張帆 宮杰 范海闊 張強(qiáng) 黃暉 夏文 劉義軍 付云飛

摘 要 為提高椰子采摘工作的作業(yè)效率和安全性，設(shè)計(jì)出一款簡(jiǎn)易椰樹攀爬裝置，并運(yùn)用超景深顯微技術(shù)對(duì)裝置的安全性能進(jìn)行磨損特性分析。模仿人類爬樹動(dòng)作，確定了攀爬裝置的運(yùn)動(dòng)方式，完成對(duì)樣機(jī)的設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)0-1 000 N的循環(huán)載荷攀爬試驗(yàn)，運(yùn)用超景深顯微鏡的變焦鏡頭VH-200R瞬時(shí)拍攝了不同階段的關(guān)鍵部件（支撐架、支撐桿以及鋼絲繩）磨損狀態(tài)。結(jié)果表明：攀爬裝置在反復(fù)工作過程中，3個(gè)關(guān)鍵部件均因受到較大應(yīng)力并發(fā)生變形，隨著承重載荷的增加，變形程度逐漸加劇，磨損程度越來越大。

關(guān)鍵詞 超景深顯微鏡 ；關(guān)鍵部件 ；椰樹攀爬裝置 ；攀爬實(shí)驗(yàn) ；磨損特性

中圖分類號(hào) S22

Abrasion Characteristics Analysis of Key Components in Coconut Tree Climbing Device

ZHANG Fan1） GONG Jie1） FAN HaiKuo2） ZHANG Qiang3） HUANG Hui1）

XIA Wen1） LIU YiJun1） FU YunFei1）

（1 Agricultural Product Processing Research Institute / Chinese Agricultural Ministry Key Laboratory of Tropical Crop Products Processing， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Zhanjiang， Guangdong 524001；

2 Coconut Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Wenchang， Hainan 571339；

3 College of Mechanical Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin， Liaoning 123000）

Abstract To improve work efficiency and safety of coconut picking， a simple coconut tree climbing device is designed， and then the super depth microscopy approach is used to analyze the safety performance and the wear characters of this device. For starters， by simulating the action of human climbing， we determine the motion scheme of this device and complete the design； then a load climbing test is proposed to observe the three key components， including a supporting frame， a supporting rod and a wire rope. The infrared thermal imaging and acoustic emission detections are recorded by microscope lens VH-200 under the cycling load from 0 N to 1000 N. The results show that during the repeated operation of the climbing device， the three key components are all subjected to large stress and deformation. With the increase of bearing load， the deformation degree is gradually intensified， and the wear degree shows an increasing trend.

Key words digital microscope ； key parts ； coconut tree climbing device ； climbing test ； wear characteristics

椰子是海南最重要的熱帶經(jīng)濟(jì)作物之一，其種植面積與結(jié)構(gòu)比率一直居于海南熱帶作物的前3名。椰子產(chǎn)業(yè)是海南的傳統(tǒng)特色產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品價(jià)值、環(huán)境價(jià)值、生態(tài)價(jià)值及社會(huì)價(jià)值更加得到凸顯。海南擁有椰子加工企業(yè)400多家，有超過50萬人（約占海南戶籍人口數(shù)的6 %）從事與椰子產(chǎn)業(yè)相關(guān)的椰子種植、產(chǎn)品加工、產(chǎn)品運(yùn)銷及科研等工作。由于椰子樹是一種常綠喬木，其樹干挺直，高達(dá)15-30 m，且缺少枝干，所以每到椰果的收獲季節(jié)，如何對(duì)椰果進(jìn)行高效的采摘便成為椰農(nóng)首先要解決的技術(shù)難題[1-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外采摘椰果主要有以下4種方法。方法一是椰果成熟自然脫落。此方法因椰果采收時(shí)間長(zhǎng)，過熟的椰果水少、品質(zhì)差，不能滿足椰子加工產(chǎn)業(yè)的要求。方法二是長(zhǎng)柄工具鉤果。此方法非常費(fèi)力，椰樹越高，勞動(dòng)強(qiáng)度越大。方法三是人工爬樹采摘。這種方法保證了椰果采收質(zhì)量，但采摘效率低，危險(xiǎn)性較大。方法四是訓(xùn)練猴子爬樹摘果。此方法雖然很好，但成本高、難度大[2-4]。

近幾年，印度、泰國(guó)等椰子主產(chǎn)國(guó)對(duì)椰樹攀爬裝置進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)[5-8]。目前，椰樹攀爬裝置在一定程度上能降低椰果采摘工人的勞動(dòng)強(qiáng)度并提高采摘效率，但其制造成本偏高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易操作?；谏鲜鲈?，這些國(guó)家的椰樹攀爬裝置并未得到批量生產(chǎn)和大規(guī)模的推廣應(yīng)用。目前我國(guó)并未開展有關(guān)椰樹攀爬裝置的研制工作，椰果的采摘還是以傳統(tǒng)的人工爬樹采摘作業(yè)方式為主，這種方法存在采摘效率低、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大以及安全性差等問題，嚴(yán)重制約了椰子產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展，目前急需一種能夠輔助人工攀爬椰樹的裝置。因此，筆者以椰樹攀爬裝置為研究對(duì)象，通過解析人類爬樹動(dòng)作，確定攀爬裝置的運(yùn)動(dòng)方式，完成對(duì)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)循環(huán)載荷下的椰樹攀爬試驗(yàn)并基于超景深顯微鏡觀察攀爬裝置關(guān)鍵部件在循環(huán)載荷作用過程中的變形情況，以分析其磨損特性，為后續(xù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 攀爬裝置的設(shè)計(jì)原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)椰樹的生物學(xué)特性，分析研究椰果采摘工人在攀爬椰樹時(shí)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)與簡(jiǎn)易原則，確定了椰樹攀爬裝置的運(yùn)動(dòng)原理和設(shè)計(jì)方案，并計(jì)算該裝置的總體參考尺寸，設(shè)計(jì)出椰樹攀爬裝置原理，見圖1[9]。

該攀爬裝置包含2個(gè)主體作業(yè)單元及3個(gè)輔助作業(yè)部件，兩主體作業(yè)單元包括攀爬裝置上驅(qū)動(dòng)部和攀爬裝置下驅(qū)動(dòng)部，二者在進(jìn)行攀爬作業(yè)時(shí)相對(duì)獨(dú)立，當(dāng)其中一個(gè)單元作為受力主體時(shí)，可釋放并移動(dòng)另一個(gè)單元。2個(gè)主體單元的工作部分在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上大同小異，均包含有支撐架、支撐桿、鋼絲繩3個(gè)關(guān)鍵部件，3個(gè)部件依次進(jìn)行連結(jié)。為適應(yīng)不同直接的樹木，支撐桿與支撐架之間通過調(diào)節(jié)板的主安裝孔，并采用螺栓與主體支架相連接，支撐桿與鋼絲繩的連接則是通過支撐桿臂上的調(diào)節(jié)孔串接而成。兩主體作業(yè)單元不同之處在于攀爬裝置上驅(qū)動(dòng)部設(shè)計(jì)有可供樹木攀爬作業(yè)人員坐下的座椅，座椅與主支架焊接相連，為上驅(qū)動(dòng)部的受力點(diǎn)；下驅(qū)動(dòng)部則設(shè)計(jì)有攀爬腳扣裝置，為下驅(qū)動(dòng)部的受力點(diǎn)，同樣與下驅(qū)動(dòng)部焊接連結(jié)。此外，輔助工具安全帽和安全帶都是為保障攀爬作業(yè)人員的安全，連接繩則是為了防止在攀爬作業(yè)時(shí)由于操作失誤所造成的上驅(qū)動(dòng)部和下驅(qū)動(dòng)部脫離而掉落。

1.2 操作原理

結(jié)合裝置的需求定位，初步選用304不銹鋼材料制作一臺(tái)樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了工作試驗(yàn)。圖2為攀爬裝置的工作狀態(tài)，其工作原理為：攀爬作業(yè)人員佩戴好安全帽和安全繩等安全措施，將腳放置在攀爬裝置下驅(qū)動(dòng)部的腳扣中，并平坐于攀爬裝置上驅(qū)動(dòng)部的座椅上，此時(shí)座椅和腳扣作為承重載荷的受力支點(diǎn)，人體重力與裝置和樹木之間的摩擦力達(dá)到平衡。往上攀爬時(shí)，作業(yè)人員的腿逐漸站立伸直，下驅(qū)動(dòng)部腳扣作為受力支點(diǎn)而受力，同時(shí)作業(yè)人員手握住攀爬裝置上驅(qū)動(dòng)部的主體支架，使上驅(qū)動(dòng)部隨著作業(yè)人員的上提而往上運(yùn)動(dòng)，待運(yùn)動(dòng)到指定點(diǎn)后，作業(yè)人員重新坐在座椅上，此時(shí)身體重力與裝置和樹木的摩擦力重新達(dá)到平衡，再借助腿部上蹬的動(dòng)作使攀爬裝置下驅(qū)動(dòng)部沿著樹木上移，如此反復(fù)進(jìn)行動(dòng)作間的交替，即可完成樹木的攀爬作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件的超景深顯微鏡分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

超景深顯微鏡是一種雙目觀察的連續(xù)變倍實(shí)體顯微鏡，可以觀察傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡由于景深不夠而不能看到的顯微世界，它具有獨(dú)特的環(huán)形照明技術(shù)，并配有斜照明、透射光和偏振光，能滿足一般的金相照片拍攝、宏觀的立體拍攝和非金屬材料的拍攝，物體的圖像用CCD相機(jī)俘獲并在LCD顯示器上觀察。本研究所使用的超景深顯微鏡為Keyence VHX-2000，如圖3。

2.2 試驗(yàn)方法

攀爬裝置在工作過程中，會(huì)受到作業(yè)人員身體重量的壓力，因而各個(gè)部件之間會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力和摩擦力，造成零件一定的磨損變形，由于不同的承載量的磨損程度不同，裝置的變形程度也會(huì)發(fā)生變化。為探討攀爬裝置在實(shí)際承重情況下的影響，設(shè)計(jì)了承重載攀爬試驗(yàn)，對(duì)裝置持續(xù)施加從0 N到1 000 N的承重循環(huán)載荷。本研究采用紅外熱成像檢測(cè)法，通過對(duì)裝置施加750 N的靜態(tài)載荷的條件下，觀察裝置的主要受力點(diǎn)集中在支撐架、支撐桿螺栓孔、鋼絲繩3處，即為椰樹攀爬裝置的關(guān)鍵部件。由于攀爬試驗(yàn)是人工實(shí)現(xiàn)，無法給出具體的攀爬循環(huán)次數(shù)，因此，本研究使用超景深顯微鏡瞬時(shí)記錄關(guān)鍵部件在4個(gè)不同階段時(shí)的磨損情況。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

首先測(cè)試了支撐架在持續(xù)載荷作用下不同階段的厚度，并對(duì)支撐架的厚度進(jìn)行了測(cè)量，如圖4。

由圖4可以看出，從階段1到階段2，支撐架輕微磨損，并且逐漸變薄，其寬度從初始的5 006 μm變?yōu)? 939 μm；在階段3時(shí)，支撐架磨損開始加劇，材料顏色也明顯變淺，厚度減小為4 487 μm；階段4后，支撐架磨損程度嚴(yán)重加劇，材料明顯變薄，厚度減小為4 448 μm。

由于支撐架與支撐桿通過螺栓相連接，施加承重載荷過程中，螺栓與螺紋孔相互擠壓，會(huì)使支撐桿螺紋孔產(chǎn)生磨損變形，利用超景深顯微鏡對(duì)其中支撐架的螺栓孔進(jìn)行拍攝其對(duì)面積進(jìn)行測(cè)量，可以探究支撐桿鎖緊螺栓孔的磨損狀況。圖5記錄了螺紋孔在不同階段時(shí)的磨損情況。

由圖5可知，從階段1到階段2，支撐桿的螺紋孔產(chǎn)生輕微裂痕，并且面積由初始的53 659 019 μm2增至54 791 552 μm2，在階段3時(shí)，支撐桿上的螺紋孔出現(xiàn)明顯裂紋，面積增至55 033 271 μm2，階段4后，裂紋較大，并且發(fā)生明顯擴(kuò)散，螺紋孔面積增至55 224 283 μm2。

攀爬裝置在有承重的條件下，鋼絲繩會(huì)因?yàn)槭艿嚼瓚?yīng)力變得膨脹，即截面積逐漸變寬，使鋼絲繩不斷磨損。為探究鋼絲繩承重時(shí)磨損特性，利用超景深顯微鏡瞬時(shí)拍攝4個(gè)不同時(shí)期的鋼絲繩使用狀態(tài)，并測(cè)量單條鋼絲繩的寬度，記錄結(jié)果見圖6。

由圖6可知，鋼絲繩在初始狀態(tài)外形緊致，寬度為2 496 μm；到階段2時(shí)，鋼絲繩逐漸松弛，寬度增至3 258 μm；階段3后，鋼絲繩松弛程度加劇，寬度增至3 326 μm；階段4時(shí)，鋼絲繩寬度增至3 452 μm。

由表1可知，隨著循環(huán)載荷的持續(xù)作用，支撐架的磨損程度逐漸加劇，厚度變薄，變形較為明顯；支撐架螺紋孔的磨損程度加重并且面積變大，變形程度逐漸加??；鋼絲繩寬度的增加，變成程度逐漸加劇。

3 結(jié)論

本研究基于椰樹的生物學(xué)特性和椰果作業(yè)人員的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理，確定了椰樹攀爬裝置的運(yùn)動(dòng)原理，通過對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制作出椰樹攀爬裝置的樣機(jī)；基于超景深顯微鏡，設(shè)計(jì)攀爬裝置的攀爬實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)攀爬裝置的遞增施加0-1 000 N的承重載荷，觀察支撐架、支撐桿和鋼絲繩的磨損狀況，并瞬時(shí)拍攝了不同階段的實(shí)時(shí)狀態(tài)，再對(duì)各個(gè)部件指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)，椰樹攀爬裝置在工作工程中，支撐架、支撐桿、鋼絲繩3處隨著循環(huán)載荷的持續(xù)作用，其磨損程度逐漸加劇。

下一步將針對(duì)本研究結(jié)果，對(duì)椰樹攀爬裝置的支撐架、支撐桿、鋼絲繩的選材及結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證裝置工作狀態(tài)安全、可靠，此外需要對(duì)攀爬裝置關(guān)鍵零件進(jìn)行及時(shí)更新，以保證作業(yè)人員的人身安全。

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