基于Pro/E的新型電動(dòng)伸縮式水果采摘器結(jié)構(gòu)分析

金聰，夏張潤(rùn)，張闖，查鮮艷，汪智求

（湖北大學(xué)知行學(xué)院機(jī)電工程系，湖北 武漢 430011）

在水果收獲期間中，由采摘果實(shí)所耗費(fèi)的勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)期間的50%～70%。為了節(jié)約人力物力，提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，開(kāi)展采摘器械的研究有重要的意義。針對(duì)水果采摘存在的眾多問(wèn)題，我們提出了一種新型的電動(dòng)伸縮式水果采摘器，旨在通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)和電路控制等，使水果采摘的過(guò)程連續(xù)且高效，同時(shí)也可以有效地解決目前水果采摘作業(yè)中存在的效率低、采摘人員高空作業(yè)時(shí)人身安全得不到保障等問(wèn)題，進(jìn)而節(jié)約采摘成本，提高采摘效率。因此，對(duì)于本產(chǎn)品的研究就具有十分重要的實(shí)用價(jià)值。

1 產(chǎn)品整體概述

本產(chǎn)品是一種可以讓采摘人員站在地面上采摘水果的裝置。在設(shè)計(jì)的最初時(shí)候，針對(duì)整體的布局和工位提出了合理的方案，對(duì)其重點(diǎn)考慮其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能及綜合安全性能。

該采摘裝置主要由伸縮、采摘，收集三個(gè)環(huán)節(jié)組成。伸縮環(huán)節(jié)由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)一系列機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，自動(dòng)完成裝置的伸縮。采摘環(huán)節(jié)的伸縮是通過(guò)桿的升降，來(lái)模仿拉扯過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。至于收集環(huán)節(jié)，在采摘裝置的下端有一根軟管，在刀具將水果摘下后，采摘下的水果將通過(guò)軟管的引導(dǎo)，進(jìn)入到收集盒里，從而實(shí)現(xiàn)水果的收集。該產(chǎn)品的裝配圖，如圖1所示。該產(chǎn)品的Pro/E三維建模的樣機(jī)模型如圖2所示。

具體的實(shí)施過(guò)程為：蓄電池通過(guò)導(dǎo)線為電機(jī)提供電能，電機(jī)與驅(qū)動(dòng)軸之間通過(guò)聯(lián)軸器連接，驅(qū)動(dòng)軸插入機(jī)架底部且驅(qū)動(dòng)軸上裝有驅(qū)動(dòng)輪，從動(dòng)軸位于機(jī)架的上部，從動(dòng)軸上裝有同步輪，同步帶套在同步輪與驅(qū)動(dòng)輪上，從動(dòng)軸上還設(shè)有齒輪，齒輪與齒條相嚙合，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可帶動(dòng)齒條在機(jī)架上上下滑動(dòng)，齒條的頂端設(shè)有采摘水果的刀具，從而將水果采摘下來(lái)。

2 伸縮桿的有限元分析

圖1 水果采摘器CAD裝配圖

圖2 樣機(jī)模型

伸縮桿在工作過(guò)程中要承受來(lái)自自身的重力和采摘裝置的重力，還有采摘水果時(shí)水果掉落在采摘裝置里所承受的重力，其力學(xué)性能將影響伸縮桿的工作可靠性和穩(wěn)定性。伸縮桿的變形和折斷時(shí)失效的主要原因，為了更好地對(duì)模型進(jìn)行高效率分析，以簡(jiǎn)化模型，提高分析效率，將以下幾個(gè)步驟對(duì)伸縮桿進(jìn)行有限元分析：

（1）經(jīng)過(guò)初步計(jì)算，得出具體數(shù)據(jù)。

（2）伸縮桿的受力分析和幾何模型的建立。新型電動(dòng)伸縮式水果采摘器的伸縮桿尺寸為1200mm，本文利用Proe5.0軟件建立伸縮桿的三維模型，為了節(jié)省有限元分析時(shí)間，對(duì)伸縮桿模型中分析影響不重要的幾何因素進(jìn)行了簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的幾何模型如圖3所示。

（3）定義材料特征及參數(shù)。

（4）網(wǎng)格劃分。

（5）應(yīng)力分析和模型云圖。

產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)是伸縮裝置，它起著支撐、固定以及間接采摘的作用。因此，主要任務(wù)是對(duì)伸縮裝

圖3 簡(jiǎn)化后的模型圖

置進(jìn)行有限元分析，通過(guò)對(duì)其的研究分析，可以檢驗(yàn)出該裝置能否正常工作。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，需對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明：

（1）本項(xiàng)目組在檢測(cè)的過(guò)程中使用的繪圖軟件是Pro/E 5.0，通過(guò)其對(duì)該裝置進(jìn)行三維建模以及分析。

（2）為了方便檢驗(yàn)分析，本項(xiàng)目組將測(cè)試裝置的主體簡(jiǎn)化成了桿狀的模型。

下面是具體實(shí)驗(yàn)調(diào)試的步驟：

（1）建立模型。啟動(dòng)Pro/E,進(jìn)入操作界面。根據(jù)所提供的數(shù)據(jù)，繪制出桿狀模型。

（2）分析模型。點(diǎn)擊應(yīng)用程序，進(jìn)入Mechanica模塊。之后我們開(kāi)始定義材料，點(diǎn)擊屬性，選擇材料選項(xiàng)，在材料選擇界面中，選擇steel材料。下面將進(jìn)行材料分配，點(diǎn)擊屬性，選擇材料分配選項(xiàng)，進(jìn)行分配。然后在實(shí)體的下底面加上位移約束，在實(shí)體的上端面加上負(fù)載，壓力值設(shè)為0.5MPa。接下來(lái)，我們開(kāi)始創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，點(diǎn)擊創(chuàng)建，進(jìn)入界面后，再點(diǎn)擊創(chuàng)建，之后關(guān)閉，點(diǎn)擊是，這樣網(wǎng)絡(luò)就創(chuàng)建完畢了。然后，點(diǎn)擊Mechanica分析/研究，新建靜態(tài)分析，點(diǎn)擊確定，之后選擇開(kāi)始運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)束后，查詢結(jié)果，結(jié)構(gòu)分析到此結(jié)束，見(jiàn)圖4～6。

3 結(jié)語(yǔ)

利用Por/E三維建模軟件對(duì)主要受力部位伸縮桿進(jìn)行了靜態(tài)分析。改新型電動(dòng)伸縮式水果采摘器伸縮桿的設(shè)計(jì)滿足了所需的強(qiáng)度要求，伸縮桿的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D能夠直接客觀地反映出伸縮桿的變形情況。分析結(jié)構(gòu)表明，伸縮桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的大部分區(qū)域的安全系數(shù)均很大，其剛度能保證在采摘過(guò)程中的安全性。此分析結(jié)構(gòu)為新型電動(dòng)伸縮式水果采摘器的伸縮桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了提論依據(jù)。

圖4 參數(shù)圖

圖5 參數(shù)圖

圖6 分析結(jié)果圖

新型電動(dòng)伸縮式水果采摘器實(shí)驗(yàn)成功，對(duì)于采摘人員來(lái)說(shuō)，省時(shí)省力，提高了工作效率，并且該裝置讓采摘人員在地面工作，有效地避免了工作人員高空作業(yè)的危險(xiǎn)。同時(shí)，該裝置不再僅僅局限于采摘一種水果，節(jié)約了采摘成本。在采摘的同時(shí)，對(duì)周?chē)沫h(huán)境沒(méi)有污染、對(duì)果樹(shù)并未造成直接的傷害，有效地保護(hù)了果園的生態(tài)系統(tǒng)以及來(lái)年的經(jīng)濟(jì)收益。