獼猴桃采摘機械可展機構的結構設計＊

葉振環，陳大云，付 娟，朱正龍，汪玉蘭

（遵義師范學院 工學院，貴州 遵義563006）

中國獼猴桃種植面積廣大，主要依靠人工采摘，不僅浪費時間和體力，而且采摘效率較低，反而導致了獼猴桃生產成本的增加，所以無法形成產業優勢。因此利用機械自動化采摘不僅可以提高采摘效率還能減少果農的勞動力和勞動成本，也可以解決由于人口老齡化和勞動力缺乏對林果不能及時采摘造成的影響。其中，可展平臺的作用在于可將采摘機構升到一定的高度。目前對于可展機構的研究多集中在升展機構上，主要包括固定式、移動式形式，而剪叉式伸展機構因為其結構簡單、易于操作、運行穩定等優點而被廣泛應用。為此，國內外的很多專家學者對剪叉式伸展機構進行了多方面的分析與研究[1-3]。國內主要研究方向集中在運動仿真、力學性能分析和強度校核等方面，國外的研究主要集中在升降機構的材料性能、穩定性和操作的安全性等方面。

1 整體結構設計

可展機構的結構形式有單叉式結構、雙叉式結構。雙叉式相比單叉式較穩定，但雙叉式結構復雜、制造困難、成本高，主要適合升降高度較高的場合；單叉式可展機構結構簡單、制作成本低、反應靈敏，適合對升降高度要求不高的場合。結合獼猴桃采摘作業升降高度較低、穩定性較好的需求，從經濟實用性角度考慮，采用單叉式結構。同時，對其滑動鎖死結構進行優化，導軌裝配如圖1 所示，齒形定位裝置如圖2 所示，導軌采用5 號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并精確定位。

在驅動方式方面，目前主要包含液壓傳動、電機絲桿傳動兩種方式。其中，液壓驅動具有工作較平穩、反應快、易于實現快速啟動等優點，但存在傳動過程有能量損失、容易發生油泄漏、結構較復雜、成本高[4]等缺點；電機絲桿驅動具有傳動效率高、零件具有較長的使用壽命、高精度、運動平穩、反應靈敏、結構簡單、制造成本低、不需經常維修[5]等特點。綜合獼猴桃采摘對于穩定性較好、傳動效率高和成本低等方面的要求，選用電機絲桿驅動方式。

圖1 導軌裝配示意

圖2 齒形定位裝置

綜合上述分析，獼猴桃采摘機械可展升降平臺整體結構設計如圖3 所示。

圖3 單叉式可展升降平臺的整體結構

2 基本尺寸計算

剪叉結構如圖4 所示，臺面長度A、剪叉中心距L中計算如下：

式（1）中：C1為固定鉸耳側距離；C2為滾輪側距離；α為剪叉與平臺夾角。

圖4 剪叉結構示意

可展升降平臺的最大舉升高度H，剪叉數量n計算如下：

式（2）中：Hs為單個剪叉的最大舉升高度；αmax、αmin分別表示完全展開狀態和折疊狀態下臂叉與平臺的夾角；n、H、αmax和αmin需根據實際的可展機構最大展開高度Hb和折疊高度Ha聯合求解。

采摘獼猴桃果實的具體工作條件：栽培的獼猴桃果樹平均高1.8 m，為保證該升降機構運行穩定、可靠性好，平臺尺寸設定為長850 mm，寬500 mm，折疊高度Ha=500 mm，最大展開高度Hb=1 500 mm。可以計算獲得剪叉中心距L中=650 mm，n=4，αmax=61°，αmin=15°。同時，還可根據剪叉運動的三角函數關系確定絲杠機構的最大水平運動距離為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 結構可靠性分析

采用ANSYS 軟件進行靜力學分析，考慮可展機構具有結構對稱性，選取1/2 對稱模型開展分析對結果影響不大。選擇六面體網格進行映射網格劃分，總網格量為157 萬，節點數38 萬，劃分完成的有限元模型如圖5 所示。

圖5 可展升降機構的有限元分析模型

底部固定約束，頂部均布質量，整體承受標準重力場。根據各部件之間的真實連接關系，分別采用綁定和不分離約束進行連接，并設定對稱約束。通過求解獲得的整體應力分布如圖6 所示。

圖6 結構整體應力分布情況

從圖6 可以看出，剪叉式升降機構受到的最大應力為161.5 MPa，最小應力為3.93 MPa。其中，最大應力出現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 第二排剪叉架應力分布情況

整個可展機構的結構變形情況如圖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，設計完成的可展升降機構最大應力小于材料許用應力，變形小于運動距離的1%，因此設計滿足可靠性要求。

4 結論

通過對目前可展機構結構形式和驅動方式的分析，完成了可展升降機構的總體結構設計，并結合獼猴桃果實采摘的具體工作條件計算確定具體尺寸，運用ANSYS Workbench開展了靜力學仿真分析，分析結果表明應力和變形均滿足可靠性要求。