振动式核桃采摘机的设计与优化.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月林 业 机 械 与 木 工 设 备 .研究与设计振动式核桃采摘机的设计与优化许 威 尹逊春(哈尔滨商业大学黑龙江 哈尔滨)摘 要:为实现我国核桃收获的机械化降低农民的劳动强度从实际需要出发应用 软件对振动式核桃采摘机整机及主要部件进行了三维实体设计并对其主要工作部件激振装置、夹持装置以及升降装置等进行了设计计算确定了主要技术参数并对其关键零部件进行优化以及采摘效果验证 结果表明设计的振动式核桃采摘机可以实现核桃的平稳采摘并且能达到分批采摘的结果关键词:振动核桃采摘设计优化中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:收稿日期:基金项目:黑龙江省普通本科高等学校青年创新人
2、才培养计划()第一作者简介:许威讲师博士主要研究方向为农业装备工程:.我国已经成为世界上核桃产量最大的国家之一据统计 年全国核桃的总种植面积达到 万 年产量达到 万 核桃具有极高的营养价值核桃果仁含有丰富的蛋白质和不饱和脂肪酸以及多种人体必需的氨基酸和矿物质元素是重要的药用植物经济价值高在整个核桃生产作业中成熟核桃的及时、无损、高效采收是关键直接影响核桃的储藏、运输、加工以及销售等后续环节 核桃采摘也是生产链中最为耗时、费力的一个环节采摘费用约占成本的因此实现核桃的机械化采摘对于核桃产业有着重要的意义目前国内外常见的采摘机械可以分为四种:气流冲击振动采摘树冠振动采摘树枝振动采摘以及树干振动采摘
3、 年以来 与 等人等首次尝试利用鼓风机产生冲击气流进行果实采摘的试验和测试 等较早地研究了树枝振动采摘技术他们将旋转的偏心锤产生振动施第 期许 威等:振动式核桃采摘机的设计与优化加在果枝上对树枝振动采摘技术的可行性进行了研究 陕西科技大学研发了一种背负式、振动方式为树枝振动的核桃采摘机 东北林业大学针对蓝莓研究了一种旋转拨盘式的树冠振动采摘机 等对橄榄树进行树干采摘研究根据目前核桃采摘的复杂性本文根据对核桃进行的振动特性研究提出一种具有自动对心功能的能够实现分批采摘的振动式核桃采摘机 振动式核桃采摘机的整体结构及工作原理.整机结构振动式核桃采摘机械主要是由驱动装置、升降装置、激振装置、夹持装置
4、组成 其中驱动装置由车体 与液压站 构成升降装置由液压缸、大臂、立柱、小臂、连接头底座、连接头、铰链机构、支撑架、铁链 组成激振装置由激振器框架、偏心轮、轴、汽油机、联轴器 等组成夹持装置由液压缸、采摘夹手、固定支座、固定爪 以及橡胶垫 等组成如图 所示图 采摘机结构示意图.车体.液压站.液压缸.大臂 立柱.小臂.连接头底座.连接头.铰链机构.支撑架.汽油机.铁链.联轴器.液压缸.采摘夹手.固定支座.固定爪.橡胶垫.端盖.激振箱盖.激振框架.偏心轮支撑轴.偏心轮.工作原理工作时采摘机通过调节液压缸 的伸缩程度利用机械臂将执行机构移动到合适的夹持位置机械臂由大臂、立柱、小臂 以及连接头 组成 其
5、中自平衡铰链连接机构 与支撑架 用螺栓连接并通过四条铁链 与激振装置连接 当树干位于夹持装置内时控制液压缸 伸长从而可以使采摘夹手 收缩在固定爪 的固定下使采摘夹手 收缩抱紧树干 在夹持装置抱紧树干后启动汽油机 通过联轴器 的连接带动偏心轮支撑轴 旋转从而使偏心轮 旋转产生激振力 偏心轮产生的激振力使果树受到强迫振动振动使核桃做加速度运动当核桃产生的惯性力足够大时就会脱落 此外夹持装置末端安装有橡胶垫当发生振动时可以有效地减轻夹持装置对树体的损伤.设计要求()采摘要求:主要针对鲁中地区适合行列距 以上的核桃果园进行采摘()夹持要求:主要针对树干直径范围在 最低主干高度在 的核桃树()驱动要求:
6、利用汽油机驱动()振动要求:选用对称偏心轮产生振动振动单棵树的时间大约在 林业机械与木工设备第 卷.设计参数()采摘机的激振频率:激振频率控制在()激振力的范围:激振力在 ()选用汽油机型号:选用宗申 型汽油机额定转速为 /额定功率为.质量为 ()夹持高度:夹持高度在 振动式核桃采摘机关键零部件设计.激振装置的设计激振装置最核心的部件是偏心轮以及偏心轮支撑轴 偏心轮在此处选择半圆式偏心轮相比非半圆式偏心轮在占据相同空间下具有更大的偏心距根据设计参数可知激振力的范围在 确定偏心轮的偏心半径()式中:偏心轮所用材料的密度/偏心轮的转速/偏心轮的厚度 偏心轮的圆弧半径此处先将偏心轮的厚度确定为 汽油
7、机额定转速为 /设计参数中的激振力范围为 代入公式得到偏心轮的半径在.此处先将偏心轮的半径确定为 具体激振力通过调节汽油机转速调节然后对偏心轮支撑轴的最小轴径进行计算()计算得到偏心轮轴的直径为.根据现代机械设计手册可知对于轴径 存在一个键槽时轴径增加 由于计算出的轴径为.因此增加 后得到偏心轮支撑轴的最小轴径为.圆整为 图 偏心轮结构示意图根据计算得到偏心轮的示意图如图 所示偏心轮支撑轴的示意图如图 所示图 轴的结构示意图确定了轴的最小直径后对偏心轮支撑轴的轴承进行选型如表 所示表 偏心轮支撑轴轴承型号轴承型号内径/外径/宽度/额定载荷/极限转速/.夹持装置的设计()采摘夹手的结构设计本文设
8、计了一组接触方式为面接触的采摘夹手面接触会使采摘夹手与树干之间接触面积增大接触应力减小这种结构可以减小对树皮的损伤以及对树体造成的伤害此处设计的采摘夹手分别具有一个夹指与两个夹指工作时两个采摘夹手在液压缸的调节下向内收缩夹紧树干如图 所示 所研究核桃树的树干直径范围是 因此两采摘夹手夹持时最大范围应大于 此处将采摘夹手的圆弧部分半径设为 采摘夹手宽度 厚度为 筋板的厚度为 筋板与采摘夹手之间的角度为 采摘夹手接受示意图如图 所示图 夹持装置示意图第 期许 威等:振动式核桃采摘机的设计与优化图 采摘夹手结构示意图 ()固定夹手的结构设计在夹持核桃树干过程中并不能限制其发生左右移动因此采摘机与核桃
9、树之间可能会发生摩擦造成树皮的损伤为了避免这一情况本文在夹持装置中设计一种辅助固定夹手可以起到固定树干以及自动定心的作用避免核桃树干左右移动减少核桃树的损伤如图 所示图中浮动块 与支座 之间用球螺母连接因为核桃树树干的形状存在误差而球螺母连接的能自动找到合适的角度固定树干以保证最大的接触面积降低接触应力防止夹持过程对树干产生损伤图 固定夹手示意图.固定爪底座.底座.支座.浮动块.固定爪.橡胶垫.升降装置的设计()机械臂的结构设计为了保证采摘机振动夹持装置在采摘过程中与地面平行以便于对树干进行准确夹持保证激振力的有效传递因此本文将机械臂的结构选择为平行四边形机构如图 所示 其中大臂尺寸规格为(长
10、宽高单位:)小臂规格为(长宽高单位:)立柱规格为(长宽高单位:)图 机械臂结构示意图.液压缸.立柱.大臂.小臂.连接头底座()自平衡铰链连接机构由于核桃果园的地势不平采摘机在采摘过程中容易发生倾斜为了使采摘机在夹持时更加平稳本文设计了一种具有自平衡功能的连接装置此装置由铰链机构、销轴、连接板组成 当地面不平时铰链机构可以使连接板与地面平行不会发生倾斜自平衡铰链连接机构示意图如图 所示图 自平衡铰链连接机构示意图()挠性铁链吸振机构为了防止激振装置产生的激振力引起采摘机的整机共振本文选用挠性铁链作为采摘机的隔振装置每节链节为长 、直径 的椭圆形圆环铁链由五节链节组成铁链的总长度为 结构如图 所示
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