末端驅(qū)動式釀酒葡萄分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計及分析

袁盼盼，張學(xué)軍，坎　雜，李成松，朱興亮，楊蘭濤

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊　830052；2．石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000)

?

末端驅(qū)動式釀酒葡萄分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計及分析

袁盼盼1，張學(xué)軍1，坎雜2，李成松2，朱興亮2，楊蘭濤2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊830052；2．石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000)

摘要：為實現(xiàn)釀酒葡萄采收機(jī)械化，提出了新疆釀酒葡萄種植特點的振動分離機(jī)構(gòu)設(shè)計要求。為此，設(shè)計了肋條末端驅(qū)動式釀酒葡萄振動分離機(jī)構(gòu)，并闡述了該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理。利用ADAMS仿真軟件對振動分離機(jī)構(gòu)運動過程進(jìn)行了仿真，獲得振動分離機(jī)構(gòu)運動的速度、加速度、位移的變化規(guī)律，驗證表明機(jī)構(gòu)設(shè)計合理。

關(guān)鍵詞：釀酒葡萄；振動；RSSR；肋條；ADAMS；收獲機(jī)

0引言

新疆是我國最早引種和栽培葡萄的地區(qū)[1-2]。近年來，新疆依托優(yōu)勢資源進(jìn)行農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，釀酒葡萄種植面積、產(chǎn)量大幅提高[3]；但目前釀酒葡萄收獲還完全依靠人工，嚴(yán)重阻礙了釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，迫切需要采收機(jī)械化。

由于在氣候和自然條件上的差異，特別是新疆冬季寒冷，釀酒葡萄需掩埋越冬以防凍傷、風(fēng)干，致使釀酒葡萄在樹形及葉幕形上與歐洲、美國的種植模式不同，在振動傳遞效率、能量衰減及葡萄串分布等方面存在著巨大差異。因此，在研究設(shè)計釀酒葡萄采收的收獲機(jī)械核心工作部件時必須圍繞新疆種植特點進(jìn)行。

振動分離機(jī)構(gòu)是釀酒葡萄收獲機(jī)的核心組成部分[4-5]，在進(jìn)行釀酒葡萄采收作業(yè)時，振動分離機(jī)構(gòu)將振動運動通過葡萄藤蔓、穗梗傳遞至葡萄果粒，使葡萄果粒發(fā)生瞬時變速變向運動，產(chǎn)生慣性力，從而克服葡萄果蒂的連接力[6-7]，實現(xiàn)分離。本文依據(jù)釀酒葡萄行距、葉幕形等參數(shù)，對基于葡萄藤蔓振動的釀酒葡萄振動分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，并進(jìn)行了仿真分析，為實現(xiàn)新疆釀酒葡萄機(jī)械化采收奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

1振動分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求

釀酒葡萄收獲機(jī)騎跨于葡萄行上將葡萄植株聚攏后，進(jìn)行振動采收作業(yè)。振動分離機(jī)構(gòu)設(shè)計須滿足下列要求：①振動分離機(jī)構(gòu)應(yīng)具有較大的振動擺幅，并且無序震動較?。虎谡駝臃蛛x機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸要符合新疆釀酒葡萄栽培管理技術(shù)要求，工作部件寬度與葡萄葉幕形寬度匹配，約為0.8m左右，并具有振動采收時所需聚攏作用；③能夠令葡萄穗梗處產(chǎn)生頻率為2.11~3.69Hz、振幅為169.8mm的振動[8]，迫使葡萄果粒與其果蒂分離，即其所提供的振動可以滿足釀酒葡萄果-蒂分離條件；④為提高適用性及根據(jù)試驗所需，振動分離機(jī)構(gòu)對葡萄植株的壓縮程度以及其所提供的振動頻率和振幅可以進(jìn)行調(diào)節(jié)；⑤振動分離機(jī)構(gòu)在垂直方向上對葡萄植株及果穗的振動位置可以在500~2 000mm高度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)；⑥振動分離機(jī)構(gòu)自身所產(chǎn)生的慣性震動應(yīng)盡量小，工作部件應(yīng)有一定彈性，且對籬架立柱的有害振動反饋具有一定的緩解作用，以保證機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性。

2振動分離機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1　振動分離機(jī)構(gòu)

為滿足新疆釀酒葡萄的多主蔓扇形樹形和長寬葉幕形栽培要求的特點，保證即要有較大的振動擺幅，又要使其無序震動較小的基本要求，結(jié)合單點支撐式和雙點支撐式中樞振動機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點，設(shè)計如圖1所示的肋條末端驅(qū)動式振動分離機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由驅(qū)動部分和工作部分組成，動力源和連桿構(gòu)成驅(qū)動部分。驅(qū)動部分具體包括振動搖桿、桿端關(guān)節(jié)軸承、主動軸、偏心套及振動搖桿轉(zhuǎn)動軸等；肋條組件為工作部分，由主動搖桿、加強(qiáng)短桿及工作長桿等構(gòu)成。動力源輸出的回轉(zhuǎn)運動經(jīng)過轉(zhuǎn)換為擺動后，由連桿驅(qū)動肋條組件末端進(jìn)行擺動。該機(jī)構(gòu)可通過調(diào)整相應(yīng)桿件尺寸參數(shù)，滿足肋條組件大振幅擺動，而肋條組件末端隨機(jī)構(gòu)強(qiáng)迫擺動，可保證較小的無序振動。

1.動力源　2.連桿　3.肋條組件

2.2　振動分離機(jī)構(gòu)原理

在肋條末端驅(qū)動式振動分離機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計的振動分離裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，L1、L2、L3同機(jī)架組成主動軸與從動軸成90°交錯的RSSR空間四桿機(jī)構(gòu)，驅(qū)動部分由1對相互對稱的該類型空間四桿機(jī)構(gòu)組成；2個RSSR空間四桿機(jī)構(gòu)的曲柄同軸且呈180°對置；L4、L5、肋條組件及機(jī)架組成雙搖桿平面四桿機(jī)構(gòu)，工作部分由多對該類型平面四桿機(jī)構(gòu)組成，并在空間位置上呈錯位分布；驅(qū)動部分為2個RSSR空間四桿機(jī)構(gòu)的擺桿L3及工作部分為多個平面四桿機(jī)構(gòu)中的主動搖桿與軸O1固結(jié)；工作部分多個平面四桿機(jī)構(gòu)中的從動搖桿與O軸固結(jié)。

圖2　振動分離機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

工作時，RSSR空間四桿機(jī)構(gòu)將電機(jī)或液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)閾u桿的擺動運動，并通過O1軸將擺動運動傳遞至工作部分平面四桿機(jī)構(gòu)的主動搖桿，從而帶動肋條組件進(jìn)行往復(fù)擺動；將振動運動通過葡萄植株及果穗傳遞至葡萄果蒂，迫使果粒發(fā)生瞬時變向運動，產(chǎn)生克服果蒂連接力的慣性力使果-蒂分離，實現(xiàn)采收。葡萄植株沿y軸正方向進(jìn)入兩側(cè)肋條組件的中間位置，兩側(cè)的肋條組件對其進(jìn)行聚攏并壓縮，壓縮后寬度為S1；兩側(cè)肋條組件前端的開口為S0，為對葡萄植株進(jìn)行聚攏，不進(jìn)行采收動作時S0需大于葡萄植株葉幕形寬度0.8m，進(jìn)行采收動作時兩側(cè)肋條組件運動過程中前端距離裝置中心的距離之和也需大于0.8m；肋條組件末端A點振幅和頻率是影響葡萄果粒果-蒂分離的關(guān)鍵因素，實際采收試驗過程中A點的振幅可以通過改變L2、L3及兩側(cè)O軸的間距進(jìn)行調(diào)節(jié)，A點頻率可通過調(diào)節(jié)L1的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)。

3虛擬樣機(jī)研究平臺的搭建及分析

3.1　振動分離機(jī)構(gòu)簡化及模型建立

由于喂入機(jī)構(gòu)上有多組肋條，并平行安裝，工作時，它們以同原理同相位進(jìn)行運動；利用ADAMS進(jìn)行仿真分析時，在不影響機(jī)構(gòu)性能的前提下，需要對機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，忽略不相關(guān)非傳動件，并保證各零件位置關(guān)系，因此仿真時只需分析其中一組肋條即可。為簡化ADAMS中約束問題，本文直接利用ADAMS軟件的二次開發(fā)功能建立振動分離機(jī)構(gòu)的虛擬模型，如圖3所示。

圖3　振動分離機(jī)構(gòu)ADAMS三維模型

3.2　振動分離機(jī)構(gòu)運動約束建立

振動分離機(jī)構(gòu)機(jī)架直接安放于地上，此時可等同于與大地相連。根據(jù)以上分析可知，振動機(jī)構(gòu)由主機(jī)架、驅(qū)動部分及工作部件組成：驅(qū)動部分采用RSSR空間四桿機(jī)構(gòu)，主要由主動軸、鎖緊螺母、偏心套、連桿、振動搖桿轉(zhuǎn)動軸、桿端關(guān)節(jié)軸承和振動搖桿組成；工作部件采用平面搖桿機(jī)構(gòu)，主要由主動搖桿、連桿、肋條組件、主動搖桿轉(zhuǎn)動軸、上部調(diào)整件、從動搖桿轉(zhuǎn)動軸和下部調(diào)整件構(gòu)成。振動機(jī)構(gòu)工作時，由電機(jī)驅(qū)動主動軸提供動力，因此驅(qū)動力設(shè)置在曲柄上，轉(zhuǎn)動部件間設(shè)置為旋轉(zhuǎn)約束，不存在相對運動部件間設(shè)置為固定約束。

3.3　振動分離機(jī)構(gòu)運動仿真分析

振動機(jī)構(gòu)虛擬建模完成后，啟用ADAMS/View界面自檢功能，根據(jù)對話框提供的部件個數(shù)、約束類型和數(shù)量、冗余方程的個數(shù)、整體系統(tǒng)自由度個數(shù)及模型檢查是否成功等信息，檢查模型是否能夠成功仿真，并進(jìn)行修正。

完成虛擬模型自檢后，對仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在ADAMS/View中，選擇仿真分析類型為運動學(xué)分析。振動裝置工作轉(zhuǎn)速初定為700r/min[9-11]，因此在ADAMS中將驅(qū)動軸上的驅(qū)動設(shè)置為轉(zhuǎn)動，且轉(zhuǎn)速為4 500d/s，仿真時間為0.16s，即肋條組件擺動兩次；為了精確研究仿真結(jié)果，設(shè)置步長為1 000步，即每隔0.000 16s輸出一個仿真結(jié)果。輸出肋條組件角位移、角速度及角加速度曲線如圖4~圖6所示。

圖4　肋條組件角位移曲線

圖5　肋條組件角速度曲線

圖6　肋條組件角加速度曲線

由圖6可知：肋條組件最大角加速度為14 300°/s2(即249.58rad/s2)，根據(jù)葡萄所受振動力F與R呈正比[12]，當(dāng)振動裝置工作轉(zhuǎn)速為700r/min、R≥0.58m時葡萄果粒產(chǎn)生的慣性力大于其果蒂分離力的最大值13N，葡萄果蒂將分離。由以上分析可知，振動采收機(jī)構(gòu)后部能夠有效地實現(xiàn)果蒂分離，整機(jī)行進(jìn)時能夠滿足釀酒葡萄振動分離采收的要求，驗證了理論設(shè)計的正確性。

4結(jié)論

1)設(shè)計了肋條末端驅(qū)動式釀酒葡萄振動分離機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動部件為一對曲柄呈180°的RSSR空間四桿機(jī)構(gòu)，工作部件為多組對稱雙搖桿平面四桿機(jī)構(gòu)。

2)仿真并分析了肋條組件對葡萄施加的振動力，對振動分離機(jī)構(gòu)的運動速度、加速度、位移進(jìn)行運動學(xué)仿真驗證，結(jié)果表明機(jī)構(gòu)設(shè)計合理。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉俊.張家口市葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議[J].河北林業(yè)科技,2013(2):44-54.

[2]陳習(xí)剛.葡萄、葡萄酒的起源及傳入新疆的時代與路線[J].2009(1):51-61.

[3]趙中華.新疆葡萄生產(chǎn)機(jī)械應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2008(4):33-34.

[4]吳清分.NEW HOLLAND公司VN 2080型高地隙葡萄收獲機(jī)[J].農(nóng)業(yè)工程,2013(3):105-107

[5]王麗紅,袁盼盼,李成松,等.釀酒葡萄振動脫落機(jī)構(gòu)運動分析及研究平臺設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,37(8):53-56.

[6]C Caprara, F Pezzi. Measuring the stresses transmitted during mechanical grape harvesting [J].Biosystems engineering, 2011，110(2):97-105.

[7]F Pezzi, C Caprara. Mechanical grape harvesting: Investigation of the transmission of vibrations[J].Biosystems engineering，2009，103:281-286.

[8]李成松,高振江,坎雜,等. 釀酒葡萄果-蒂振動分離試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2015,31(9):39-44.

[9]王海濱,郭艷玲,鮑玉冬,等.振動式藍(lán)莓采摘的機(jī)理分析與仿真[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013(12):40-46.

[10]劉魏.振動式藍(lán)莓采摘裝置工作參數(shù)的試驗研究[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[11]鮑玉冬,李志鵬,郭艷玲,等.振動式藍(lán)莓采摘機(jī)對果實收獲的影響試驗[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2014(1):96-100.

[12]李成松,高振江,坎 雜,等.雙支撐釀酒葡萄果實振動分離裝置作業(yè)機(jī)理[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2015, 31(4):36-32.

Design and Analysis of End Driven Separation Mechanism for Wine Grape

Yuan Panpan1, Zhang Xuejun1, Kan Za2, Li Chengsong2, Zhu Xingliang2, Yang Lantao2

Abstract：In order to realize of the wine grape harvest mechanization, the vibration separation mechanism design requirements of Xinjiang wine grape were proposed.Shaker bar driven vibration separation mechanism for wine grape was design and its structure and working principle were expatiated.The change rules of the vibration separation mechanism angular speed,angular acceleration and displacement were achieved using ADAMS simulation software. The design reasonable of vibration separation mechanism was showed.

Key words：wine grape; vibratory; RSSR; shaker rod; ADAMS； harvest

中圖分類號：S225.93

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0104-04

作者簡介：袁盼盼(1989-)，女，河南周口人，助教，碩士，(E-mail)ypp_xnd@163.com。通訊作者：李成松(1976-)男，四川西充人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)lcs_shz@163.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51465051)

收稿日期：2015-11-20