黎毓鵬，馬桂香，馬俊生，王獻(xiàn)澤，張　健

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧　530004)

?

基于新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)的UG仿真

黎毓鵬，馬桂香，馬俊生，王獻(xiàn)澤，張健

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧530004)

摘要：為了提高效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，研發(fā)一種能代替純手工、實(shí)現(xiàn)多自由度電動(dòng)切割香蕉采收的機(jī)器，使香蕉采收省力、快速、方便，老少均可操作，熟練程度快。為此，介紹了新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)的工作原理，并運(yùn)用三維軟件UG進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，真實(shí)再現(xiàn)了新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)的工作狀況。研究結(jié)果表明：新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)滿足工作要求，能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡。

關(guān)鍵詞：新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)；三維軟件；仿真

0引言

我國有著種植香蕉的悠久傳統(tǒng)和廣闊的種植地域，是世界上種植香蕉的最古老國家之一，目前國外許多主栽香蕉品種主要是由我國傳去。但我國千百年來都沿襲著純手工采收的勞作方式，采收粗放、效率低，既費(fèi)時(shí)、費(fèi)工、費(fèi)力，又很難避免香蕉不受機(jī)械損傷，只能適應(yīng)小批量和低檔次香蕉的采收。雖然國外已運(yùn)用索道運(yùn)輸法，可解決香蕉運(yùn)輸問題；但仍然沒有相應(yīng)成熟的電動(dòng)切割、香蕉采收裝置，香蕉采收仍停留在純?nèi)斯な謩?dòng)采摘，效率低。這大大限制了香蕉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，單純靠手工采摘已無法滿足香蕉的增長需求。

為了提高效率，同時(shí)降低勞動(dòng)輕度，研發(fā)了一種能實(shí)現(xiàn)多自由度電動(dòng)切割、采收香蕉來很好代替純手工的機(jī)具。該機(jī)具操作簡單、制造方便，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，可使香蕉采收省力、快速、方便，老少均可操作，熟練程度快；采收每掛果穗只需10～15s，且不傷害香蕉樹本身，采收香蕉的速度比用純手工采收快2倍。這樣既能降低蕉農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，又能提高香蕉采收速度和采收率。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、操作方便，對提高香蕉種植規(guī)模及經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)業(yè)化水平有著重大的意義，適合香蕉種植業(yè)的發(fā)展。

以往對新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)的研究是通過類比或經(jīng)驗(yàn)得出，這種傳統(tǒng)方法具有一定的盲目性和局限性。因此，需要采用更為科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方法，為新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)的生產(chǎn)和制造提供更加有效的參數(shù)。為此，通過三維軟件UG建立新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)的三維模型，真實(shí)再現(xiàn)了新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)的工作狀況，并對采收機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和三維仿真。

1整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

新型電動(dòng)切割香蕉采收由機(jī)車架、切割機(jī)構(gòu)及抓取機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。

1.車架　2.刀架　3.第1電機(jī)　4.連接塊　5.第1轉(zhuǎn)軸

對于切割機(jī)構(gòu)，使用時(shí)，將通過車架推至目標(biāo)香蕉樹附近，工人根據(jù)香蕉果軸的位置，通過把手控制圓盤刀的方向；按壓或抬升把手，圓盤刀繞著第2轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)抬起或壓下，第1彈簧和第2彈簧起到自動(dòng)將圓盤刀恢復(fù)到平衡位置的作用，導(dǎo)向桿起到支撐彈簧的作用。向前或向后拉動(dòng)把手時(shí)，通過滑塊在滑槽中的移動(dòng)將圓盤刀伸出和收回；左右旋轉(zhuǎn)把手，則刀架繞第1轉(zhuǎn)動(dòng)副做圓周運(yùn)動(dòng)，圓盤刀獲得水平面上的自由度。

樓梯和升降滑槽固定在帶輪底盤上形成三角形車架，樓梯傾斜安裝，升降滑槽豎直安裝。由于有些香蕉樹很高，工人需要爬上樓梯上操作切割機(jī)構(gòu)的把手。

夾爪包括滑動(dòng)桿、支撐主桿、半環(huán)形支撐臂及香蕉果軸定位槽，通過滑動(dòng)桿安裝在升降滑槽中；支撐主桿固定在滑動(dòng)桿上，半環(huán)形支撐臂固定在支撐主桿上，香蕉果軸定位槽固定在支撐主桿下端并且與半環(huán)形支撐臂的圓心對應(yīng)。

第2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括減速器、聯(lián)軸器及驅(qū)動(dòng)機(jī)；第2電機(jī)的輸出軸與減速器的輸入軸連接，減速器的輸出軸通過聯(lián)軸器與驅(qū)動(dòng)機(jī)的輸入軸連接，線輥安裝驅(qū)動(dòng)機(jī)的輸出軸上。

通過第2轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將夾爪升到香蕉果軸的位置，香蕉果軸底端嵌入香蕉果軸定位槽中并被半環(huán)形支撐臂環(huán)抱；當(dāng)香蕉果軸上端被圓盤刀割斷后能夠穩(wěn)固的停留在夾爪中，并隨著夾爪沿著升降滑槽降低到地面，由位于底面的工人裝到儲(chǔ)存車中運(yùn)走。

2圓盤刀尖的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

2.1　圓盤刀尖速度

圓盤刀在扭矩和自身重力下的作業(yè)下圓周轉(zhuǎn)動(dòng)并向里進(jìn)給，圓盤刀對香蕉果軸切削，如圖2所示。

圖2　圓盤刀的結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)以圓盤刀尖作為研究對象，設(shè)圓盤刀以角速度ω進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并以速度vx向里進(jìn)給。土壤質(zhì)點(diǎn)的絕對速度等于相對速度、牽連速度加上豎直速度的矢量和，則

ω—圓盤刀的角速度(rad/s)；

R—圓盤刀尖到中心軸的質(zhì)點(diǎn)(m)；

δ—圓盤刀與水平方向的夾角(°)。

速度參數(shù)圖如圖3所示。

圖3　土壤質(zhì)點(diǎn)的速度圖

2.2　圓盤刀的加速度分析

質(zhì)點(diǎn)位于勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤刀上，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)，質(zhì)點(diǎn)的絕對加速度等于科式加速度、相對加速度和牽連加速度的矢量和，則有

δ—牽連加速度與相對加速度的夾角(°)。

加速度分析如圖4所示。

圖4　土壤質(zhì)點(diǎn)的加速度圖

2.3　土壤質(zhì)點(diǎn)的力學(xué)分析

以圓盤刀上任意質(zhì)點(diǎn)作為研究對象，分析其受力，如圖5所示。圖5中，G為圓盤刀的重量；N為圓盤刀尖上的法向壓力；F為圓盤刀尖受到的慣性力。

圖5　受力圖

3新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1　新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)的三維模型

要進(jìn)行采收機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，需對采收機(jī)建立三維模型。新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)主要由機(jī)車架、切割機(jī)構(gòu)及抓取機(jī)構(gòu)等組成。

3.2　創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)條件

在新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)中，只有兩個(gè)動(dòng)力源: 其線輥轉(zhuǎn)軸的動(dòng)力角加速度為ω1= 240°/s，驅(qū)動(dòng)條件如圖6所示。其圓圓盤刀轉(zhuǎn)軸的動(dòng)力角加速度為ω1= 900°/s，驅(qū)動(dòng)條件如圖7所示。

圖6　新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)的驅(qū)動(dòng)條件

圖7　新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)的驅(qū)動(dòng)條件

3.3　運(yùn)動(dòng)仿真的解算方案

經(jīng)UG基于運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的綜合分析，確定好重力常數(shù)的大小和方向，以及解算方案，如圖8所示。

圖8　新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)的解算方案

3.4　圓盤刀運(yùn)動(dòng)仿真的解算結(jié)果

經(jīng)UG運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，圓盤刀尖位置位移圖如圖9 所示，圓盤刀尖位置的角速度圖如圖10所示。

圖9　圓盤刀刀尖位置的位移圖

圖10　圓盤刀刀尖位置的角速度圖

由運(yùn)行的結(jié)果分析可得：圓盤刀尖位置的運(yùn)動(dòng)為勻速直線運(yùn)動(dòng)，速度為867deg/s。

3.5　半環(huán)形支撐臂仿真的解算結(jié)果

經(jīng)UG運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，以半環(huán)形支撐臂的某一定點(diǎn)做位置跟蹤，其位移圖如圖11所示，半環(huán)形支撐臂的速度圖，如圖12所示。

圖11　半環(huán)形支撐臂的某一定點(diǎn)位移圖

圖12　半環(huán)形支撐臂的速度圖

由運(yùn)行的結(jié)果分析可得：半環(huán)形支撐臂的運(yùn)動(dòng)為勻速運(yùn)動(dòng)，速度是126mm/s。

4結(jié)論

1) 三維仿真軟件UG 真實(shí)再現(xiàn)了新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)的工作工況。

2) 新型電動(dòng)切割香蕉采收機(jī)滿足工作要求，能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭廣平，覃海英，婁玉印.基于新型植樹挖坑機(jī)的Pro/E仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013,35(6)：73-76.

[2]許林兵.世界香蕉產(chǎn)業(yè)狀況與發(fā)展趨勢[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006(10)：106-109.

[3]王紅軍，唐之富，趙潤茂，等. 香蕉采摘機(jī)械手夾持裝置仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015 (6)：161-164.

[4]任偉平，朱立學(xué).香蕉田間運(yùn)輸小車懸掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2015(3)：40-43.

[5]丁旭東，袁雙喜. Autodesk Inventor運(yùn)動(dòng)仿真模塊基礎(chǔ)[J]. CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2014(11):57-59.

[6]黃偉，婁玉印，韋寧,等.行走式植樹挖坑機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，35(2)：35-39.

[7]濮良貴，紀(jì)名剛，陳國定，等.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社.

UG Simulation Based on Electric Cutting Banana Harvest Machine

Li Yupeng， Ma Guixiang, Ma Junsheng， Wang Xianze， Zhang Jian

(School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)

Abstract：In order to improve the efficiency, reduce labor intensity, at the same time to develop a can realize the multi degree of freedom instead of the pure manual electric cutting banana harvest machine, make banana harvest energy, fast, convenient, young and old are operational, proficiency quickly. This paper introduced the working principle of electric cutting banana harvest machine, kinematics analysis and using Three-dimensional software UG, electric cutting real banana harvest machine in working condition. The results show that the electric cutting banana harvest machine can meet the job requirements, to achieve a predetermined motion law.

Key words：electric cutting banana harvest machine; three-dimensional software; simulation

中圖分類號(hào)：S225.5+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)12-0061-05

作者簡介：黎毓鵬(1971-),男，廣西桂平人，工程師，碩士。通訊作者：馬桂香(1994-)，女，廣西桂林人，碩士研究生，(E-mail)1124056290@qq.com。

基金項(xiàng)目：廣西大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(141059301)

收稿日期：2015-11-17