的便捷使用，采用第2種設(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)思路選用一體式結(jié)構(gòu)，由收集箱和抽屜兩部分組成。機(jī)體梳刷組件下端位置對稱布置收集裝置，分為第一收集箱和第二收集箱，在機(jī)架寬度方向上間隔布置，收集箱上端均敞開，便于接收枸杞果實(shí)。收集箱示意圖如圖6所示。

2.5 動力裝置

動力裝置包括動力源、變速箱、第一驅(qū)動軸和第二驅(qū)動軸，動力源與機(jī)架相連，動力源輸送軸與變速箱輸入軸相連，第一驅(qū)動軸通過第一鏈條與變速箱輸出軸相連，第二驅(qū)動軸通過第二鏈條與變速箱輸出軸相連。第一驅(qū)動軸用于帶動第一梳刷軸和第二梳刷軸在機(jī)架高度方向上移動，第二驅(qū)動軸帶動行走輪轉(zhuǎn)動。

通過查閱文獻(xiàn)等方式，對枸杞采收機(jī)的使用情況進(jìn)行了解。枸杞采收機(jī)的動力源由柴油發(fā)動機(jī)提供，因此該柔性梳刷式枸杞采收機(jī)選擇ZH4102D系列柴油機(jī)，最大輸出功率為36 kW，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，能夠滿足枸杞采收機(jī)的工作要求。柴油發(fā)動機(jī)主要參數(shù)如下：

汽油機(jī)型號為恒通-ZH4102，汽油機(jī)形式為四沖程，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定轉(zhuǎn)矩2 285 N/mm，功率36 kW，油箱容積6 L。

3 三維模型構(gòu)建

根據(jù)前文主要部件設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵參數(shù)分析，運(yùn)用SolidWorks 2022軟件對枸杞采摘機(jī)械進(jìn)行了虛擬樣機(jī)三維模型的構(gòu)建，如圖7所示。建模結(jié)果表明，各機(jī)構(gòu)裝置關(guān)鍵參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，各構(gòu)件之間未產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

4 梳刷元件的有限元仿真試驗(yàn)

該設(shè)計(jì)中柔性梳刷組件是核心部件，其強(qiáng)度必須符合設(shè)計(jì)要求。梳刷軸采用Q235結(jié)構(gòu)鋼，運(yùn)用Ansys Workbench 2022軟件對梳刷組件進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性及可靠性。

4.1 靜力學(xué)仿真

對梳刷組件的模型簡化后對梳刷軸體進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析［10］，前處理中的分析類型選擇，材料加載，約束、載荷及接觸以及后處理中的求解，得到位移云圖，如圖8所示。靜力學(xué)仿真結(jié)果表明：最大應(yīng)力約58.79 MPa，最大應(yīng)變量約0.000 3 mm，產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變位置均在軸體固定梳刷元件軸承的卡槽位置，與預(yù)估位置相符合，產(chǎn)生的應(yīng)力值小于結(jié)構(gòu)鋼的最大屈服極限，能滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 模態(tài)分析

動力學(xué)分析的目的是尋求結(jié)構(gòu)的振動特性（固有頻率和主振型），以更好地利用或者減少振動；分析結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特性，以計(jì)算結(jié)構(gòu)振動時的動力響應(yīng)和動力位移的大小。模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動特性（固有頻率和振型），是其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，其作用是使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振，或以特定頻率進(jìn)行振動，通過模態(tài)分析可以認(rèn)識到結(jié)構(gòu)對不同動力載荷的響應(yīng)特性［11-12］。

針對梳刷組件模型進(jìn)行自由模態(tài)分析，得到固有頻率和振型，分析結(jié)果只與其材料本身特性有關(guān)，與所受外力無關(guān)，結(jié)果更具普遍性［13］。梳刷組件自由模態(tài)分析不需要施加任何載荷和約束，因其結(jié)構(gòu)容易受到低階振動的影響，所以基于Ansys Workbench 2022軟件對機(jī)架前10階固有頻率進(jìn)行求解，分析結(jié)果如表1所示。

通過對梳刷組件進(jìn)行自由模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，前3階模態(tài)固有頻率幾乎為0，表現(xiàn)為剛體模態(tài)；從第4階開始表現(xiàn)為彈性態(tài)。前10階模態(tài)的頻率呈逐漸升高的趨勢，最高約9.470 0 Hz。固有頻率隨著模態(tài)階數(shù)的增加而遞增，符合剛體結(jié)構(gòu)自由模態(tài)分析特征，模態(tài)振型云圖如圖9所示。此采摘機(jī)正常工作時的振動頻率為15～20 Hz，可以有效避免采收過程中產(chǎn)生的共振，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性提供理論依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）結(jié)合目前國內(nèi)外枸杞機(jī)械化采收相關(guān)的研究進(jìn)展，該研究設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)合理、可行的柔性梳刷式枸杞采收機(jī)械，采用1個動力源驅(qū)動2個梳刷組件運(yùn)轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)摘果和收集的一體化操作，實(shí)現(xiàn)枸杞的低損耗采收，從而減少人工成本，提高枸杞采摘效率。

（2）該研究介紹了采摘機(jī)械的整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理，在主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用SolidWorks 2022軟件對設(shè)計(jì)的枸杞采摘機(jī)械進(jìn)行了虛擬樣機(jī)三維模型構(gòu)建，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)各構(gòu)件之間無干涉現(xiàn)場產(chǎn)生。

（3）運(yùn)用Ansys Workbench 2022 軟件對機(jī)架進(jìn)行了靜力學(xué)分析，結(jié)果表明機(jī)架的最大應(yīng)力約58.79 MPa，小于材料的最大屈服極限，最大應(yīng)變量約0.000 3 mm，能滿足材料強(qiáng)度要求；模態(tài)分析中最高頻率約9.470 0 Hz，驗(yàn)證了整機(jī)結(jié)構(gòu)方案和選材設(shè)計(jì)的合理性。該采收機(jī)械的設(shè)計(jì)可為后期進(jìn)一步研究高效、低損傷枸杞機(jī)械化采收裝置提供參考。

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