梁 策,李有立,畢天滋,謝紅梅,江 山,戴宛林

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南寧 530004)

0 引言

菠蘿作為亞熱帶享譽(yù)盛名的水果,目前種植菠蘿的國(guó)家和地區(qū)已達(dá)到70個(gè)多,年產(chǎn)量大約占世界水果總產(chǎn)量的5%。當(dāng)前菠蘿的傳統(tǒng)采收主要依靠手工,采收季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、采收效率低,且菠蘿上的刺易傷手,又增加了采收難度,以至于菠蘿的產(chǎn)量難以滿(mǎn)足菠蘿產(chǎn)業(yè)日益增長(zhǎng)的需求,菠蘿產(chǎn)量與菠蘿需求之間的矛盾愈發(fā)強(qiáng)烈。

為解決人工采收菠蘿勞動(dòng)強(qiáng)度大、采收效率低的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種機(jī)電一體立式夾持菠蘿采收裝置。其功能是輔助人工的夾持與折斷,從而提高效率,降低勞動(dòng)強(qiáng)度。為驗(yàn)證其輔助人工夾持與折斷的可行性,利用ANSYS workbench對(duì)裝置的重要部位進(jìn)行有限元分析,提前預(yù)測(cè)重要部位在理論上是否滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度需求。最后,試制一臺(tái)樣機(jī)模型,通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)理論結(jié)果。

1 裝置設(shè)計(jì)原理及相關(guān)參數(shù)

1.1 裝置設(shè)計(jì)原理

機(jī)電一體立式夾持菠蘿采收裝置的設(shè)計(jì)主要完成夾持菠蘿與折斷菠蘿稈莖兩個(gè)動(dòng)作,包括連桿式夾持機(jī)構(gòu)和錐齒輪折斷機(jī)構(gòu)。工作時(shí),以電機(jī)作為動(dòng)力,由連桿式夾持機(jī)構(gòu)夾穩(wěn)菠蘿,再由錐齒輪折斷機(jī)構(gòu)折斷菠蘿稈莖完成對(duì)菠蘿的采收。機(jī)電一體立式夾持菠蘿采收裝置如圖1所示。

1.錐齒輪折斷機(jī)構(gòu) 2.U型提升杠桿 3.行走車(chē)架 4.支撐腳架

1.1.1 連桿式夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

工作時(shí),驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)從動(dòng)錐齒輪,從動(dòng)錐齒輪與旋轉(zhuǎn)主軸配合,以機(jī)架為連桿式夾持機(jī)構(gòu)的定位,旋轉(zhuǎn)主軸與滾動(dòng)軸承配合轉(zhuǎn)動(dòng);旋轉(zhuǎn)主軸通過(guò)帶動(dòng)短連桿和鉸接件使外爪連桿圍繞著外爪連桿與機(jī)架的鉸接處旋轉(zhuǎn),進(jìn)而將電機(jī)軸向的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閵A持機(jī)構(gòu)打開(kāi)和閉合的動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)夾持和松放的功能。連桿式夾持機(jī)構(gòu)如圖2所示。

1.1.2 錐齒輪折斷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

由電機(jī)作為動(dòng)力,帶動(dòng)錐齒輪嚙合,為錐齒輪折斷機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。從動(dòng)錐齒輪與旋轉(zhuǎn)軸配合,通過(guò)套筒和推動(dòng)連桿將動(dòng)力傳遞給連桿式夾持機(jī)構(gòu),與連桿式夾持機(jī)構(gòu)配合,模擬人工掰斷菠蘿稈莖。錐齒輪折斷機(jī)構(gòu)如圖3所示。

1.電機(jī) 2.嚙合錐齒輪 3.旋轉(zhuǎn)主軸 4.外爪連桿 5.橡膠塊

1.扶手 2.軸承座 3.電機(jī) 4.支撐平臺(tái) 5.推動(dòng)連桿

連桿式夾持機(jī)構(gòu)的主要參數(shù),如表1所示。

表1 連桿錐齒輪主要參數(shù)

錐齒輪折斷機(jī)構(gòu)的主要參數(shù),如表2所示。

表2 折斷錐齒輪主要參數(shù)

2 重要部件的有限元分析

將在UG中做好的三維模型導(dǎo)入ANYSY workbench相應(yīng)模塊中,進(jìn)行有限元分析,目的是檢驗(yàn)該裝置在理論上是否滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)中強(qiáng)度與剛度的需求,為進(jìn)一步制造樣機(jī)打下理論基礎(chǔ)。

2.1 連桿式夾持機(jī)構(gòu)的有限元分析

連桿式夾持機(jī)構(gòu)是裝置的核心,由電機(jī)作為動(dòng)力,把旋轉(zhuǎn)主軸的軸向轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)化為連桿打開(kāi)和閉合的運(yùn)動(dòng)。連桿式夾持機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中作為主要受力部件,在夾持菠蘿時(shí)受到菠蘿對(duì)其的反作用力;在折斷菠蘿稈莖時(shí),受到菠蘿稈莖對(duì)其的反作用力與摩擦力。

2.1.1 建立連桿式夾持機(jī)構(gòu)有限元模型

將連桿式夾持機(jī)構(gòu)的模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化后導(dǎo)入ANYSY workbench相應(yīng)模塊中。由于在實(shí)際工作中,錐齒輪折斷機(jī)構(gòu)需要重復(fù)承受壓力與摩擦力,要有足夠的強(qiáng)度與耐磨度,因此使用45鋼為連桿式夾持機(jī)構(gòu)的材料。通過(guò)ANSYS Workbench指定材料為45鋼,再通過(guò)網(wǎng)格劃分功能對(duì)連桿式夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到連桿式夾持機(jī)構(gòu)模型圖如圖4所示。

圖4 連桿式夾持機(jī)構(gòu)模型圖

當(dāng)連桿式夾持機(jī)構(gòu)夾住菠蘿,轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始工作時(shí),以錐齒輪折斷機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)過(guò)的每一瞬間為研究對(duì)象,視為靜止,則菠蘿整體即可認(rèn)為是懸臂梁。由摩擦力提供的力矩將菠蘿轉(zhuǎn)過(guò)σ角,一般的菠蘿稈莖的直徑為3～6cm,高度為0.8～1m,橫截面近似為圓。在人工作業(yè)時(shí),由于菠蘿稈較脆,常常一掰就斷,折斷角度約為15°,本文設(shè)定現(xiàn)夾持的菠蘿果實(shí)直徑20cm,與橡膠摩擦因數(shù)為0.15,稈莖為4cm,高度為1m,彈性模量為3MPa,則有

σ=MX/EI

I=πa4/64

M=μN(yùn)R

式中M—摩擦力的力矩;

E—菠蘿秸稈彈性模量;

I—菠蘿秸稈的慣性矩;

X—菠蘿稈的高度;

σ—菠蘿轉(zhuǎn)過(guò)的角度;

a—菠蘿稈莖直徑;

μ—橡膠與菠蘿果實(shí)摩擦力;

R—菠蘿果實(shí)橫向半徑;

N—菠蘿果實(shí)受到的壓力。

通過(guò)以上計(jì)算求得,連桿式夾持機(jī)構(gòu)在折斷菠蘿稈莖的瞬間每個(gè)外爪連桿受到189N的壓力,28.35N的摩擦力時(shí),能將菠蘿摘下。

2.1.2 連桿式夾持機(jī)構(gòu)夾持菠蘿時(shí)的有限元分析

在連桿式夾持機(jī)構(gòu)夾持住菠蘿果實(shí)時(shí),外爪連桿為與菠蘿果實(shí)接觸部分,此時(shí)在4個(gè)外爪連桿上施加189N的壓力,以模擬夾持時(shí)菠蘿果實(shí)對(duì)其的反作用力,由此得出如圖5和圖6所示的夾持應(yīng)力云圖與夾持變形云圖。

通過(guò)夾持應(yīng)力云圖可知:在夾持菠蘿果實(shí)時(shí)外爪連桿最大受力為1.544MPa,遠(yuǎn)小于45鋼的許用應(yīng)力335MPa。且由夾持變形應(yīng)力云圖可知:其最大變形為0.004 492 6mm,小于外爪連桿許用撓度0.45mm,因而在夾持時(shí)連桿式夾持機(jī)構(gòu)是安全的。

圖6 連桿式夾持機(jī)構(gòu)夾持變形云圖

clamping mechanism

2.1.3 連桿式夾持機(jī)構(gòu)折斷菠蘿時(shí)的有限元分析

在連桿式夾持機(jī)構(gòu)折斷菠蘿稈莖時(shí),外爪連桿受到菠蘿對(duì)其的反作用力和摩擦力,此時(shí)模擬折斷過(guò)程在4個(gè)外爪連桿上施加189N的壓力與28.35N的摩擦力,由此得出圖7、圖8所示的折斷應(yīng)力云圖與折斷變形云圖。

圖7 連桿式夾持機(jī)構(gòu)折斷應(yīng)力云圖

圖8 連桿式夾持機(jī)構(gòu)折斷變形云圖

通過(guò)折斷應(yīng)力云圖可知,在夾持菠蘿果實(shí)時(shí)外爪連桿最大受力為20.863MPa,遠(yuǎn)小于45鋼的許用應(yīng)力335MPa,且由夾持變形應(yīng)力云圖可知,其最大變形為0.044 31mm,小于外爪連桿許用撓度0.45mm,因而在夾持時(shí)連桿式夾持機(jī)構(gòu)是安全的。

2.2 錐齒輪折斷機(jī)構(gòu)的有限元分析

錐齒輪折斷機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中主要通過(guò)齒輪嚙合,將動(dòng)力傳送給連桿式夾持機(jī)構(gòu)折斷菠蘿稈莖,在工作過(guò)程中從動(dòng)錐齒輪為連桿式夾持機(jī)構(gòu)提供扭矩,為主要受力部分,因此對(duì)從動(dòng)錐齒輪進(jìn)行有限元分析極具代表性。

2.2.1 建立從動(dòng)錐齒輪的有限元模型

將從動(dòng)錐齒輪的模型導(dǎo)入ANYSY workbench相應(yīng)模塊中。由于在實(shí)際工作中,從動(dòng)錐齒輪需要承受交變應(yīng)力及扭矩,需要足夠的疲勞強(qiáng)度與耐磨度,因此使用結(jié)構(gòu)鋼為從動(dòng)錐齒輪的材料。通過(guò)ANSYS Workbench指定材料為結(jié)構(gòu)鋼,再通過(guò)自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能對(duì)連桿式夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到從動(dòng)錐齒輪有限元模型圖如圖9所示。

在折斷過(guò)程中,由從動(dòng)錐齒輪把扭矩傳遞給連桿式夾持機(jī)構(gòu),由扭矩守恒定律可知:從動(dòng)錐齒輪的扭矩即為連桿式夾持機(jī)構(gòu)折斷菠蘿稈莖時(shí)的扭矩,將2.835N·m施加在從動(dòng)錐齒輪上,進(jìn)行有限元分析。

2.2.2 從動(dòng)錐齒輪工作時(shí)的有限元分析

從動(dòng)錐齒輪在菠蘿折斷的一瞬間受到2.835N·m轉(zhuǎn)矩的作用,將其施加在從動(dòng)錐齒輪上,由此得出了圖10、圖11所示的從動(dòng)錐齒輪應(yīng)力云圖和從動(dòng)錐齒輪變形云圖。

通過(guò)應(yīng)力云圖可知:在從動(dòng)錐齒輪工作的時(shí)候,最大應(yīng)力為178.67MPa,小于結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度215MPa。由變形應(yīng)力云圖可知:其最大變形為0.010 829mm,小于結(jié)構(gòu)鋼彈性形變極限0.114mm,因而在工作時(shí)從動(dòng)錐齒輪是安全的,進(jìn)而可知錐齒輪折斷機(jī)構(gòu)是合理且安全的。

圖10 從動(dòng)錐齒輪應(yīng)力云圖

圖11 從動(dòng)錐齒輪變形云圖

3 試制與試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)ANSYS有限元分析驗(yàn)證了該裝置的連桿式夾持機(jī)構(gòu)與錐齒輪折斷機(jī)構(gòu)在理論上滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)中強(qiáng)度與剛度的需求,能夠較好地完成輔助人工采收菠蘿。經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)地采收環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)查確定了零件的相關(guān)參數(shù),試制了一臺(tái)實(shí)物樣機(jī),以檢測(cè)其實(shí)際工作效果,如圖12和圖13所示。

圖12 裝置整體實(shí)物圖

圖13 裝置部分實(shí)物圖

為檢驗(yàn)裝置實(shí)際各項(xiàng)性能能否滿(mǎn)足生產(chǎn)所需,在菠蘿地進(jìn)行性能測(cè)試,一共進(jìn)行3組,每組采摘20個(gè)菠蘿。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果得機(jī)電一體立式夾持菠蘿采收裝置在實(shí)際操作中菠蘿破損率在5%以下,生產(chǎn)效率為14s/顆,成功采摘率在95%以上,符合實(shí)際生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論

運(yùn)用ANSYS Workbench對(duì)機(jī)電一體立式夾持菠蘿采收裝置進(jìn)行有限元分析,對(duì)其重要部件連桿式夾持機(jī)構(gòu)與錐齒輪折斷機(jī)構(gòu)做應(yīng)力及變形情況分析。以連桿式夾持機(jī)構(gòu)夾持及折斷狀態(tài)下應(yīng)力及變形情況、錐齒輪折斷機(jī)構(gòu)中從動(dòng)錐齒輪的應(yīng)力應(yīng)變情況為代表,校核其強(qiáng)度及剛度。最后,通過(guò)裝置的試制和試驗(yàn)得出其強(qiáng)度剛度滿(mǎn)足實(shí)際需求,具有良好的可靠性及合理性。