獼猴桃采摘機(jī)械可展機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)＊

葉振環(huán)，陳大云，付 娟，朱正龍，汪玉蘭

（遵義師范學(xué)院 工學(xué)院，貴州 遵義563006）

中國獼猴桃種植面積廣大，主要依靠人工采摘，不僅浪費(fèi)時(shí)間和體力，而且采摘效率較低，反而導(dǎo)致了獼猴桃生產(chǎn)成本的增加，所以無法形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。因此利用機(jī)械自動(dòng)化采摘不僅可以提高采摘效率還能減少果農(nóng)的勞動(dòng)力和勞動(dòng)成本，也可以解決由于人口老齡化和勞動(dòng)力缺乏對林果不能及時(shí)采摘造成的影響。其中，可展平臺(tái)的作用在于可將采摘機(jī)構(gòu)升到一定的高度。目前對于可展機(jī)構(gòu)的研究多集中在升展機(jī)構(gòu)上，主要包括固定式、移動(dòng)式形式，而剪叉式伸展機(jī)構(gòu)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單、易于操作、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。為此，國內(nèi)外的很多專家學(xué)者對剪叉式伸展機(jī)構(gòu)進(jìn)行了多方面的分析與研究[1-3]。國內(nèi)主要研究方向集中在運(yùn)動(dòng)仿真、力學(xué)性能分析和強(qiáng)度校核等方面，國外的研究主要集中在升降機(jī)構(gòu)的材料性能、穩(wěn)定性和操作的安全性等方面。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可展機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有單叉式結(jié)構(gòu)、雙叉式結(jié)構(gòu)。雙叉式相比單叉式較穩(wěn)定，但雙叉式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難、成本高，主要適合升降高度較高的場合；單叉式可展機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、反應(yīng)靈敏，適合對升降高度要求不高的場合。結(jié)合獼猴桃采摘作業(yè)升降高度較低、穩(wěn)定性較好的需求，從經(jīng)濟(jì)實(shí)用性角度考慮，采用單叉式結(jié)構(gòu)。同時(shí)，對其滑動(dòng)鎖死結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，導(dǎo)軌裝配如圖1 所示，齒形定位裝置如圖2 所示，導(dǎo)軌采用5 號(hào)C 型槽鋼制作，一端采用孔軸來固定剪叉架，另一端采用齒形槽來防止過載滑動(dòng)并精確定位。

在驅(qū)動(dòng)方式方面，目前主要包含液壓傳動(dòng)、電機(jī)絲桿傳動(dòng)兩種方式。其中，液壓驅(qū)動(dòng)具有工作較平穩(wěn)、反應(yīng)快、易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，但存在傳動(dòng)過程有能量損失、容易發(fā)生油泄漏、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本高[4]等缺點(diǎn)；電機(jī)絲桿驅(qū)動(dòng)具有傳動(dòng)效率高、零件具有較長的使用壽命、高精度、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、不需經(jīng)常維修[5]等特點(diǎn)。綜合獼猴桃采摘對于穩(wěn)定性較好、傳動(dòng)效率高和成本低等方面的要求，選用電機(jī)絲桿驅(qū)動(dòng)方式。

圖1 導(dǎo)軌裝配示意

圖2 齒形定位裝置

綜合上述分析，獼猴桃采摘機(jī)械可展升降平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 單叉式可展升降平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)

2 基本尺寸計(jì)算

剪叉結(jié)構(gòu)如圖4 所示，臺(tái)面長度A、剪叉中心距L中計(jì)算如下：

式（1）中：C1為固定鉸耳側(cè)距離；C2為滾輪側(cè)距離；α為剪叉與平臺(tái)夾角。

圖4 剪叉結(jié)構(gòu)示意

可展升降平臺(tái)的最大舉升高度H，剪叉數(shù)量n計(jì)算如下：

式（2）中：Hs為單個(gè)剪叉的最大舉升高度；αmax、αmin分別表示完全展開狀態(tài)和折疊狀態(tài)下臂叉與平臺(tái)的夾角；n、H、αmax和αmin需根據(jù)實(shí)際的可展機(jī)構(gòu)最大展開高度Hb和折疊高度Ha聯(lián)合求解。

采摘獼猴桃果實(shí)的具體工作條件：栽培的獼猴桃果樹平均高1.8 m，為保證該升降機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性好，平臺(tái)尺寸設(shè)定為長850 mm，寬500 mm，折疊高度Ha=500 mm，最大展開高度Hb=1 500 mm?？梢杂?jì)算獲得剪叉中心距L中=650 mm，n=4，αmax=61°，αmin=15°。同時(shí)，還可根據(jù)剪叉運(yùn)動(dòng)的三角函數(shù)關(guān)系確定絲杠機(jī)構(gòu)的最大水平運(yùn)動(dòng)距離為317.5 mm。最后，考慮剪叉兩頭倒角，取端頭直徑50 mm，確定剪叉桿長為700 mm。

3 結(jié)構(gòu)可靠性分析

采用ANSYS 軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，考慮可展機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)對稱性，選取1/2 對稱模型開展分析對結(jié)果影響不大。選擇六面體網(wǎng)格進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格量為157 萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)38 萬，劃分完成的有限元模型如圖5 所示。

圖5 可展升降機(jī)構(gòu)的有限元分析模型

底部固定約束，頂部均布質(zhì)量，整體承受標(biāo)準(zhǔn)重力場。根據(jù)各部件之間的真實(shí)連接關(guān)系，分別采用綁定和不分離約束進(jìn)行連接，并設(shè)定對稱約束。通過求解獲得的整體應(yīng)力分布如圖6 所示。

圖6 結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布情況

從圖6 可以看出，剪叉式升降機(jī)構(gòu)受到的最大應(yīng)力為161.5 MPa，最小應(yīng)力為3.93 MPa。其中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在自下而上第二排交叉板與軸桿的連接位置處，如圖7 所示。

圖7 第二排剪叉架應(yīng)力分布情況

整個(gè)可展機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變形情況如圖8 所示，最大變形量約為1.2 mm。

圖8 剪叉架的變形分布

通過分析表明，設(shè)計(jì)完成的可展升降機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，變形小于運(yùn)動(dòng)距離的1%，因此設(shè)計(jì)滿足可靠性要求。

4 結(jié)論

通過對目前可展機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動(dòng)方式的分析，完成了可展升降機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并結(jié)合獼猴桃果實(shí)采摘的具體工作條件計(jì)算確定具體尺寸，運(yùn)用ANSYS Workbench開展了靜力學(xué)仿真分析，分析結(jié)果表明應(yīng)力和變形均滿足可靠性要求。