4SZ-1型酸棗采收機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真與研究

鄭美朝，吳海平，鄭德聰

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

4SZ-1型酸棗采收機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真與研究

鄭美朝，吳海平*，鄭德聰

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

曲柄滑塊式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是4SZ-1型酸棗采收機(jī)的核心部件，其工作性能的好壞直接影響整機(jī)采收效率及工作質(zhì)量。[目的]為了給酸棗采收機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐和依據(jù)，[方法]以Simulink為平臺(tái)，運(yùn)用機(jī)構(gòu)學(xué)理論，建立了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真的數(shù)學(xué)模型，以積分器為核心的循環(huán)運(yùn)算模型，并在此基礎(chǔ)上完成了該機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真。[結(jié)果]獲得了夾樹裝置的位移、速度和加速度規(guī)律。[結(jié)論]研究結(jié)果為評(píng)價(jià)機(jī)器的工作性能和對(duì)機(jī)架的有限元分析提供了重要支撐。

酸棗采收機(jī); 曲柄滑塊機(jī)構(gòu); 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真; 動(dòng)力學(xué)仿真

酸棗是我國北方常見的一種野生資源，有豐富的食用藥用價(jià)值。酸棗多為叢生灌木，自然生長于山地，其托刺發(fā)達(dá)，人工采收時(shí)易傷人，且工作效率低，影響酸棗的規(guī)?；占屠肹1]。因此，研制酸棗采收裝備顯得十分必要。

國內(nèi)關(guān)于酸棗采收機(jī)的研制基本空白，有必要借鑒其它小型林果采收機(jī)械的研究成果，如振動(dòng)式、氣力式、剪切式、梳刷式、采摘機(jī)器人等機(jī)械采收方式[2]。其中振動(dòng)式采收機(jī)是相對(duì)較為成熟的機(jī)型，但其工作頻率、振幅、安裝位置及與不同直徑的樹干耦合性能，需要深入研究。

4SZ-1型酸棗采收機(jī)以小型汽油機(jī)為動(dòng)力，通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)[3,4]，實(shí)現(xiàn)對(duì)酸棗樹干的振動(dòng)。樹干受外力強(qiáng)迫振動(dòng)后，與樹枝連接的棗果也以某種方式加速振動(dòng)，當(dāng)慣性力大于棗果與樹枝的結(jié)合力時(shí)，棗果就會(huì)在連接最弱處與樹枝分離，同時(shí)通過承接裝置收集分離后的棗果，完成采收。該機(jī)的核心工作部件是曲柄滑塊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其工作性能的好壞直接決定了整機(jī)的采收效率和工作質(zhì)量，對(duì)該機(jī)構(gòu)的仿真分析與研究是提高整機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要保證。

1 4SZ-1型酸棗采收機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1—夾樹裝置；2—機(jī)架；3—曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；4—發(fā)動(dòng)機(jī)。1—clamping device；2—the frame；3—Slider-crank mechanism；4—Engine.圖1 4SZ-1型酸棗采收機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 The structure of 4SZ-1 wild jujube harvester

4SZ-1型酸棗采收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)主要由夾樹裝置、機(jī)架、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)及承接裝置等組成。

工作時(shí)，將承接裝置布置于樹冠下面，機(jī)架2的四個(gè)尖角形支點(diǎn)插入地下，使整機(jī)固定于樹干旁，并通過夾樹裝置1將整機(jī)與樹干連接在一起。啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)3驅(qū)動(dòng)樹干振動(dòng)，完成酸棗的采收。

4SZ-1型酸棗采收機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 4SZ-1型酸棗采收機(jī)技術(shù)參數(shù)表

Table 1 The technique parameter of 4SZ-1 wild jujube harvester

項(xiàng)目名稱Projectnames單位Units參數(shù)Parameters結(jié)構(gòu)尺寸(長×寬×高)mm1118×380×623結(jié)構(gòu)重量kg55配套動(dòng)力kw1.1發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速r·min-13600搖樹機(jī)構(gòu)型式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)振動(dòng)頻率Hz20振幅mm70

4SZ-1型酸棗采收機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2所示。其中曲柄OA=35 mm，連桿AB=255 mm，滑塊位移OB=220～290 mm，角速度ω2=125.6 rad·s-1(轉(zhuǎn)速為1 200 r·min-1)。

圖2 4SZ-1型酸棗采收機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖Fig.2 The driving mechanism for 4SZ-1 wild jujube harvester

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

2.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的數(shù)學(xué)模型

以曲柄回轉(zhuǎn)中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，曲柄回轉(zhuǎn)中心與搖樹滑塊的連線為x軸，建立右手系直角坐標(biāo)系，得到機(jī)構(gòu)矢量圖如圖3所示[5,6]。

圖3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)矢量環(huán)Fig.3 The vector-loop model of driving mechanism

由圖3可得驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的閉環(huán)矢量方程為：

(1)

標(biāo)量方程為：

(2)

速度方程為：

(3)

加速度方程為：

(4)

2.2Simulink仿真模型及初始參數(shù)設(shè)定

根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真數(shù)學(xué)模型，建立Simulink仿真模型[7～9]，如圖4所示。

閉環(huán)矢量方程是求解機(jī)構(gòu)速度和加速度、確定機(jī)構(gòu)某處位移變量的基礎(chǔ)，而變量的積分結(jié)果也必須滿足閉環(huán)矢量方程?？梢酝ㄟ^檢驗(yàn)最終位置滿足原有閉環(huán)矢量方程的程度，驗(yàn)證仿真結(jié)果的有效性。為此引入一個(gè)新函數(shù)，將位移變量作為輸入，函數(shù)返回的變量代表計(jì)算中的固有誤差。參考式(1)，定義誤差矢量E為：

(5)

將函數(shù)嵌入到仿真系統(tǒng)中得出最終的檢驗(yàn)結(jié)果。仿真模型中各積分器初始參數(shù)設(shè)定見表2。

表2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真初始條件

Table 2 The initial parameters of kinematics simulation for driving mechanism

積分器Integrators環(huán)境變量Environmentvariables初始參數(shù)Initialparametersθ2/radth200θ3/radth300r1/mmr10290ω2/rad·s-1om20125.6ω3/rad·s-1om30-17.2392r·1/mm·s-1r1dot00

2.3 仿真結(jié)果及分析

通過運(yùn)行仿真Simulink仿真模型，得到滑塊位移、速度和加速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，分別如圖5～圖7所示。

圖5 滑塊位移隨時(shí)間變化的規(guī)律Fig.5 The variation of slider displacement over time

圖6 滑塊速度隨時(shí)間變化的規(guī)律Fig.6 The variation of slider velocity over time

圖7 滑塊加速度隨時(shí)間變化的規(guī)律Fig.7 The variation of slider acceleration over time

由圖5～圖7可知，滑塊往復(fù)振動(dòng)的振幅為0.07 m，按正弦規(guī)律變化，頻率為20 Hz，往復(fù)振動(dòng)的速度為0～4.4 m·s-1，加速度為0～620 m·s-2。

3 動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的數(shù)學(xué)模型

圖8為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析示意圖。分別建立各桿件在x方向和y方向的牛頓運(yùn)動(dòng)方程，應(yīng)用聯(lián)立約束法形成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的數(shù)學(xué)模型[10～12]。式(6)中，F(xiàn)ij表示桿件i對(duì)桿件j的作用力，F(xiàn)ij和Fji大小相等且方向相反，是一對(duì)作用力和反作用力。rci表示i桿件的質(zhì)心矢量，αix,αiy，分別表示桿件i的質(zhì)心在x方向和y方向的加速度。

圖8 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析示意圖Fig.8 The dynamics analysis of driving mechanism

M12表示曲柄的輸入扭矩，F(xiàn)ext表示驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作用于樹干的力。為了方便矩陣計(jì)算，設(shè)C2=cosθ2，S2=sinθ2，C3=cosθ3，S3=sinθ3。

動(dòng)力學(xué)矩陣方程：

(6)

3.2Simulink動(dòng)力學(xué)仿真

根據(jù)數(shù)學(xué)模型，建立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型[13～15]，如圖9所示。各積分器初始參數(shù)設(shè)定見表3。

圖9 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型Fig.9 The dynamic simulation model of driving mechanism

Table 3 The initial parameters of dynamic simulation for driving mechanism

積分器Integrators環(huán)境變量Environmentvariables初始參數(shù)Initialparametersθ2/radth200θ3/radth300r1/mmr10290ω2/rad·s-1om20125.6ω3/rad·s-1om30-17.2392r·1/mm·s-1r1dot00rc2/mmrc20rc3/mmrc3127.5M2/kgM20.7M3/kgM30.55M4/kgM41.25I3/kg·m-2I30.003

圖10 Fext隨時(shí)間變化的規(guī)律Fig.10 The v0ariation of Fext change over time

仿真結(jié)果如圖10所示。由圖可見酸棗采收機(jī)夾樹裝置對(duì)酸棗樹干的作用力為0～460 N，且作用力大小按正弦規(guī)律周期性變化。

4 酸棗樹干受力與其撓度關(guān)系的測量

4SZ-1型酸棗采收機(jī)是否能正常作業(yè)，決定于該機(jī)與酸棗樹干耦合的結(jié)果，與樹干的直徑大小和夾樹高度有關(guān)。為此，在太谷縣滸泊村西酸棗林采用管形測力計(jì)(KL-50型，江蘇無錫大箕山工儀廠生產(chǎn)，量程500 N)和500 mm鋼板尺等工具測量酸棗樹干受力后的撓度。測量時(shí)選取直徑分別為29 mm和19 mm的兩種酸棗樹干。測試現(xiàn)場及結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 酸棗樹干受力與其撓度關(guān)系測量現(xiàn)場Fig.11 The measurement fields of relations between pressure and deflection

由圖12可見，在垂直于樹干方向施加400 N作用力時(shí)，直徑29 mm的樹干在夾持高度為300 mm位置，樹干撓度達(dá)到60 mm；直徑19 mm的樹干在夾持高度為200 mm位置，樹干撓度達(dá)到70 mm。該結(jié)果為4SZ-1型酸棗采收機(jī)的安裝和試驗(yàn)提供了依據(jù)。

圖12 酸棗樹干撓度隨夾持高度的變化Fig.12 The change of trunk deflection along with the change of clamping height

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)4SZ-1型酸棗采收機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，明確了各傳動(dòng)件與支撐件的受力，為后續(xù)的有限元分析和機(jī)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)提供了基礎(chǔ)參數(shù)。

(2)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)速為1 200 r·min-1，曲柄半徑為35 mm時(shí)，反映在夾樹裝置上的驅(qū)動(dòng)力為0～460 N。根據(jù)樹干受力與其撓度關(guān)系的測量結(jié)果，機(jī)構(gòu)工作時(shí)，直徑29 mm的樹干，夾樹裝置的安裝高度應(yīng)在300 mm以上；直徑19 mm的樹干，夾樹裝置的安裝高度應(yīng)在300 mm以上。這樣才能實(shí)現(xiàn)采收機(jī)與樹干的良好耦合，完成采收作業(yè)。

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(編輯：李曉斌)

Simulation and research of driving mechanism for 4SZ-1 wild jujube harvester

Zheng Meichao， Wu Haiping*， Zheng Decong

(CollegeofEngineering,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801，China)

Driving mechanism of crank slider was the core component for 4SZ-1 wild jujube harvester.The working performance of mechanism exerted a direct impact on the quality of machine work and the efficiency.[Objective]In order to provide the data supporting the design of wild jujube harvester.[Methods]based on Simulink, using the theories of mechanism, the mathematical model of kinematics and dynamics simulation of the mechanism was established. The circulant computation model with the integrator as the core was formed, and on these bases we completed the kinematics and dynamics simulation of the mechanism.[Results]Meanwhile we got the variations of displacement, velocity and acceleration for the clamping device.[Conclusion]The results provided an important support for evaluating the working performance of the machine and the finite element analysis of the frame.

Wild jujube harvester， Slider-crank mechanism， Kinematics simulation， Dynamics simulation

2016-11-21

2017-01-09

鄭美朝(1990-)，男(漢)，山西壽陽人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研究

*通信作者：吳海平，教授，碩士生導(dǎo)師.Tel:13835411076；E-mail:whpwhyx@163.com

S225.93

A

1671-8151(2017)03-0217-06